practica 6 materiales

8/17/2019 Practica 6 Materiales

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PRÁCTICA Nº 6

APLICACIÓN DE LA REGLA DE MEZCLAS PARA CALCULAR LASPROPIEDADES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

OBJETIVOS:

1. Describir como se podrían estimar las propiedades de un materialcompuesto reforzado con partículas o fibras , a partir de las propiedades delmaterial y la fracción de volumen de los componentes de la matriz y elrefuerzo

2. Calcular las propiedades de los materiales compuestos laminares

paralelamente al laminado y perpendicularmente al laminado

3. Calcular el módulo de elasticidad de un compuesto laminar con matriz deplástico reforzada con fibras contínuas en condiciones de isodeformación eisoesfuerzo

Definición e !"#e$i"%e& c'!()e'&

Se define como material compuesto todo sistema o combinación de materiales

constituido a partir de una unión no uímica !insolubles entre sí" de dos o más

componentes, ue da lu#ar a uno nuevo con propiedades características

específicas, no siendo estas nuevas propiedades nin#una de las anteriores. $a

importancia ue ba%o el punto de vista de la in#eniería ue tienen los materiales

compuestos, es ue sus propiedades son superiores o, en al#&n modo, más

importantes ue los de sus componentes considerados individualmente.

'odemos identificar dos fases( una continua, constituida por la matriz , y otra

fase discontinua, denominada refuerzo. $os componentes de un material

compuesto no deben disolverse ni fusionarse completamente unos con otros.

$a identificación de los materiales y la de su interface debe ser posible por

medios físicos.

$as propiedades del nuevo material dependen, entonces, del tipo de interface yde las características de los componentes.

Re&)!ien' )n c'!()e' e&:

• )aterial multifase, donde las fases son uímicamente distintas y separadas

por una superficie.

• Combinación de dos o más materiales para dar una combinación de

propiedades, ue no ser pueden obtener con los constituyentesindividuales.


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• Se espera alta resistencia y ba%a densidad !relación resistencia*peso".

'osibles combinaciones(

• Compuestos ue traba%en a una temperatura menor a 2++ C, #eneralmente

usan como matriz un polímero.

• Compuestos ue traba%en a temperaturas mayores, usualmente usan como

matriz un metal. -stos son fabricados por un proceso de polvos, por

infiltración de fibras o partículas en el metal fundido, ó mediante mezcla de

materiales particulados en la fundición.

• temperaturas altas los compuestos cerámicos tienen un uso potencial.

/ibras cerámicas adentro de un compuesto cerámico a menudo pueden

absorber la ener#ía durante la propa#ación de #rietas, disminuyendo el

crecimiento de ellas.

M"#$i*( es la fase continua y ue rodea a la otra fase


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+"&e i&(e$&"( es la fase de refuerzo, dentro de la matriz

P$'(ie"e& e %'& c'!()e'& son función de(

a" 'ropiedades de las fases constituyentes

b" 'roporciones relativas !fracción de volumen"

c" 0eometría de la fase dispersa

Re,%" e %"& !e*c%"&

-l tratamiento teórico más simple de las propiedades de los materiales

compuestos está basado en la re#la de mezclas !imoseno, S. 1456".

$a re#la de mezclas a sido estudiada por cada investi#ador de materiales

compuestos desde 1456 asta la actualidad. -sta famosa ecuación

inicialmente permitía predecir el comportamiento del módulo elástico y de la

car#a a la tracción de los materiales compuestos. Se basaba en el módulo delas fases constituyentes del material y de sus porcenta%es de aportación al


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compuesto e7presado en vol&menes, aunue tambi8n, de forma orientativa, se

aceptaba la e7presión en pesos. 9oy, ba%o los mismos fundamentos, esta re#la

se aplica para predecir más propiedades de los materiales compuestos tanto

reforzados con partículas, como con fibras y tambi8n laminares con al#unas

restricciones en cada caso.

-. M"#e$i"%e& c'!()e'& $ef'$*"'& c'n ("$#/c)%"&

• -l #rado de aumento de las

propiedades de la matriz depende de la

fuerza de coesión en la interfase

matriz*partícula.

• -n la mayoría de los compuestos, la

fase dispersa es más dura y resistente

ue la matriz !más blanda y d&ctil". $aspartículas tienden a restrin#ir el

movimiento de la matriz.

• $as propiedades mecánicas aumentan

al incrementarse la cantidad de

partículas.

'ara compuestos reforzados con partículas #randes : 1 ;m, esta re#la predice

el módulo elástico del compuesto !-c" el cual está comprendido entre un

má7imo y un mínimo y es función de la fracción de volumen !


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• Se arre#lan los componentes en series de

capas alternadas

• Cuando se aplican car#as, los esfuerzos

resultantes son proporcionales a los módulos

elásticos y de corte de los constituyentes.• ambi8n pueden aparecen esfuerzos internos

debido a la contracciones o e7pansiones de las

diferentes láminas !diferentes relaciones de

'oisson".

• -n esfuerzos transversales, se producen

esfuerzos de corte entre las superficies de

contacto.

-n los materiales compuestos laminares, se puede aplicar la @e#la de )ezclas

en dos situaciones( !a" 'ropiedades paralelamente al laminado y !b"

'ropiedades perpendicularmente al laminado

1. M"#e$i"%e& C'!()e'& Ref'$*"'& c'n +i2$"&


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• umentan las propiedades mecánicas !resistencia al esfuerzo, fati#a,

ri#idez" y la relación resistencia*peso al introducir fibras fuertes, rí#idas y

frá#iles.

• $a matriz transmite la fuerza a las fibras, otor#ando al compuesto ductilidad

y tenacidad, donde las fibras soportan la mayor parte de la fuerza aplicada.

Inf%)enci" e %" '$ien#"ción e %" fi2$"

• lineación paralela a los e%es lon#itudinales de las fibras

• lineación al azar

• $as fibras continuas #eneralmente se alinean

• $as fibras cortas pueden estar alineadas o al azar.

Con la re#la de las mezclas se predicen propiedades como densidad,

conductividad t8rmica y el8ctrica !sólo para la dirección de las fibras, si son

unidireccionales y continuas, ya ue sino no sabemos la dirección de las fibras

y no se predicen sus propiedades"


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M"#e$i"% c'!()e' c'n fi2$"& c'n#/n)"&

$as propiedades del compuesto se esuematizan como(

3 Den&i":

3 C'n)c#i4i" e%5c#$ic":

3 C'n)c#i4i" #5$!ic":

* Def'$!"ción se puede considerar !suponiendo una buena unión entre lascapas"(

* Mó)%' e E%"ici":

-l módulo de la elasticidad se predice tambi8n con esta re#la !sólo para

fibras continuas y unidireccionales", pero sólo a ba%a tensiónA a altas

tensiones se deforma la matriz y contribuye poco a la ri#idez del

compuesto, no cumpli8ndose la re#la de las mezclas. Con respecto al

módulo de elasticidad se debe considerar los si#uientes casos

!a" Si la car#a se aplica paralelamente a las fibras continuasunidireccionales(


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-sta ecuación se conoce como la re#la de mezclas para compuestos

binarios y permite calcular un valor para el módulo elástico de uncompuesto si se conocen los módulos elásticos de la fibra y la matriz, asícomo sus porcenta%es en volumen.

'ara car#as lon#itudinales, la relación entre la fuerza soportada por la

matriz !'m" y la fibra !'f " pude e7presarse como(

'or otra parte si se conoce la car#a total sobre un esp8cimen tensionadoen condiciones de isodeformación, entonces puede aplicarse la si#uienteecuación(

Donde( Pc Pf 7 P! son las car#as sobre el compuesto en total, la re#iónde fibra y la re#ión de matriz, respectivamente

Combinando las dos ecuaciones anteriores, la car#a sobre cada una delas re#iones de fibra y de matriz se puede determinar si se conocen losvalores correspondientes a -f , -m,


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Se puede predecir la resistencia con la re#la de las mezclas para un material

con fibras continuas y paralelas !condiciones de isodeformación"(

B resistencia del material

Bm tensión ue act&a sobre la matriz cuando el compuesto está deformado

asta el punto donde se fractura la fibra

Bf resistencia de las fibras


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PARA SABER MÁS88


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MÓDULO DE ELASTICIDAD

$a pendiente de la parte recta de la #ráfica varía muco para los distintos

materiales. -stá claro ue la pendiente del dia#rama tensión*deformaciónrepresenta la resistencia ue presenta cada material a alar#arse elásticamente

ba%o una tensión dada. -n otras palabras, mide la rigidez o la resistencia a

deformarse de un sólido.

'ara un material dado ue obedece la ley de 9ooe, la pendiente del dia#rama

o la relación entre tensión y deformación unitaria será constante. l módulo de

oun# se le llama a veces módulo de -lasticidad y tambi8n E , y se llama

colouialmente Eri#idezE. -l valor de E se obtiene dividiendo la Tensión entre la

Deformación unitaria. Un !"#e$i"% $/,i' c'n )n "%#' E !"n#iene &)#"!"9' 7 f'$!" "% &e$ &'!e#i' " )n" c"$," e%ic".


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