Técnicas de prefisuración de materiales frágiles: análisis por elementos finitos e implementación experimental

Abstract

El uso efectivo de la mecánica de la fractura elástica lineal para describir el comportamiento a fractura (tenacidad de fractura, KIc) y fatiga (cinética de propagación de grietas, da/dN) de materiales frágiles requiere de un procedimiento eficaz para introducir una prefisura aguda en las muestras a ensayar, lo cual es un problema difícil, costoso y controvertido cuando se trata de este tipo de materiales. En este trabajo primeramente, y con el propósito de eliminar el proceso de prefisuración, se estudia la efectividad de la utilización de los factores de intensidad de tensiones modificados propuestos en la literatura para estimar la tenacidad de fractura real del material a partir de resultados experimentales obtenidos con el método de la entalla en V (SEVNB), el estudio se realiza con metales duros (WC-Co). Sin embargo, si se pretende conocer la da/dN es necesario contar con una grieta y por tanto realizar la prefisuración del material. En este marco de ideas, primero se realiza un análisis crítico en términos teóricos y prácticos de los diferentes métodos que existen en la literatura para prefisurar materiales frágiles. Se complementa y sustenta dicho estudio con un análisis por elementos finitos para determinar la distribución de esfuerzos para las tres metodologías de prefisuración más utilizadas (compresión axial, compresión en 4-puntos y sándwich). A continuación, una vez seleccionada la técnica de compresión en 4-puntos como la más idónea, el análisis por elementos finitos se extiende para describir la influencia del radio de curvatura y profundidad de la entalla, del esfuerzo máximo de flexión aplicado bajo cargas cíclicas y del modulo de Young del material. Finalmente, los valores y rangos estimados con el modelo por elementos finitos se corroboraron experimentalmente a partir de los ensayos de prefisuración realizados con cinco calidades de WC-Co.