Experimentos y Predicciones de Fallas en Uniones Adhesivas · · 2016-10-26Experimentos y Predicciones de Fallas en Uniones Adhesivas ... 3.14 Distribución típica de los esfuerzos

Experimentos y Predicciones de Fallas en Uniones Adhesivas

Asesor: Dr. Alberto Díaz Díaz M. en C. Luis Ernesto Mendoza Navarro

i

Experimentos y Predicciones de Falla en Uniones Adhesivas

Agradecimientos.-

A Dios:

Por darme la oportunidad de crecer como persona y dejarme llegar

a culminar mis estudios doctorales.

A la Universidad Autónoma de Zacatecas:

Por su apoyo en la realización de estos estudios.

Al CIMAV:

Por abrirme las puertas y darme todo el apoyo en el uso de

equipos y laboratorios. El agradecimiento a los técnicos de por su

participación incondicional, el tiempo que me dedicaron y la

disponibilidad que siempre presentaron para el desarrollo de este

trabajo.

A mi asesor:

Gracias al Doctor Alberto Díaz Diaz por su apoyo, su tolerancia y

guía para poder llevar a cabo este trabajo tan importante en mi carrera.

Por todo gracias.

A mi familia:

Agradezco a mi familia por su apoyo e interés en mi crecimiento

como persona. A mis hijos por la aventura y experiencia que nos ha

marcado como familia y quiero agradecer de forma especial a mi esposa

Miriam Trejo Martínez por acompañarme en esta travesía de forma

incondicional, te amo gracias por todo.

ii


Tabla de Contenidos.-

Agradecimientos i

Tabla de Contenidos ii

Índice de Tablas v

Índice de Figuras vi

Introducción 1

Antecedentes 1

Problemática 2

Objetivo 4

Hipótesis 5

Contenidos de la Tesis 5

Capítulo I. Análisis Bibliográfico 8

1.1 Unión de piezas en la ingeniería 8

1.2 Adhesivos estructurales 14

1.3 Descripción del estado de los esfuerzos en uniones 20

1.4 Criterios de falla 23

1.4.1 Criterios de falla en la ingeniería 25

1.4.2 Criterios de falla para uniones con adhesivos 34

iii


1.4.2.1 Criterio del máximo esfuerzo-deformación 35

1.4.2.2 Criterios de esfuerzo-deformación y una distancia 39

1.4.2.3 Análisis del estado límite 39

1.4.2.4 Mecánica de la fractura 42

1.4.2.5 Intensidad de esfuerzos en bi-materiales 43

1.4.2.6 Modelado del daño 43

1.5 Conclusiones sobre el estado del arte. 44

Bibliografía 45

Capítulo II. Procedimiento Experimental 47

2.1 Adhesivos estructurales 47

2.2 Investigación experimental de prueba tipo I 48

2.3 Investigación experimental de prueba tipo II 52

2.4 Investigación experimental de prueba tipo III 54

Capítulo III. Análisis, discusión y predicciones de falla 57

3.1 Resultados de prueba tipo I 57

3.2 Resultados de prueba tipo II 60

3.3 Resultados de prueba tipo III 63

3.4 Análisis de elemento finito 64

iv


3.4.1 Pruebas tipo I. Prueba de tensión uniaxial 65

3.4.2 Pruebas tipo II. Pruebas de desprendimiento 71

3.4.3 Pruebas tipo III. Pruebas de torsión-tensión 72

3.5 Criterio de falla de interface 74

3.6 Pruebas tipo I con adhesivo estructural 77

Conclusiones y futuros trabajos 85

Referencias 86

v


Índice de Tablas.-

1 Propiedades mecánicas de adhesivos y acero utilizado en

pruebas mecánicas 56

2 Valores promedio de los resultados obtenidos en los tres tipos

de pruebas 63

3 Desplazamientos obtenidos de forma analítica de los

desplazamientos presentes en la probeta, dependiendo del

lugar de aplicación de las cargas (Desplazamientos en mm) 66

4 Desplazamientos obtenidos de manera analítica para las

diferentes configuraciones de dimensiones de probeta con

errores de manufactura (Desplazamiento en mm) 68

5 Desplazamientos en mm obtenidos de forma analítica de

pequeñas y grandes transformaciones 69

6 Valores de los esfuerzos cortantes y normales calculados para

diferentes distancias características 75

7 Propiedades del adhesivo estructural Sikadure 32 gel 77

8 Valores utilizados para las variables del experimento con

adhesivo estructural 77

9 Valores de las pruebas de tensión a probetas de doble traslape

con adhesivo estructural 78

vi


Índice de Figuras.-

1.1 Clasificación de los tipos de unión de piezas 7

1.2 Cargas a las que se puede someter una unión con adhesivo 19

1.3 Esfuerzos producidos por las diferentes cargas a las que se

puede someter una unión con adhesivo 20

1.4 Formas en que se puede presentar una falla en la unión con

adhesivo 22

1.5 Gráfica de la teoría de tensión de corte máximo 25

1.6 Gráfica de la teoría de la energía de distorsión 26

1.7 Volumen elemental bajo tensiones principales. Tensiones

hidrostáticas y de distorsión 27

1.8 Comparación de las teorías de energía de distorsión y de

máxima tensión de corte 29

1.9 Círculos tangentes de compresión, tracción y corte 30

1.10 Teoría de la fricción interna para materiales dúctiles 31

2.1 Dirección de las cargas aplicadas a la probeta de doble traslape 48

2.2 Longitud de adhesivo en probetas a doble traslape, donde x

toma el valor de 10, 15 y 20 mm 48

2.3 Modelo con 10 mm de longitud del lado del adhesivo 49

2.4 Molde de silicón utilizado para elaboración de probetas tipo I 50

2.5 Probeta para pruebas de tensión tipo I 51

2.6 Dirección de la carga aplicada en las pruebas de tipo II 52

2.7 Implemento adaptado en probetas tipo II para su sujeción en

vii


la máquina de tensión 52

2.8 Longitud de adhesivo en probetas de desprendimiento, donde

x toma el valor de 10, 15 o 20 mm 53

2.9 Dirección de las cargas aplicadas en las pruebas tipo III 54

3.1 Gráfica carga-desplazamiento de probetas de doble traslape

con 10 mm de longitud de adhesivo 57

3.2 Gráfica carga-desplazamiento de probetas de doble traslape


3.3 Grafica carga-desplazamiento de probetas de doble traslape


3.4 Gráfica de caja de carga para las tres longitudes de adhesivo

en las probetas tipo I 59

3.5 Gráfica carga-desplazamiento de probetas de desprendimiento






3.8 Gráfica de caja de carga para las tres longitudes de adhesivo

en las probetas tipo II 61

3.9 Gráfica de caja de los pares de valores de carga-momento en

las pruebas tipo III 62

3.10 Detalle del refinamiento de malla utilizado en el análisis de

las pruebas: (a) Tipo I y II, y (b) Tipo III 64

viii


3.11 Configuraciones de cargas utilizadas para determinar la

influencia del punto de aplicación sobre la rigidez de la

probeta. a) carga ideal, b) configuración 1 y

c) configuración 2 66

3.12 Geometrías consideradas con posibles defectos de manufactura

al elaborar probetas experimentales 68

3.13 Simetría utilizada para los cálculos analíticos para probetas a

tensión de doble traslape 70

3.14 Distribución típica de los esfuerzos (a) cortantes y

(b) normales, en una probeta a doble traslape en prueba de

tensión con 10 mm de distancia de adhesivo 70

3.15 Distribución de esfuerzos de interface en uniones a

desprendimiento 71

3.16 Imagen de simetría utilizada para los cálculos de las pruebas

Tipo III 72

3.17 Esfuerzos cortantes presentes en la interface

adhesivo – sustrato de pruebas Tipo III 72

3.18 Comparación de los esfuerzos obtenidos por medios analíticos

con los obtenidos experimentalmente. (Envolvente de falla) 76

3.19 Comparación de esfuerzos obtenidos experimentalmente de

los dos adhesivos y la envolvente de falla 79

3.20 Comparación de esfuerzos obtenidos experimentalmente del

adhesivo frágil, el adhesivo estructural con en sustratos con

mayor rugosidad y la envolvente de falla 81

ix


3.21 Comparación de esfuerzos obtenidos experimentalmente

para diferentes espesores de adhesivo con rugosidad baja 82

Introducción 1


Introducción.-

Antecedentes

A los productos o substancias que son capaces de mantener unidos a

dos o más cuerpos sólidos por contacto superficial se les conoce con el

nombre de adhesivos [1]. A pesar de que los adhesivos se han utilizado

desde tiempos inmemoriales, fue hasta 1840 que se comenzó con el uso

masivo de los adhesivos con la primera emisión de sellos de correos.

Poco después, para 1883 Charles Goodyear descubre la forma de

adherir caucho sobre metal por medio de la vulcanización. Para 1887

aparecen los primeros adhesivos base látex. En 1920 se empiezan a

comercializar las primeras cintas adhesivas y en 23 años después se

desarrollan los primeros adhesivos epoxis y los poliuretanos. Para 1953

se descubren las resinas anaeróbicas y los cianoacrilatos.

Actualmente el uso de los adhesivos aumenta rápidamente, así como las

aplicaciones de éstos, sobre todo en industrias como la automotriz, la de

la construcción y en años recientes en la industria aeroespacial. Una de

las aplicaciones que se encuentra en crecimiento, es la de unir piezas

que soportan carga estructural, es decir que forman parte importante de

la estructura a la que pertenecen.

Este desarrollo se debe a las numerosas ventajas que se tiene con otros

métodos de unión. Algunas de las ventajas que más sobresalen para el

uso de los adhesivos estructurales son: su alta relación resistencia –

peso, el bajo costo del material y su facilidad de aplicación, entre otras.

Introducción 2


En los últimos años, ha tomado gran importancia el estudio del

momento y mecanismo de la falla que se presenta en las uniones

mediante adhesivos, ya que aun no se tiene buen conocimiento de

éstos. Lo anterior es debido a que diversos fenómenos hacen complejo

el estudio, como por ejemplo: el comportamiento no lineal del adhesivo,

los diferentes tipos de falla (en el adhesivo, en las interfases o en el

substrato), entre otros.

Problemática

Históricamente se han utilizado adhesivos para la unión de piezas o

materiales, sin embargo, el uso de éstos para la unión de elementos que

estará expuestos a cargas externas no se aplicaba con frecuencia. En

algunas industrias se ha observado que se puede utilizar al adhesivo, no

solamente para mantener unidas dos piezas, si no que se puede utilizar

al adhesivo como parte de la estructura que estará sometida a cargas.

La utilización de los adhesivos como parte de la estructura de un

componente ha presentado ventajas con respecto a las otras formas de

unión que se venían utilizando.

La industria de la construcción es la industria que presenta mayor

desarrollo en el uso de adhesivos estructurales. Esto se debe a que en

esta industria el peso de los elementos no es un factor determinante

para los componentes. Sin embargo, en otras industrias como la

automotriz el peso total del complemento influye mucho en las

Introducción 3


prestaciones finales que tendrá el vehículo.

Lo cual hace que sea de gran importancia el tamaño y configuración de

las uniones de los elementos.

En la búsqueda que la mejora en los diseños y la disminución del peso

total de los elementos, la industria muestra interés en determinar los

parámetros involucrados en una unión por medio de adhesivo. Al

conocer el comportamiento de la unión se puede diseñar uniones que

presenten mejores propiedades con menores costos y peso del

ensamble.

En la actualidad se está en la búsqueda de conocer como es que actúa el

adhesivo dentro de una unión, para poder determinar las cargas

máximas que podrá resistir un ensamble. Varios autores han

desarrollado criterios para uniones con adhesivo. Sin embargo, no se

cuenta con un único criterio que se pueda aplicar a diferentes

configuraciones de ensambles, o a diferentes tipos de adhesivos y sea

confiable para su uso en la industria.

Es por ello el interés del presente trabajo de tesis, para buscar un

criterio de falla de uniones con adhesivo, el cual se pueda utilizar en

diversas industrias para el cálculo de las cargas máxima que puede

soportar una unión. El criterio que se busca obtener en este trabajo está

basado en un solo adhesivo, pero con el uso de diferentes

configuraciones de la unión se busca obtener una ecuación que describa

el comportamiento de la unión para diversas configuraciones de ésta.

Introducción 4


Objetivo.-

El objetivo principal de esta tesis es el obtener una función (criterio de

resistencia) con la cual se pueda determinar los esfuerzos que soportan

las interfaces en uniones adhesivas hechas con un adhesivo que no

presente deformaciones plásticas para asegurar que el cálculo de

esfuerzos es correcto.

Objetivos particulares.-

Encontrar un adhesivo que presente un comportamiento lineal elástico

frágil y que por sus características facilite la preparación de muestras de

unión adhesiva.

Determinar la influencia de la longitud de adhesivo en las pruebas de

tensión a doble traslape y en las pruebas de desprendimiento.

Obtener un dispositivo por medio del cual se pueda aplicar una carga de

torsión sobre un elemento y, simultáneamente, se pueda aplicar una

carga de tensión sobre el mismo.

Determinar la influencia de pequeños defectos de manufactura sobre la

resistencia mecánica de las probetas a doble traslape.

Hipótesis.-

Introducción 5


Se puede determinar una función criterio sobre los esfuerzos de

interface para predecir el inicio de la falla en la unión.

Contenido de la Tesis

Capítulo I. Se hace una revisión bibliográfica de trabajos publicados por

otros investigadores y relacionados con el tema de esta tesis. Se

presentan las ventajas y desventajas que se tienen al utilizar adhesivos

como medio de unión. Las diferentes formas que se tienen para la

clasificación de los adhesivos. Se mencionan las cargas y esfuerzos que

se pueden presentar en una unión con adhesivo. Se presentan los

diferentes criterios que existen para determinar la falla en una unión por

medio de adhesivo.

Capítulo II. Se describe el procedimiento experimental que se siguió

durante la investigación, así como los diferentes tipos de pruebas que se

realizaron y el equipo y materiales utilizados en esta investigación.

Capítulo III. Muestra el desarrollo de la experimentación y los

resultados obtenidos durante ésta. Así mismo, muestra el análisis por

elemento finito que se realizó en la interface de unión para la obtención

de valores de esfuerzos normales y cortantes para la obtención de la

ecuación criterio. Este capítulo también contiene resultados de

experimentación realizada con otro tipo de adhesivo, para la validación

de la ecuación criterio.

Introducción 6


[Escriba texto]

[Escriba texto]

Capitulo I.- Análisis Bibliográfico. 8


Capitulo I.- Análisis Bibliográfico.

1.1. Unión de piezas en la ingeniería.

La unión de piezas se puede clasificar en dos grupos: uniones no

permanentes y uniones permanentes. En la figura 1 se puede observar

la clasificación de los métodos de unión [2].

Tipos de unión

Permanente

Unión Mecánica

Por soldadura

Por Adhesivos

No Permanente

Tornillería

Pernos

Ensamble

Figura 1. Clasificación de los tipos de unión de piezas.

El desarrollo tan grande de los adhesivos que se ha dado en los últimos

años se debe a que se han encontrado grandes ventajas con respecto a

los otros tipos de unión. De las ventajas que presentan los adhesivos

sobre los otros son las siguientes:

- Compatibilidad del producto.-

Se pueden tener adhesivos que presentan una compatibilidad muy alta

con algunos materiales. Dicha compatibilidad puede ser química, de

propiedades mecánicas, o de comportamiento. Se puede tener un



adhesivo que tenga una composición química muy parecida, o igual, a

las piezas que se van a unir. Esta compatibilidad permite que el

ensamble se comporte de forma homogénea, como una sola pieza, ante

un estímulo externo.

- Mejora el aspecto del producto.-

Con el uso de adhesivos al unir piezas se puede hacer que la unión

tenga un mejor aspecto que con el uso de alguna otra forma de unión.

En la actualidad, en muchas industrias utilizan adhesivos sobre otras

formas de ensamble por el aspecto final que tendrá el producto, además

de utilizar adhesivos durante el embalaje y transporte del producto. La

medicina y la odontología son unas de las industrias que más interés

tienen en el uso de adhesivos por el aspecto, actualmente se utilizan

adhesivos en forma de lápiz adhesivo para unir piel en pequeñas

cortadas en lugar de suturar.

- Permite hacer una unión de forma económica de distintos

materiales.-

Los adhesivos han permitido la unión de piezas de distintos materiales

de una forma sencilla y relativamente económica. Se pueden unir

materiales tan diferentes como en un cerámico con huesos en las

prótesis dentales, o metales con polímeros como en un palo de golf, que

de alguna otra forma de unión implicaría más procesos para lograr su

ensamblaje.

- Distribución uniforme de tensiones.-



Al utilizar adhesivos para unir piezas, la distribución de las tensiones o

cargas de un componente (sustrato) a otro se realizan de una forma

uniforme a través de toda la superficie de contacto que existe entre el

sustrato y el adhesivo, y posteriormente entre el adhesivo y el otro

sustrato, a diferencia de otras formas de unión como son los remaches,

tornillos, pernos, etc. Ya que la superficie de contacto entre el adhesivo

y los sustratos puede ser mucho mayor que la de los pernos, tornillos,

etc., la cual está concentrada en el punto de contacto entre sustratos y

perno. La soldadura presentaría la misma superficie de contacto que el

adhesivo, pero la distribución de tensiones no es tan homogénea como

la del adhesivo debido a los esfuerzos internos que se producen durante

el proceso de unión y su enfriamiento, además de las diferencias que se

presentan en el tamaño del cordón soldado el cual también produce que

las tensiones no se trasmitan de forma homogénea.

- No produce distorsión en los substratos.-

Al unir piezas por medio de soldadura los substratos se ven sometidos a

un calentamiento y enfriamiento tan ceberos y rápidos, que se puede

provocar distorsión en estos. Dichas distorsiones se eliminan con el uso

de adhesivos ya que los substratos no se ven expuestos a cambios tan

bruscos de temperatura.

- Rigidización de las uniones.-

Las piezas que se unen por medio de adhesivo generalmente son más

rígidas que las que se unen por medio de tornillos o remaches, ya que

se tiene una superficie de contacto mucho mayor provocando que el

área sometida a carga sea más grande haciéndola más resistente a las

cargas que se somete.



- Reducción del número de componentes.-

A principios del siglo pasado, y hasta mediados de éste, se utilizaban

cientos de remaches para unir vigas metálicas en la construcción de

puentes, lo cual producía un aspecto poco estético. Posteriormente con

la introducción masiva del uso de algunos procesos de soldadura, esta

se utilizaba para la unión de las vigas metálicas lo cual mejoraba el

aspecto, además de incrementar su resistencia mecánica. Sin embargo

el uso de la soldadura aumentaba el trabajo de ensamblaje al necesitar

trabajo posterior a la soldadura para eliminar la escoria producida

durante el proceso, así como un recubrimiento de pintura para prevenir

la oxidación del conjunto. En años recientes, gracias al uso de nuevos

materiales en la construcción de puentes, se utilizan adhesivos para su

ensamble con los cuales se puede realizar un ensamblaje más rápido y

con un número mucho menor de componentes.

- Uniones selladas.-

Algunas industrias, como la náutica, aprovechan la característica que

tienen algunos adhesivos como es la de proporcionar uniones selladas.

Botes, lanchas y motos acuáticas se une el caso con la cubierta por

medio de adhesivos epoxis, los cuales no solamente mantienen las

piezas juntas sino que además sellan la unión para evitar que se

introduzca el agua a los compartimentos.

- Aislamiento.-

Algunos adhesivos no solamente se utilizan para mantener unidas

piezas, sino que también se aprovechan para disminuir los ruidos que se



pueden producir por el contacto de las piezas (aislante acústico), o

también para separar los componentes y así evitar el contacto de

diferentes materiales, los cuales podrían presentar corrosión.

- Uniones hibridas.-

Como se mencionó anteriormente, los adhesivos permiten la unión de

diferentes materiales, produciendo uniones hibridas.

Así como presentan ventajas sobre otros tipos de unión, también tienen

algunos inconvenientes, dentro de los cuales se pueden mencionar los

siguientes:

- Necesidad de preparación superficial.-

Las superficies a unir necesitan una preparación previa para garantizar

la calidad de la unión, los principales cuidados que se deben de tener en

las superficies son que deben de estar libres de polvo, grasa, suciedad,

cascarillas, erosión.

- Espera de los tiempos de curado.-

Por lo general, el tiempo de curado de un adhesivo es grande, y

mientras se da el curado, las piezas deben de permanecer sin

movimiento dentro del molde hasta que se tiene un endurecimiento del

adhesivo.

- Dificultad de desmontaje.-



Una vez que se aplicó y se curó el adhesivo, separar las piezas se vuelve

complicado y en muchas ocasiones se rompen o dañas las piezas al

momento de querer separarlas.

- Resistencias mecánica y a la temperatura limitadas.-

Al utilizar adhesivos para unir piezas se tiene el inconveniente que el

adhesivo utilizado no soporta cargas muy grandes, y por consiguiente

sus aplicaciones se limitan. De la misma manera, la mayoría de los

adhesivos no se pueden exponer a temperaturas elevadas, limitando su

uso y aplicaciones.

- Inexistencia de ensayos no destructivos.-

En la actualidad no se cuenta con un sistema de ensayos no destructivos

con los cuales se pueda establecer la resistencia máxima a la que puede

ser sometida una unión con adhesivo, por tal motivo para cada

aplicación se tiene que realizar pruebas destructivas para determinar la

carga de trabajo que soportará un ensamblaje.

Se debe tener en cuenta que depende de la aplicación en la que se va a

utilizar la unión la importancia de las ventajas y desventajas

mencionadas anteriormente.

1.2. Adhesivos estructurales.

En la ingeniería se tienen diferentes necesidades al unir piezas, que se

requiere que las cubra el método o material que se utiliza en la unión.

Dependiendo de la necesidad que se requiere cubrir será el proceso



utilizado y la forma de la unión, para cubrir esas necesidades. Como se

mencionó anteriormente, los adhesivos son una de esas formas de

unión. Por lo tanto, en la ingeniería se requiere que los adhesivos

cubran diferentes necesidades que se tienen al unir piezas. Debido a que

cada unión tiene diferentes necesidades, se han venido desarrollado una

diversidad de diferentes adhesivos, para tratar de cubrir las necesidades

en diferentes usos, aplicaciones, medios, etc. Entonces, los distintos

adhesivos tienen diferentes usos y formas de aplicación, ya que tiene

diferentes propiedades. Lo diverso que son los adhesivos ha propiciado

que se tengan diferentes formas de clasificarlos, a continuación se

presenta un resumen de las principales clasificaciones de los adhesivos:

1.- Por el momento en que polimerizan:

Reactivos: El curado se da después de su aplicación.

Curan mediante poliadición: Epoxis, Poliuretanos, Cauchos vulcanizados.

Curan mediante polimerización: Cianoacrilatos, Metil metacrilatos,

Poliésteres insaturados, Adhesivos anaeróbicos, Adhesivos fotosensibles.

Curan mediante policondensación: Siliconas, Polímeros, Resinas

fenólicas, Poliimidas.

No reactivos o prepolimerizados: El polímero base existe desde

antes de su aplicación.

En fase líquida: Soluciones acuosas, soluciones orgánicas, emulsiones

líquidas

En fase sólida: Adhesivos piezo-sensibles, adhesivos termofusibles

(Hot-Melt)



2.- Por su forma de aplicación:

Termoplásticos: Puede ablandarse y fundirse repetidamente por la

acción del calor, se vuelve a endurecer al enfriarse sin experimentar

cambios químicos.

Termoestables: Experimenta una reacción química por la acción de un

agente externo que lo lleva a un estado sólido, resistente al calor.

De contacto: Se distribuye sobre las dos superficies a unir, se deja un

tiempo para la evaporación parcial del disolvente que lo acompaña y

luego se unen ambas partes.

De fusión en caliente (Hot-Melt): Se aplica derretido, al enfriar

forman enlaces fuertes y rígidos.

Sensibles a la presión: Adhiere a temperatura ambiente al aplicar una

breve presión.

Rehumectables: Se aplica en solución y se deja secar, reactivándose

sus propiedades adherentes al volver a aplicar agua.

3.- Por su origen y composición:

Adhesivos Naturales: incluyen varios tipos de colas de proteínas

animales obtenidas de cueros y huesos y colas de caseína proteínas de

la leche.

Adhesivos Sintéticos: basados en materiales desarrollados por la

industria química.

4.- Por su uso:

Adhesivos Estructurales: aquellos que deben soportar una carga

mayor que el peso del adherente.

Adhesivos de sostén: deben soportar solamente el peso de los

adherentes.



Adhesivos selladores: prevenir el pasaje de fluidos a través de una

junta.

La clasificación por el uso del adhesivo es una de las utilizadas en la

actualidad, en esta clasificación se separan a los adhesivos de acuerdo a

si capacidad de soportar y trasmitir cargas de una pieza a otra, en este

trabajo los adhesivos que son de interés son los estructurales, que

tienen la capacidad de soportar y trasmitir cargas mayores que el propio

peso y el de las piezas que soporta.

Los adhesivos estructurales se utilizan en la industria por su capacidad

de soportar cargas muy altas, en comparación con los otros tipos de

adhesivos. De los adhesivos estructurales que tienen mejores

propiedades son los adhesivos reactivos, ya que al curar al momento de

estar dentro del ensamblaje en que van a utilizar, tienen una mejor

mojabilidad y fuerzas de adhesión mayores que los adhesivos

prepolimerizados. Otra ventaja de este tipo de adhesivos es que toman

la forma de la unión con mayor facilidad que los prepolimerizados.

Dentro de los adhesivos estructurales reactivos, se tienen varios

adhesivos, de los que soportan más carga son los epoxis, los cuales en

general son adhesivos sintéticos termoestables.

Los epoxis son adhesivos normalmente bicomponentes en forma de

resina más activador. Una vez premezclados la polimerización comienza

lentamente por lo que deben ser aplicados sobre las piezas a unir y

mantener los sustratos en posición hasta alcanzada la resistencia a la

manipulación.



En el pasado la mayoría de los epoxis se formulaban como

bicomponentes que debían ser mezclados inmediatamente antes de ser

empleados y tenían una vida de mezcla limitada. Sin embargo, en la

actualidad existen adhesivos epoxi monocomponentes con un agente

endurecedor latente que se libera únicamente por reacción a alta

temperatura, al elevarse la temperatura comienza la policondensación

de la resina.

Los epoxis empleados en aplicaciones estructurales deben ser curados a

temperaturas altas o a temperatura ambiente con post-curado por calor.

La ventaja del post-curado como operación independiente, incluso en el

caso de juntas ya curadas con algo de calor, es que puede ser realizado

sin el uso de sistemas de sujeción o sistemas de calentamiento con

prensas hidráulicas.

El mayor interés en un reciente pasado se centró en los epoxis tenaces.

Estos materiales incorporaban en su formulación un caucho, capaz de

precipitar de forma microdispersa cuando la resina endurece. Con la

adición de esta fase de caucho se mejoran las características del

adhesivo curado frente a esfuerzos de pelado, sobre todo a bajas

temperaturas en las que otros epoxis, como los nylonepoxis, pierden

todas sus características de flexibilidad. Los epoxis tenaces

bicomponentes fueron introducidos comercialmente en 1973.

Las propiedades de los epoxis son las siguientes:

a) Muy alta resistencia a cortadura, tracción y compresión.

b) Resistencia a temperaturas de hasta 180ºC (hasta 250ºC en

algunas formulaciones).



c) Adhieren casi todos los sustratos.

d) Muy buena resistencia química.

e) Gran capacidad de relleno de holgura.

f) Adhesivos muy rígidos. Resistencia a pelado y a impacto en

formulaciones flexibles (epoxi-nitrilo).

g) Aunque es dieléctrico y aislante térmico, puede ser modificado

para ser conductor de la electricidad y del calor. Además se

pueden adicionar cargas para mejorar las características

mecánicas (como fibra de vidrio) o para disminuir la densidad

(como microesferas neumáticas).

h) Son mecanizables.

Algunas desventajas son:

a) Presentan problemas de absorción y difusión de la humedad en su

seno.

b) Sistemas de alto rendimiento bicomponentes y con necesidad de

calor, al menos en la etapa de post-curado.

c) Problemas de tiempos de curado, vida de la mezcla y necesidad de

temperatura para conseguir un alto grado de reticulación.

Los epoxis se emplean en muchas aplicaciones:

a) Aditivos para hormigones y elementos de construcción

b) Adhesivos estructurales para la industria aeronáutica

c) Fabricación de materiales compuestos

d) Recubrimientos superficiales

e) Electrónica (circuitos impresos, encapsulación, etc.)

f) Imprimaciones



1.3. Descripción del estado de los esfuerzos en uniones.

En elementos estructurales, las uniones se ven sometidas a diferentes

tipos cargas, sobre todo si la unión es parte de los elementos

estructurales. Existen diferentes cargas a las que se ve expuesta una

unión. Las carcas a las que se puede ver expuesta una unión son las

siguientes:

- Cargas de compresión:

Las cargas de compresión son las producidas perpendiculares al plano

de unión y producen un acortamiento de la distancia entre los

componentes en el sentido en el que se ejercen las cargas. Quizás sean

las cargas que den menos probabilidades de falla en la unión.

- Cargas de tracción:

Las cargas de tracción o tensión, se producen cuando fuerzas exteriores

actúan perpendicularmente al plano de la unión, en el sentido en que

tienden a separar los componentes. Cuando las fuerzas se distribuyen

uniformemente sobre toda la sección, estas uniones por adhesivo tienen

buena resistencia a la tensión, ya que todo el adhesivo contribuye a la

resistencia de la unión. Pero si la carga aplicada se concentra en un

punto de la superficie la resistencia de la unión no es uniforme y se

generarán tensiones en una parte de la unión que producirá la rotura.

- Cargas de cortadura:

Las cargas de cortadura se producen paralelas al plano de la unión. En

las cargas de cortadura, los esfuerzos se distribuyen uniformemente

sobre toda la unión y toda la superficie adherida resulta cargada

simultáneamente presentando buena resistencia a la carga aplicada.



- Cargas de pelado:

Este tipo de fuerzas se presentan cuando una de las piezas (sustrato) es

flexible en comparación con la otra. El efecto de pelado es aplicar una

tensión muy alta en el borde de la unión, y con ello sólo el borde del

adhesivo ofrece resistencia a la carga produciendo la rotura. En este tipo

de cargas es en donde se encuentra, quizás, la mínima resistencia de las

uniones adhesivas.

En la figura 1.2 se pueden observar los diferentes tipos de carga

mencionadas.

Figura 1.2 Cargas a las que se puede someter una unión con adhesivo.

Las cargas descritas ejercen diferentes esfuerzos a lo largo de la unión

del adhesivo con los sustratos (interface), en la figura 1.3 se presenta la

forma en que se distribuyen los esfuerzos en la interface. Una unión

ideal es en la que los esfuerzos de interface son lo más uniformes

posible. Al momento de realizar una unión mediante adhesivo, las

cargas que se presentan en las uniones son más complicadas que las

definidas, dando lugar a juntas que están sometidas a distintos tipos de

esfuerzos simultáneamente.



Figura 1.3 Esfuerzos producidos por las diferentes cargas a las que se

puede someter a una unión con adhesivo.

Así, además de la clasificación realizada anteriormente, los esfuerzos se

clasifican según su valor y duración en:

- Esfuerzos transitorios.

Los esfuerzos transitorios son consecuencia de un incremento único

hasta una carga máxima. Son aislados y ocasionales, y aunque puedan

parecer de menor importancia, no es así. Se deben de tener en cuenta

durante el proceso de diseño de la unión, para determinar la resistencia

máxima que soportará el elemento.

- Esfuerzos estáticos o permanentes.

Son esfuerzos constantes que se prolongan a lo largo del tiempo, o que

siempre están presentes. Si un esfuerzo actúa en una dirección durante

un tiempo prolongado, puede producirse el fenómeno de fluencia.

Provocando una deformación plástica, la cual no se puede apreciar sin

los instrumentos de medida adecuados. Este fenómeno se incrementa

con la presencia de temperatura.



- Esfuerzos dinámicos.

Se tienen dos tipos de esfuerzos dinámicos: los regulares (vibratorios) y

los irregulares (impactos). En el caso de los esfuerzos regulares, el

adhesivo tiene que absorber la energía de deformación, esto puede

provocar la fatiga del adhesivo produciéndose la falla de la unión. En el

caso de los esfuerzos de impacto, la capacidad de soportar el esfuerzo

depende directamente de la naturaleza de los sustratos. La capacidad de

absorción de energía de los materiales que componen a los sustratos

determinará la capacidad de trasmitir la onda de compresión de este

tipo de esfuerzos.

- Esfuerzos combinados.

Al momento de diseñar una unión con adhesivo, no siempre se

presentan por separado cada uno, o alguno, de los tipos de esfuerzos

mencionados. Si no que, normalmente, se presenta una combinación de

varios de los esfuerzos en la unión, los cuales se deben tener en cuenta

al momento de seleccionar la forma de la unión y el tipo de adhesivo a

emplear.

1.4. Criterios de falla.

La función principal de una unión estructural es trasmitir una carga

externa a los demás miembros estructurales. Si el adhesivo utilizado en

la unión no es capaz de trasmitir la carga de una manera adecuada,

sufrirá un daño que posiblemente acabará en la falla de la unión. La falla



de un elemento se refiere a la pérdida de su funcionalidad, es decir

cuando una pieza o una máquina dejan de ser útiles.

Los modos de falla que se pueden presentar en las uniones adhesivas,

se pueden resumir en tres posibles modos de falla:

- Falla adhesiva: Es la falla de la unión de las interfaces entre el

sustrato y el adhesivo, rompiéndose las fuerzas de adhesión entre

sustratos y adhesivo.

- Falla cohesiva: Se produce cuando la fractura es en el adhesivo,

rompiéndose las fuerzas de cohesión del mismo.

- Fallo del sustrato: En algunos casos se produce la rotura en el

sustrato antes que en la unión adhesiva.

La figura 1.4 muestra los principales tipos de falla que se pueden

presentar en uniones adhesivas.

Figura 1.4 Formas en que se puede presentar una falla en la unión con

adhesivo.



1.4.1. Criterios de falla en la ingeniería.

Aunque la idea de falla en una pieza se refiere a la pérdida de

funcionalidad de ésta, de entre los diferentes mecanismos de falla que

se conocen, en la unión por medio de adhesivo la falla se refiera a la

rotura o separación de los componentes del ensamble. Los diferentes

mecanismos de falla tienen un proceso de análisis específico para

caracterizar el potencial estado de falla de la pieza. La rotura se debe a

que los esfuerzos soportados son mayores que la resistencia del

material de fabricación. Para poder determinar para qué cantidad de

esfuerzo aplicado se producirá una falla, se utilizan algunas teorías de

falla.

Todas las teorías de falla se basan en la comparación del esfuerzo

actuante contra el resultante aplicado en una prueba uniaxial de tensión

o compresión. Existen teorías de falla para materiales dúctiles y para

materiales frágiles. La mayoría de los metales y polímeros, como los

adhesivos, se encuentran entre los materiales dúctiles. A continuación

se mencionan las principales teorías de falla que existen para los

materiales dúctiles.

Se debe tener presente que en términos generales, los materiales

dúctiles tienen la misma resistencia a la tracción y a la compresión y no

son tan susceptibles a las zonas de concentración de tensiones en

términos comparativos con los materiales frágiles.

Se puede considerar que un material dúctil ha fallado cuando en

términos globales la tensión que está soportando alcanza la tensión de

fluencia.



Teoría de la máxima tensión cortante.-

La teoría de la máxima tensión cortante fue introducida en forma

independiente por Coulomb (1773) y por Tresca (1868), y se la suele

llamar también Criterio de Fluencia de Coulomb-Tresca o Criterio

de Fluencia de Tresca. De acuerdo con la evidencia experimental

sobre láminas de titanio y otros metales, según las cuales los mismos se

deformabas según planos de corte perfectamente definidos. Estas

observaciones condujeron a definir el criterio de fluencia como sigue:

Una pieza sujeta a cualquier combinación de cargas sufrirá falla

cuando la tensión cortante máxima exceda un valor crítico. El

valor crítico se puede obtener a partir de los ensayos de tracción y

compresión convencionales. La forma analítica de representar este

comportamiento es la siguiente:

donde

…(1)

Si se supone que , entonces (1) se puede escribir de la

siguiente manera:

…(2)

En (1) y (2) y son el coeficiente de seguridad y la tensión de

fluencia del material. Las diferentes combinaciones de tensiones que

verifican el criterio definido por la ecuación (1) o la (2) se pueden

representar gráficamente y el lugar geométrico de todos los puntos que

verifican fluencia. En la figura 1.5 se puede apreciar la zona

correspondiente a u caso en el plano.



Figura 1.5 Gráfica de la teoría de tensión de corte máximo.

Teoría de la Energía de Distorsión.-

Esta teoría postula que la falla es causada por la energía elástica

asociada con la energía de deformación por corte. La hipótesis de la

energía de distorsión surge de la observación que los materiales dúctiles

sometidos a tensiones hidrostáticas tienen resistencias a la fluencia que

exceden los valores de los experimentos de tracción simples (Ver Figura

1.6). Esto da la idea que la fluencia no es un proceso de tracción o

compresión simples sino que hay involucrada cierta distorsión angular

en el volumen unitario más solicitado. Esta teoría predice la fluencia

bajo cargas combinadas con mayor exactitud que cualquier otra teoría

conocida. La teoría de la energía de distorsión se puede deducir

matemáticamente de varias maneras. Se analizarán algunas formas de

obtener la expresión que rige el comportamiento de fluencia, para poder

cotejarlas y mostrar la utilidad en cada contexto. En la Figura 1.7 se

muestra un volumen elemental con las tensiones principales y como el



estado tensional puede disgregarse en dos, uno de tensiones

hidrostáticas y otro de tensiones de distorsión. Las tensiones

hidrostáticas se pueden hallar de la siguiente manera:

…(3)

Figura 1.6 Gráfica de la teoría de la energía de distorsión.

La energía de deformación total del cuerpo de la figura 1.7 viene dada

por la expresión:

…(4)

Para hallar la energía de deformación para producir solo un cambio de

volumen (como en el caso de la figura 1.4.4.b), se tiene que sustituir en

(4) por cada , y , así se obtiene:



…(5)

Ahora reemplazando (3) en (5) y operando se tiene:

…(6)

Ahora la energía para distorsionar el cuerpo (figura 1.4.4.c) se obtiene

de la diferencia entre (4) y (6), en consecuencia se obtiene:

…(7)

Nótese que la energía de distorsión es nula se las tensiones principales

son todas iguales, es decir si .

Figura 1.7 Volumen elemental bajo tensiones principales. Tensiones

hidrostáticas y de distorsión.

Ahora bien, la hipótesis de la energía de distorsión postula que la

fluencia ocurrirá cuando la energía de distorsión de un volumen

unitario sea igual a la energía de distorsión del mismo volumen



cuando se lo someta a un esfuerzo uniaxial hasta la resistencia a

la fluencia. Para un ensayo de tracción se cumple que ,

, luego la energía de distorsión se obtiene como:

…(8)

Siendo la denominada tensión efectiva o tensión de Von Misses.

…(9)

En consecuencia la expresión de la teoría de la energía de distorsión se

puede describir como:

…(10)

Donde y son el coeficiente de seguridad y la tensión de fluencia del

material.

La teoría de la energía de distorsión también puede denominarse de las

siguientes formas:

- Criterio de Von Mises – Hencky.

- Hipótesis de la tensión cortante octaédrica.

- Hipótesis de la energía cortante.

En la figura 1.8 se puede apreciar una comparación entre las dos

teorías: de la energía de deformación y de la máxima tensión de corte:



Figura 1.8 Comparación de las teorías de energía de distorsión y de

máxima tensión de corte.

Teoría o hipótesis de la Fricción Interna (para materiales

dúctiles).-

Esta teoría se basa en una serie de hipótesis y observaciones efectuadas

por Mohr a principios del siglo XX, mediante los únicos métodos

prácticos con que se contaba, es decir con los círculos Mohr e ideas

afines al mismo. Aunque la idea es antigua, sigue siendo útil

conceptualmente. La intención central de esta hipótesis involucra hallar

una forma de cálculo para la tensión de fluencia representativa,

conociendo los resultados experimentales de los tres ensayos de

fluencia, a tracción, compresión y corte puro, luego describir sus

estados en respectivos círculos de Mohr y finalmente trazar la

envolvente de los tres círculos (Figura 1.9) la cual podría ser una recta,

parábola o curva cualquiera. Sin embargo es más fácil obtener una

fórmula de resistencia a la fluencia por corte puro en función de los



otros dos experimentos, en vez de efectuar el ensayo de caracterización

de fluencia por corte puro (entiéndase torsión).

Figura 1.9 Círculos tangentes de compresión, tracción y corte.

La hipótesis de la fricción interna establece en un estado de

tensiones multiaxiales que la falla se produce cuando el mayor

círculo de Mohr asociado al estado de tensiones en el punto

crítico se hace tangente o excede los límites de la envolvente de

falla establecidos por las condiciones de falla de los ensayos de

tracción, compresión y corte.

Lo útil de esta teoría radica en que conociendo solamente las tensiones

de falla por tracción y por compresión, la tensión de falla por corte se

obtiene según la siguiente expresión derivada del gráfico 1.9, como:

…(11)



Ahora bien, en la hipótesis de fricción interna se puede proponer

además la idea de que la envolvente es una línea recta, denominada

hipótesis de Coulomb-Mohr, de tal forma que para cualquier circulo

tangente a la línea envolvente BCD con tensiones principales y ,

siendo positiva y negativa, se cumplirá que:

siendo …(12)

En la figura 1.10 se puede apreciar el dominio de esta teoría. Viendo la

figura 1.9 se puede inferir claramente que si la tensión de falla a

compresión posee el mismo valor absoluto que para tracción, esta teoría

se reduce a la teoría de máxima tensión de corte.

Figura 1.10 Teoría de la fricción interna para materiales dúctiles.

Cuando se tiene que elegir un criterio de falla, además de ser

experimentalmente representativo para el estereotipo de material

(Frágil o dúctil o híbrido entre ambos), se debe pensar en los siguientes

aspectos:



- Facilidad de cálculo para dimensionar y/o verificar

- La selección de una situación segura es decir el coeficiente de

seguridad o diseño.

En lo que atañe al primer aspecto, el asunto compete a la dificultad del

modelo matemático para encarar ciertos problemas de

dimensionamiento. En cuanto al ítem segundo, tiene que ver con la

interpretación que se le da a la tensión admisible para dimensionado y

para mantener la seguridad del diseño.

1.4.2.- Criterios de falla para uniones con adhesivo.

Numerosos criterios de falla para uniones adhesivas se han propuesto y

se han utilizado con mayor o menos éxito. De los primeros criterios de

falla, la mayoría estaban basados en los valores críticos de esfuerzos o

deformaciones para tener uniones sin defectos o para obtener fracturas

lineales elásticas en uniones. Los criterios de falla que se han propuesto

se pueden clasificar en diferentes tipos de criterios, los tipos generales

de criterios en los que se agrupan los criterios de falla de uniones

adhesivas se pueden clasificar como sigue:

- Máximos esfuerzo-deformación.

- Esfuerzo-deformación y una distancia.

- Análisis del estado límite.

- Mecánica de la fractura.

- Intensidad de esfuerzos en bi-materiales.

- Modelado del daño.



A continuación se describen, en general, en que consisten los tipos de

criterios:

1.4.2.1. Criterio del máximo esfuerzo-deformación.

Los criterios del máximo esfuerzo-deformación son la forma más común

de comenzar a predecir las cargas que soporta una unión. Estos criterios

asumen que la unión fallará cuando se alcanza un valor crítico de

esfuerzo o deformación en cualquier punto dentro de la unión. Estos

criterios se subdividen en los siguientes tipos de criterios:

1.- Criterio del máximo esfuerzo cortante.

Le criterio del máximo esfuerzo cortante fue propuesto y utilizado por

Greenwood (1969) para predecir los esfuerzos de uniones a simple

traslape para sustratos de acero dentro de un rango cargas. En ese

trabajo se realizó el análisis y se determinó que el máximo esfuerzo

cortante ocurre a 45° atravez de la capa de adhesivo. Utilizando el

esfuerzo cortante máximo obtenido en una prueba de tensión a una

probeta de adhesivo sólido el esfuerzo de la predicción queda 14% por

debajo del esfuerzo que soporta la unión. Hart y Smith (1973) también

utilizaron el criterio del máximo esfuerzo cortante cuando propusieron

que un tipo de fallo de la unión se da cuando se presenta una falla

cortante local en el plano del adhesivo. Ellos mismos determinaron que,

desafortunadamente, ese modo de fallo es extremadamente raro en

componentes estructurales.

2.- Criterio del máximo esfuerzo de desprendimiento.



Hart y Smith (1973) también incluyeron en sus modos de fallo una falla

por desprendimiento localizado en uniones a simple traslape. Este tipo

de criterio a sido utilizado más recientemente por Crocombe et al

(1985). El trabajo de este último consistió en predecir los esfuerzos en

varias uniones tipo “T” de acero. Se utilizaron probetas de puro adhesivo

para determinar la carga máxima a la tensión, y ese valor se utilizó

como valor crítico de la carga al desprendimiento. Se obtuvieron buenas

predicciones del esfuerzo de desprendimiento para el 6% de las

configuraciones utilizadas, pero errores de hasta el 90% en otras

configuraciones utilizadas. Resultando que este criterio no tiene una

aplicación general.

3.- Criterio del máximo pico del esfuerzo principal.

El criterio del máximo pico del esfuerzo principal ha sido muy utilizado

por Adams y su grupo de trabajo. En 1984 realizaron un trabajo de

experimentación para obtener predicciones de falla con cuatro diferentes

adhesivos sobre sustratos de aluminio, y obtuvieron como resultado que

para dos de los adhesivos se tenían buenas predicciones, pero para los

otros dos adhesivos las predicciones no eran ni cercanas.

4.- Criterio del esfuerzo equivalente de Von Mises máximo.

Otro criterio de esfuerzos máximos esta basado en el valor pico del

esfuerzo equivalente de Von Mises. Este criterio fue utilizado por

Ikegami (1989) para predecir las cargas en una unión de un compósito

con un metal por medio de análisis de elemento finito elástico, cuando la

falla se presenta de forma adhesiva. Otros modos de falla se dan en los

sustratos o en la interface. Los esfuerzos de Von Mises proveen un



esfuerzo equivalente de los esfuerzos del adhesivo, los cuales pueden

ser relacionados con los esfuerzos de ruptura uniaxiales. Los esfuerzos

de Von Mises no toma en cuenta el componente hidrostático de los

esfuerzos, los cuales afectan significativamente el comportamiento de

los esfuerzos y las deformaciones de los polímeros.

5.- Criterio de la máxima deformación de pelado o cortante.

Los criterios esfuerzos cortantes o de pelado de uniones a simple

traslape propuestas por Hart y Smith se han mencionado anteriormente.

Pero para adhesivos dúctiles se expresan mejor en términos de

deformaciones del adhesivo. Estos criterios también los utilizó Lee y

colaboradores (1992) que proponen un criterio para uniones tubulares a

traslape sometidas a torsión los cuales incorporan fallas cohesivas para

espesores pequeños del adhesivo y fallas de interface para espesores

grandes del adhesivo. El criterio de la máxima deformación se utiliza

cuando el criterio del máximo esfuerzo no se puede aplicar, sin embargo

no es claro cuando se debe utilizar un criterio u otro. Chain en 1993

realizó experimentación y determinó que la deformación cortante crítica

aparentemente decrece con el incremento del espesor del adhesivo.

6.- Criterio del pico máximo de la deformación principal.

Harris y Adams demostraron que para adhesivos endurecidos los

esfuerzos principales máximos no son tan apropiados como lo son las

deformaciones principales máximas. Aplicando este criterio en conjunto

con un análisis de elementos finitos elastoplástico se obtienen

predicciones de cargas razonablemente buenas para uniones de simple



traslape. De las limitaciones que encontraron es que el tamaño del

mallado afecta en la determinación del inicio de la deformación máxima.

7.- Criterio de la deformación plástica efectiva uniaxial máxima.

Crocombe y Adams (1982) utilizaron la deformación plástica efectiva

uniaxial para predecir la falla en uniones a desprendimiento utilizando

un análisis de elemento finito elastoplástico de grandes

desplazamientos. De hecho, ellos eliminaron la dependencia del tamaño

del mallado para calcular la deformación y determinaron que la

deformación depende de una distancia específica. Para obtener una

predicción de falla razonable sería necesario utilizar diferentes

deformaciones críticas en diversos sustratos unidos con el mismo

adhesivo. Este criterio puede ser atribuido a los diferentes tamaños de

las zonas de plastificación en los sustratos, pero resulta ser un criterio

muy restrictivo.

8.- Criterio de la máxima densidad de energía plástica.

Una alternativa del uso de un criterio basado en deformaciones para

adhesivos dúctiles, es el uso de un criterio basado en la densidad de

energía. Adams y Harris (1987) utilizaron esta aproximación para

predecir la falla en uniones a traslape simple con variaciones en la

geometría del adhesivo, basada en un criterio de densidad de energía

plástica junto con un análisis de elemento finito elastoplástico.

Encontraron que era necesario realizar una modificación local del

mallado para eliminar singularidades introduciendo redondeados del

mismo orden de magnitud que el espesor del adhesivo. Sin embargo, no

se da una justificación del grado de redondez y no es claro si el grado de



redondez utilizado afecta la distribución de la densidad de energía. Este

criterio lo utilizó también Zhao en 1989, y encontró que éste criterio no

funciona con esquinas redondeadas y que el grado de redondeado tiene

un efecto significativo en la densidad de energía máxima y por lo tanto

se requiere de un análisis paramétrico extensivo.

1.4.2.2.- Criterios de esfuerzo-deformación y una distancia.

Una manera de eliminar problemas asociados a los criterios de máximo

esfuerzo o deformación mencionados anteriormente, es utilizando los

esfuerzos o deformaciones dados a una distancia del punto de

singularidad u obteniendo un valor critico de esfuerzo o deformación

dados sobre una región determinada. Esto es lo que en realidad se hace

en todos los criterios que se evalúan por medio de análisis de elemento

finito mencionados anteriormente. Los esfuerzos o deformación se

obtienen a una cierta distancia establecida desde la singularidad, o se

utiliza un promedio de esfuerzos o deformaciones. Los valores máximos

obtenidos no son singularidades y representan un valor promedio muy

cercano a la solución.

John et al (1991) decían que se podía encontrar un valor crítico del

esfuerzo cortante a una distancia normalizada para uniones a doble

traslape de compósitos unidireccionales, variando la longitud del

traslape. Sin embargo, en la practica se observó que la distancia crítica

variaba al cambiar la distancia de traslape y además ese no era el único

parámetro. Solamente se utilizaron análisis elásticos y además la

distribución de los esfuerzos en el adhesivo no son representativos, por

lo tanto los autores determinaron que el esfuerzo común y el valor de la

distancia no son muy claros.



Zhao (1991) utilizó un valor promedio de la distancia para predecir la

falla en uniones a simple traslape con varios valores de redondez en las

esquinas. Utilizó dos tipos de adhesivos, un epóxico frágil y otro que

endurece por plastificación. Se utilizaron cuatro valores de redondez en

las esquinas para el análisis. Se utilizó un análisis de elemento finito

lineal elástico para el adhesivo frágil, las predicciones obtenidas fueron

muy altas. Al utilizar un promedio de distancia más pequeña o un valor

de esfuerzo crítico menor se obtuvieron mejores predicciones. Resulta

muy difícil obtener el valor de la distancia o del esfuerzo crítico a

utilizar. Para el adhesivo epóxico endurecible se utilizó la densidad de

energía plástica junto a los resultados del análisis por elemento finito

elastoplástico. Nuevamente es necesario utilizar un promedio del valor

redondeamiento del mallado y de los valores máximos de esfuerzo que

se presentan en las esquinas.

Clarke y McGregor (1993) utilizaron una aproximación ligeramente

modificada en que postulaban que los esfuerzos principales máximos en

una determinada zona, de un análisis elastoplástico, podrían exceder a

los esfuerzos medidos en una prueba uniaxial del adhesivo. Utilizaron

dos diferentes adhesivos enduracibles en uniones a simple traslape,

doble traslape y uniones en T, obtuvieron predicciones con un 5% de

diferencia a las mediciones realizadas. Sin embargo los valores

utilizados para los valores de los esfuerzos críticos son muy bajos.

Hicieron dos observaciones interesante, la primera demostraron que

utilizando un esfuerzo a una distancia critica causa errores considerables

en la predicción de una carga que soporta la unión, la segunda

demostraron que pequeños cambios geométricos no afecta al tamaño de

la zona a considerar y por tanto no afecta al valor de la carga de la

predicción.



Crocombe et al (1994) consideraron numerosos análisis de elementos

finitos para comportamientos elásticos y elastoplásticos para un

adhesivo no endurecible aplicado en diversos formas de unión, se

obtuvieron buenos resultados utilizando un esfuerzo de desprendimiento

crítico. Sin embargo, la distancia crítica que se obtuvo es diferente para

cada tipo de unión, por lo tanto no provee de un solo criterio de falla

para un mismo adhesivo.

1.4.2.3.- Análisis del estado límite.

El análisis del estado límite es una forma de estudio de falla que

presentó por primera vez Crocombe (1989). Entonces fue presentado

como un criterio de falla de esfuerzos globales. Este criterio establece

que para adhesivos dúctiles es posible que antes de que una condición

local sea suficiente para producir la falla toda la capa de adhesivo esta

sometida a esfuerzo hasta alcanzar un estado límite el cual no puede

soportar carga adicional. La aplicabilidad de este criterio se demostró en

tres configuraciones, simple traslape, doble traslape y a corte en

compresión. Se utilizó adhesivo de alta ductilidad. Se realizó un análisis

de elementos finito no lineal y se determino la carga a la cual en

adhesivo esta completamente bajo esfuerzo. Los resultados obtenidos

fueron muy similares a los resultados experimentales. Zhao utilizó el

criterio y notó que también se puede aplicar a adhesivos endurecibles

cuando se utiliza un radio muy grande en las esquinas de los sustratos.

Schmit incluyó un esfuerzo global como el mecanismo de fractura en su

análisis en uniones a doble traslape.

La limitación de este criterio es que se puede aplicar sólo a ciertos tipos

de unión, además de que la mayoría de los adhesivos epóxicos no son lo



suficientemente dúctiles para que la capa entera de adhesivo se vea

sometida a esfuerzo antes de que falle la unión.

1.4.2.4.- Mecánica de la fractura.-

La mecánica de la fractura ha sido utilizada para predecir fallas en

cuerpos homogéneos, también ha sido bastante aplicada en adhesivos.

La mecánica de la fractura se basa en que un cuerpo frágil que contiene

una fisura fallará cuando la energía que se le suministra por medio de

cargas (G) es igual a la energía que se requiere para que la fisura se

propague (Gc).

Kinloch determinó dos ventajas de utilizar energía en ves de esfuerzos

en uniones adhesivas, la primera la energía G esta fuertemente

relacionada con el proceso de absorción de energía y la segunda que un

valor usable del factor de intensidad de esfuerzo (K) no siempre es

complicado de obtener.

Se ha realizado mucho trabajo en esta área, sobre todo por gente que

trabaja en el área de los compuestos.

En la mayoría de los trabajos se considera que existe una macro fisura

presente en el adhesivo o la unión. Existen varias objeciones en utilizar

fisuras inherentes. Una de las objeciones es que el tamaño de la fisura

calculada puede ser mucho más grande que la fisura que realmente

existe. Los principios de la mecánica de la fractura solo se pueden

aplicar a macro-fisuras y para los polímeros estarían en el orden de los

milímetros. Otra dificultad de utilizar fisuras inherentes es que la

localización de la fisura no es tan obvia.



Otra dificultad del criterio es que la energía crítica de propagación (Gc)

normalmente no es una constante del material. Esta normalmente varía

con el modo de carga, el espesor del adhesivo, la longitud de la unión y

la velocidad de aplicación de la carga.

1.4.2.5.-Intensidad de esfuerzos en bi-materiales.-

Estos criterios son una extensión de la intensidad de esfuerzos críticos

utilizados en la mecánica de la fractura para problemas en los no

contienen fisuras.

Varios trabajos se han realizado al respecto, los primeros en trabajar

con este criterio fueron Gradin y Groth los cuales realizaron pruebas con

epóxico endurecible y obtuvieron resultados razonablemente buenos con

una predicción de la carga de falla del ±10%.

Los trabajos realizados con este tipo de criterio revelaron que existe un

número de áreas que necesitan ser determinadas antes de que este

criterio de falla pueda tener una aplicación general. Como es el

determinar si el factor de intensidad de esfuerzo crítico (Qc) es una

propiedad del material. Como Qc es similar a Gc, del criterio anterior, se

puede esperar que dependa del espesor del adhesivo, de la velocidad de

aplicación de la carga, de la temperatura, etc.

1.4.2.6.- Modelado del daño.-

En la mayoría de los trabajos realizados en los criterios mencionados

anteriormente, cuando es necesario se realiza una extrapolación del



valor del esfuerzo o de la deformación de los datos que se obtienen

experimentalmente dentro de la zona elástica del material. Causando

que, al sobrepasar el límite elástico del material, los valores utilizados

de esfuerzos no sean tan apegados a la realidad.

Crocombe et al trataron de modelar una zona de daño cercana a una

singularidad en las fallas de interface utilizando una línea la cual se

activa únicamente cuando los esfuerzos principales a su alrededor

alcanzan un valor crítico, similar que en la mecánica de la fractura, pero

ellos consideraron que el material que se encuentra alrededor de la

singularidad sigue sin tener la energía suficiente como para fallar y se

sigue comportando de forma elástica.

Varios autores han trabajado con el modelado del daño en uniones por

medio de adhesivo y aparentemente es un criterio que puede traer

resultados prometedores. Pero este es un concepto que apenas se esta

desarrollando y necesitará que se pueda incorporar a los códigos de

elementos finitos que se utilizan en la actualidad.

1.5. Conclusiones sobre el estado del arte.

A lo largo del tiempo se han venido desarrollando diversos criterios de

falla en adhesivos, de los cuales la generalidad de estos se plantean

para adhesivos que tienen un comportamiento plástico. Se han

desarrollado diversos tipos de criterios para predecir el comportamiento

de las uniones, sin embargo no se ha estudiado con gran detenimiento

la interface como la zona más susceptible a fallas y por tanto la que



debería de determinar el valor máximo de carga que se puede aplicar al

ensamble.

Bibliografía.-

[1] Handbook of adhesives and sealants. Edward M. Petrie. Ed McGraw-

Hill 2000.

[2] AWS Subcommittee of Definitions. Classification of the Welding

Processes, Welding Journal 1976.

[3] M. Madrid V. “Seminario sobre adhesivos” Loctite Henckel, pp-7-8

J.E. Shigley y C.R. Mischke, “Diseño en Ingeniería Mecánica”, McGraw

Hill 2002.

[4] B.J. Hamrock, B. Jacobson y S.R. Schmid, “Elementos de Máquinas”,

McGraw Hill 2000

[5] M.F. Spotts y T.E. Shoup, “Elementos de Máquinas”, Prentice Hall

1998.

[6] Measurements Group Product Binder. UTN-FRBB Cátedra: Elementos

de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan. 2004

Capitulo II.- Procedimiento Experimental 47


Capítulo II.- Procedimiento Experimental

En este capítulo se explican los diferentes tipos de pruebas que se

realizaron en esta investigación. Dentro de los diferentes tipos de

pruebas se describen los procedimientos que se siguieron para la

obtención de probetas. De igual manera se explica la construcción,

funcionamiento y puesta en marcha de equipo elaborado para poder

realizar las pruebas tipo III.

2.1. Adhesivos estructurales

Como se mencionó en el capítulo anterior, una de las clasificaciones del

los adhesivos en por su uso, dentro de los cuales se encuentran los

adhesivos estructurales. Los adhesivos estructurales son aquellos que

son capaces de soportar, y trasmitir, una carga mayor que el peso del

adherente o sustrato. Lo cual quiere decir que este tipo de adhesivos

son capaces, no solamente de mantener unidas dos piezas, sino que

además soportan y trasmiten cargas que se le aplican a la estructura

que pertenecen. Existen varios tipos de adhesivos que se pueden

considerar como estructurales, dentro de estos los adhesivos reactivos

son los que presentan mejores propiedades de resistencia mecánica, y

dentro de los adhesivos reactivos los epoxis son los de mejores

prestaciones mecánicas que se pueden encontrar en la actualidad.

En el presente trabajo se utilizó una resina poliéster como adhesivo. La

resina poliéster generalmente es utilizada como matriz para la

fabricación de placas de fibra de vidrio. Se optó por el uso de esta resina

por sus propiedades mecánicas, en las cuales presenta muy poca zona

plástica a tensión, con lo cual se estaría asegurando que las fallas de los



componentes se presenten en zona elástica, así como las deformaciones

del adhesivo y el endurecimiento por deformación. Ya que este material

no presenta dicho comportamiento.

Se caracterizó el adhesivo por medio de pruebas de compresión y de

tensión. Se realizaron tres probetas cilíndricas para hacer pruebas de

compresión, y cinco probetas en forma de hueso para pruebas de

tensión. Las probetas se dejaron curar por 24 horas a temperatura

ambiente de 25° C en promedio.

En los tres tipos de pruebas que se desarrollaron en esta investigación

se utilizó acero de bajo carbono como sustrato. Se caracterizó el acero

por medio de pruebas de tensión. Se realizaron cinco probetas de forma

de hueso.

Las pruebas del adhesivo y del acero se realizaron en una máquina

universal marca Instron de 10 toneladas, con una celda de carga de

5000 kg y la velocidad de avance del cabezal fue de 0.5 mm/min. En

todas las probetas se colocaron galgas extensiométricas para medir las

microdeformaciones.

En los siguientes puntos se describen las pruebas realizadas en esta

investigación:

2.2. Investigación experimental de prueba tipo I.

Se denominó como prueba tipo I a las pruebas de tensión uniaxial de

uniones a doble traslape. La prueba de tensión uniaxial a uniones a

doble traslape consiste en someter a una probeta a tensión en una



dirección a una velocidad muy baja (cuasiestática), en la figura 2.1 se

observa una probeta a doble traslape, así como la dirección y ubicación

de la carga que se le aplica. Con este tipo de pruebas se somete a la

unión adhesiva a cortante.

Figura 2.1 Dirección de la carga aplicada a la probeta de doble traslape.

Para la realización de las probetas se utilizó placa de acero de 12.5 mm

de ancho, con un espesor de 3 mm y una longitud de las placas de 100

mm.

Se realizaron probetas con tres diferentes longitudes del adhesivo, 10,

15 y 20 mm. Estas probetas constan de cuatro placas de acero de baja

aleación unidas en forma de sándwich por medio de la resina epóxica.

La forma de las probetas de las uniones a doble traslape, se pueden

observar en la figura 2.2. En la misma figura se observa la longitud que

se varía en las diferentes probetas de este tipo de prueba.

Figura 2.2 Longitud de adhesivo en probetas a doble traslape, donde x

toma el valor de 10, 15 y 20 mm.

Para la realización de estas probetas se manufacturaron moldes de

silicón. Los moldes fueron utilizados para mantener los componentes en



una posición durante el curado del adhesivo, así como para asegurar las

dimensiones deseadas de las uniones. Para elaborar los moldes se

maquinaron modelos de las probetas terminadas, estos modelos tienen

las dimensiones finales que se deseaba obtener en las probetas. La

figura 2.3 muestra un modelo utilizado para la elaboración de los

moldes. Los modelos se maquinaron en acero de baja aleación y se

unieron con adhesivo de curado rápido.

Figura 2.3 Modelo con 10 mm de longitud del lado del adhesivo.

Para la realización de los moldes de silicón se elaboraron bastidores de

madera para contener al silicón durante su curado, se colocó un modelo

y se vertió el silicón. Se dejo curar el molde de silicón por 48 horas, se

retiro el modelo y el bastidor. Se elaboraron 5 moldes de cada longitud

de adhesivo a probar.



Figura 2.4 Molde de silicón utilizado para elaboración de probetas tipo I.

Una vez que se obtuvieron los moldes de silicón, se procedió a obtener

el material que se utilizaría en las probetas. Cada probeta consta de 4

placas de acero de baja aleación, las placas se cortaron y rectificaron

para asegurar que todas las placas tengan superficies paralelas y una

rugosidad homogénea.

Antes de montar las placas en los moldes se realizó la limpieza de las

superficies a unir de la siguiente manera: se lavaron con agua y jabón

para eliminar polvo y rebaba de la superficie, limpió con acetona y

algodón para eliminar grasa, se dejo secar al aire.

Las pruebas de tensión tipo I se realizaron en una Máquina Universal

marca Instron con capacidad de 10 toneladas, con una celda de carga

de 5000 kg. Se realizaron pruebas cuasiestáticas con un desplazamiento

del cabezal de 0.5 mm/min.



Figura 2.5 Probeta para pruebas de tensión tipo I.

2.3. Investigación experimental de prueba tipo II.

Se denominó como pruebas experimentales tipo II, a las pruebas de

desprendimiento. Una prueba de desprendimiento consta de pruebas de

tensión uniaxial hechas a probetas a doble traslape en dirección

perpendicular a los substratos, estas pruebas son realizadas en una

maquina universal. Esta prueba tiene fin de hacer que las superficies en

contacto se separen una de otra sin deslizamiento entre ellas. En la

figura 2.6 se observa un diagrama de la dirección en que actúan las

fuerzas en este tipo de prueba.



Figura 2.6 Dirección de la carga aplicada en las pruebas del tipo II.

En esta prueba se le adecuaron dos bisagras a las probetas para poder

aplicar la carga sobre estas. Las bisagras tienen la finalidad de permitir

una buena sujeción a las mordazas de la máquina, así como eliminar la

transmisión de momentos a la probeta. Las pruebas de desprendimiento

se llevaron a cabo en una Máquina Universal marca Instron con

capacidad de 10 toneladas. Se realizaron pruebas semiestáticas con un

desplazamiento del cabezal de 0.5 mm/min. Se utilizó una celda de

carga de 1000 kg.

Figura 2.7 Implemento adaptado en probetas tipo II para su sujeción en

la máquina de tensión.



Se realizaron probetas con tres diferentes longitudes de adhesivo, de

10, 15 y 20 mm de longitud. Estas probetas constan de 3 placas de

acero unidas mediante adhesivo. Las placas que se utilizaron son de

acero de baja aleación, las placas se cortaron y rectificaron para

asegurar que todas las placas tengan superficies paralelas y una

rugosidad homogénea.

Figura 2.8 Longitud de adhesivo en probetas de desprendimiento, donde

x toma el valor de 10, 15 o 20 mm.

Antes de montar las placas en los moldes se realizó la limpieza de las

superficies a unir de la siguiente manera: se lavaron con agua y jabón

para eliminar polvo y rebaba de la superficie, limpió con acetona y

algodón para eliminar grasa, se dejo secar al aire.

Para la realización de estas probetas se manufacturaron moldes de

silicón. Los moldes se utilizaron para mantener los componentes en una

sola posición durante el curado del adhesivo y para asegurar las

dimensiones deseadas de las uniones.

2.4. Investigación experimental de prueba tipo III.

Se denominó como prueba tipo III a pruebas que consisten en someter

a la probeta a una carga predeterminada de torsión y, una vez aplicada

ésta, se aplica una carga de tensión uniaxial sobre la probeta, la probeta

utilizada es cilíndrica y el tipo de unión es a tope.



Para la realización de las probetas del tipo III se utilizó barra cilíndrica

de acero estructural, de 12.5 mm de diámetro, con una longitud de cada

barra de 200 mm.

En la figura 2.9 se observa un diagrama de la dirección en que actúan

las fuerzas en este tipo de prueba.

Figura 2.9 Dirección de la carga aplicada en las pruebas tipo III.

Se elaboró un dispositivo para poder llevar a cabo este tipo de pruebas.

La máquina construida en el centro de investigaciones se elaboró con

una capacidad de 250 kg de tensión y 50 kg*m de torsión, la velocidad

de aplicación de las cargas dependen del operario.

Se aplicó una carga de torsión predeterminada, a una muy baja

velocidad, y posteriormente se comenzó con la aplicación de la carga a

tensión, la velocidad de aplicación de las cargas se determinó en un

rango de 60 gr/min.

Para la elaboración de las probetas se construyo un marco, en el cual se

montan los sustratos. El marco permite alinear perfectamente las dos

piezas y mantenerlas separadas la distancia requerida para la aplicación

del adhesivo. La longitud de adhesivo que se utilizó en estas pruebas es

de 0.5 mm.

Capitulo III.- Análisis, discusión y predicciones de falla 57


Capitulo III.- Análisis, discusión y predicciones de falla

En este capitulo se desglosan los resultados obtenidos de las pruebas

realizadas en el presente trabajo, así como el análisis por medio de

elemento finito realizado para la determinación de las cargas que actúan

en la interface, los cuales se utilizaron para la obtención del criterio de

falla, el cual también se presenta en este apartado. Posteriormente, se

realizaron pruebas con otro tipo de adhesivo, con los resultados

obtenidos se hizo una comparación con el criterio para determinar si el

criterio se podría utilizar con otros adhesivos.

Se realizaron pruebas mecánicas a los materiales que se utilizaron para

la realización de las probetas, los resultados de las propiedades del

acero y del adhesivo se observan en la tabla 3.1.

Material Esfuerzo

de cedencia

[MPa]

Coeficiente

de Poisson

Modulo E [GPa]

Adhesivo 51 0.347 2.3

Acero 370 0.33 181

Tabla 3.1 Propiedades mecánicas de adhesivo y acero utilizado en

pruebas mecánicas.

A continuación se mencionan los resultados que se obtuvieron en los

tres diferentes tipos de pruebas:

3.1. Resultados de prueba tipo I

En este tipo de prueba, las probetas a doble traslape fueron sometidas a

pruebas de tensión. Se realizaron 5 probetas para cada distancia de



adhesivo. Los resultados obtenidos de las pruebas de tensión se

muestran en las figuras 3.1, 3.2 y 3.3.

En las figura 3.1, 3.2 y 3.3 se puede observar el comportamiento que

presentaron los ensambles durante la prueba de tensión, se observa que

en ninguno de los casos se presento plasticidad durante la deformación,

por lo tanto se logró tener una falla del tipo frágil en estas pruebas, que

era uno de los objetivos que se buscaban al seleccionar el tipo de

adhesivo. De igual forma, se puede observar en dichas figuras la

dispersión que se presento en los resultados de las cargas máximas que

soportaron las probetas

Figura 3.1.- Grafica carga-desplazamiento de probetas de doble traslape

con 10 mm de longitud de adhesivo.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

Fue

rza

(kN

)

Desplazamiento (mm)

Probetas de 10 mm de adhesivo

Probeta 1

Probeta 2

Probeta 3

Probeta 4

Probeta 5



Figura 3.2.- Grafica carga-desplazamiento de probetas de doble traslape

con 15 mm de longitud de adhesivo.

3.3.- Grafica carga-desplazamiento de probetas de doble traslape con

15 mm de longitud de adhesivo.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

Fue

rza

(kN

)

Desplazamiento (mm)


Probeta 1

Probeta 2

Probeta 3

Probeta 4

Probeta 5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

Fue

rza

(kN

)

Desplazamiento (mm)


Probeta 1

Probeta 2

Probeta 3

Probeta 4

Probeta 5



En la figura 3.4 se observa un gráfico de los promedios de los resultados

obtenidos en las pruebas de tensión de este tipo de probeta, en la figura

se observa como al incrementar la longitud del adhesivo incrementa la

carga que soporta el ensamble.

Figura 3.4.- Gráfica de caja de carga para las tres longitudes de

adhesivo en las probetas tipo I.

La tabla 2 muestra los valores promedio de los resultados que se

obtuvieron en los tres tipos de pruebas.

3.2. Resultados de Prueba Tipo II.

En este tipo de prueba, probetas de doble traslape se sometieron a

pruebas de desprendimiento. Se realizaron 3 probetas para cada

distancia de adhesivo, en las figuras 3.5, 3.6 y 3.7 se muestran los

resultados de estas pruebas. En las figuras se observa el

comportamiento del ensamble durante las pruebas, en las cuales no se

observa comportamiento plástico del adhesivo. La figura 3.8 muestra los

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

10 mm 15 mm 20 mm

Fue

rza

(kN

)

Efecto de longitud de adhesivo



promedios de cargas obtenidas para las pruebas de las tres longitudes

de adhesivo, se puede observar que el valor de la carga se incrementa

(aunque levemente) con el incremento de la longitud del adhesivo. Los

valores de la carga de falla de estas pruebas se presentan en la tabla 2,

junto con los valores de las otras pruebas.

Figura 3.5.- Gráfica carga-desplazamiento de probetas de

desprendimiento con 10 mm de longitud de adhesivo.



0

10

20

30

40

50

60

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Car

ga (

N)

Desplazamiento (mm)

Probetas 10 mm de adhesivo

Prueba 1

Prueba 2

Prueba 3

0

10

20

30

40

50

60

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Car

ga (

N)

Desplazamiento (mm)


Probeta 1 Probeta 2





Figura 3.8.- Gráfica de caja de carga para las tres longitudes de

adhesivo en las probetas tipo II.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0.5 1 1.5 2

Car

ga (

N)

Desplazamiento (mm)


Probeta 1

Probeta 2

Probeta 3

0

10

20

30

40

50

60

70

10 mm 15 mm 20 mm

Car

ga (

N)

Longitud de adhesivo

Efecto de longitud de adhesivo



3.3. Resultados de Prueba tipo III

Se realizaron pruebas de tensión y torsión a probetas cilíndricas unidas

a tope con 0.5 mm de espesor de adhesivo. Se realizaron 4 probetas

para cada combinación de cargas tensión-torsión. El procedimiento de

este tipo de prueba fue el siguiente: se montó la probeta en el

dispositivo elaborado para este tipo de pruebas. Se aplicó una carga de

tensión previamente seleccionada y posteriormente se aplicó un

momento sobre la probeta hasta provocar la falla. Se utilizaron cinco

diferentes valores de carga de tensión, con lo cual se obtuvieron 5

diferentes juegos de valores de cargas de tensión-torsión. Dentro de

esos 5 juegos de valores, en uno de ellos se aplicó carga de tensión

hasta la ruptura sin aplicar ningún momento flector, y en otro de ellos

se aplicó solamente el momento flector hasta la ruptura sin aplicar carga

de tensión. Los resultados de los juegos de cargas tensión-torsión se

muestran en la figura 3.9, así como en la tabla 2 en conjunto con los

resultados de las otras pruebas.

Figura 3.9.- Gráfica de caja de los pares de valores de carga-momento

en las pruebas tipo III.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 1 2 3 4 5

Tensión (N)



Prueba Fuerza aplicada (N) Momento aplicado (N*mm)

Tipo I 10 mm 2270 0

15 mm 2900 0

20 mm 3770 0

Tipo II 10 mm 45 0

15 mm 49 0

20 mm 52 0

Tipo III Var 1 1287 0

Var 2 670 3225

Var 3 434 4251

Var 4 193 3421

Var 5 0 5543

Tabla 2.- Valores promedio de los resultados obtenidos en los tres tipos

de pruebas.

3.4. Análisis de elemento finito.

Los valores de carga que se obtuvieron en los tres tipos de pruebas se

utilizaron para determinar, por medio de Análisis de Elemento Finito, el

valor de los esfuerzos a los que se encuentran sometidas las interfaces

en cada uno de los tipos de prueba. Se empleó el software comercial

Comsol Multiphysics 3.3 para estos cálculos. Se realizaron los cálculos

en dos dimensiones con elementos cuadráticos de Lagrange. Se realizó

un refinamiento del mallado en las esquinas de las capas de adhesivo en

donde los esfuerzos se incrementan. La figura 3.10 muestra el

refinamiento del mallado que se realizó tanto a las probetas de doble

traslape como a las probetas cilíndricas de tensión torsión.

Se asumió que tanto los sustratos como el adhesivo tenían un

comportamiento lineal elástico e isotrópico por el comportamiento que

presentaron durante las pruebas realizadas en laboratorio, de dichas

pruebas se obtuvieron las propiedades, tabla 1, que se utilizaron para

los cálculos.



Figura 3.10. Detalle del refinamiento de malla utilizado en el análisis de

las pruebas: (a) Tipo I y II, y (b) Tipo III.

A continuación se describen los resultados obtenidos por medio de

cálculos en elementos finitos para cada tipo de prueba.

3.4.1 Pruebas Tipo I. Prueba de tensión uniaxial.

Para la realización de los cálculos analíticos, primeramente se hicieron

algunas consideraciones. Para determinar como podían influir algunos

errores que se podrán llegar a cometer durante la manufactura en los

resultados de los cálculos obtenidos mediante elemento finito, así como

la forma en que aplican las cargas sobre el ensamble debido a la manera

de sujeción de las probetas a la máquina de tensión. De igual forma, se

consideraron algunos errores que se pueden presentar al momento de

elaborar las probetas para determinar su influencia sobre los resultados

de pruebas que podrían tener.

- Análisis de la forma de sujeción:

Se realizó el análisis de la forma en que puede afectar la manera de

sujetar la probeta a la máquina de tensión. Las probetas se sujetaron



por medio de pernos a la maquina de tensión. Debido a esta forma de

sujeción, las cargas aplicadas a la probeta podrían no ser uniformes

sobre toda la superficie de contacto del perno, para determinar la

influencia de la falta de uniformidad de carga sobre la rigidez del

ensamble se realizó el análisis de diferentes puntos de contacto perno

probeta. El cambio de rigidez del ensamble se puede determinar de

acuerdo a la variación del desplazamiento de sus extremos. Se

consideraron tres casos diferentes de aplicación de carga. La figura 3.11

presenta las gráficas de las diferentes configuraciones de cargas que se

consideraron. La carga ideal es cuando la carga se distribuye a todo lo

largo de la zona de contacto de los pernos (figura 3.11 (a)), los otros

dos caso son cargas puntuales. Uno de los casos es en los extremos del

mismo lado de contacto entre probeta y perno en ambos pernos (figura

3.11 (b)), y el otro de los casos es cuando las cargas están cruzadas

una en la parte superior y la otra en la parte inferior de la zona de

contacto probeta perno (Figura 3.11 (c)). Otros casos que se podrían

presentar se pueden obtener por simetría con los casos considerados. La

variación de los desplazamientos se midió en uno de los extremos de la

probeta, a los puntos de medición del desplazamiento se les denominó:

P1 y P2. En la figura 3.11 se observa la ubicación de los puntos de

medición de los desplazamientos P1 y P2. La tabla 3 muestra los

resultados obtenidos para los diferentes puntos de aplicación de la carga

sobre el ensamble.



Figura 3.11.- Configuraciones de cargas utilizadas para determinar la

influencia del punto de aplicación sobre la rigidez de la probeta. a)

carga ideal, b) configuración 1 y c) configuración 2.

Punto de

medición

Dirección del

Desplazamiento

Distribución

ideal

Mismo

lado

Lados

opuestos

P1 X 0.06257 0.006222 0.13076

Y 0.00053 -0.003 0

P2 X 0.06257 0.198296 0.06217

Y 0 0 0.003

Promedio X 0.06257 0.10225 0.09647

Y 0.0003 -0.0015 0.0015

Tabla 3. Desplazamientos obtenidos de forma analítica de los

desplazamientos presentes en la probeta, dependiendo del lugar de

aplicación de las cargas (Desplazamientos en mm).

Con los resultados de la Tabla 3 podemos concluir que la falta de

uniformidad de aplicación de la carga durante las pruebas no afecta

significativamente en los resultados que se obtengan de las pruebas. Es

decir, que si en la parte experimental las cargas no se aplican de



manera uniforme sobre las probetas, y en el análisis matemático se

realizan los cálculos con una carga uniforme sobre toda la superficie de

contacto, los resultados analíticos no presentaran grandes diferencias

con respecto a los experimentales.

- Análisis de errores de manufactura:

Otros de los análisis que se desarrollaron en esta investigación son los

errores que se pueden tener al momento de elaborar las probetas para

la realización de las pruebas mecánicas. Se tuvieron en cuenta dos tipos

de errores en la manufactura: el primero es, que el espesor del adhesivo

no fuera el mismo en todas las partes del ensamblaje, y el segundo es,

que la longitud del adhesivo varíe un poco a lo determinado. En la figura

3.12 se presentan las geometrías que se consideraron en estas pruebas

de errores de manufactura. En la figura 3.12 se pueden apreciar las

dimensiones del adhesivo que se consideraron para determinar el efecto

de estos cambios geométricos sobre el comportamiento del ensamble al

ser sometido a un desplazamiento.

En este caso se determinó el desplazamiento que sufre la probeta al

aplicar la carga, solamente que en esta ocasión se consideró el

desplazamiento que puede sufrir la probeta en ambos extremos de la

zona de contacto probeta perno. Esto debido a que ya que la probeta no

es simétrica su comportamiento podría variar en los extremos de esta.

La tabla 4 presenta los resultados que se obtuvieron de este

experimento.



Figura 3.12.- Geometrías consideradas con posibles defectos de

manufactura al elaborar probetas experimentales.

x 0.062593 0.062638 0.062045 0.061561 0.063127 0.062419 0.062829

variación 0.0000% 0.0719% -0.8755% -1.6487% 0.8531% -0.2780% 0.3770%

y 0 -0.00778 0.001328 -0.0006 -0.002224 0.002065 -0.003285

x 0.062593 0.062329 0.062109 0.061558 0.063074 0.06242 0.062823

variación 0.0000% -0.4218% -0.7732% -1.6535% 0.7685% -0.2764% 0.3675%

y 0 -0.007249 0.001859 -0.00003 -0.001694 0.002596 -0.002754

x 0.062593 0.0624835 0.062077 0.0615595 0.0631005 0.0624195 0.062826

variación 0.0000% -0.1749% -0.8244% -1.6511% 0.8108% -0.2772% 0.3722%

y 0 -0.0075145 0.0015935 -0.000315 -0.001959 0.0023305 -0.0030195

-0.004 0.011 -0.006 -0.003 0.005 -0.005 0.005

promedio

movimiento maximal sobre y

P1

P2

geometria 4 geometria 5 geometria 6geometria

idealgeometria 1 geometria 2 geometria 3

Tabla 4. Desplazamientos obtenidos de manera analítica para las

diferentes configuraciones de dimensiones de probeta con errores de

manufactura (Desplazamiento en mm).

Según los resultados que se muestran en la tabla 4, se puede concluir

que pequeñas variaciones en la geometría de las probetas no afectan

significativamente en los resultados que se obtengan en las pruebas

experimentales.



- Análisis de la influencia del cálculo con grandes trasformaciones o

pequeñas transformaciones:

Otra consideración que se tomo en cuenta es, que tanto influye en los

resultados si se realizan los cálculos de elementos finitos en pequeñas

transformaciones o con grandes trasformaciones, así pues en la tabla 5

se tienen los resultados que se obtienen al realizar los cálculos con

pequeñas y con grandes trasformaciones cono las geometrías de la

figura 3.11.

x 0.06257 0.0062223 0.130765 0.062593 0.051733 0.115404

y 0.00053 -0.003 0 0 -0.003803 0

x 0.06257 0.198296 0.062179 0.062593 0.139893 0.060785

y 0 0 0.003 0 0 0.003024

x 0.06257 0.10225915 0.096472 0.062593 0.095813 0.0880945

y 0.0003 -0.0015 0.0015 0 -0.0019015 0.001512

-0.004 -1.397 0.4 -0.004 -0.787 0.277

P2

promedio

movimiento maximal sobre y

pequeñas transformaciones

Dist. ideal Mismo ladoLados

opuestos

P1

Dist. Ideal Mismo ladoLados

opuestos

grandes transformaciones

Tabla 5. Desplazamientos en mm obtenidos de forma analítica de

pequeñas y grandes transformaciones.

Una vez que se determinó la influencia en los resultados de dichas

variables, se procedió a realizar el análisis de elemento finito de los

esfuerzos que se presentan en la interface substrato – adhesivo en las

pruebas de tensión a probetas de doble traslape. Para este tipo de

prueba se realizó una simplificación por simetría de la probeta, en la

figura 3.13 se observa la simetría empleada y la forma en que se

aplicaron las cargas para el análisis. La figura 3.14 muestra la

distribución de los esfuerzos que se presentan en la interface del

sustrato y el adhesivo, para una probeta a doble traslape con una

distancia de adhesivo de 10 mm. En dicha figura se pueden observar



tanto los esfuerzos transversales (figura 3.14 a) como los esfuerzos

normales a la superficie de contacto (figura 3.14 b).

Figura 3.13. Simetría utilizada para los cálculos analíticos para probetas

a tensión de doble traslape.

Figura 3.14. Distribución típica de los esfuerzos (a) cortantes y (b)

normales, en una probeta a doble traslape en prueba de tensión con 10

mm de distancia de adhesivo.

3.4.2 Pruebas tipo II. Pruebas de desprendimiento

En este tipo de prueba se utilizó la probeta y las cargas que se describen

en el punto 2.3 y se presentan en la figura 2.6. Con las cargas que se

obtuvieron experimentalmente (tabla 2) se realizó el cálculo de los

esfuerzos que se presentan en la interface sustrato – adhesivo,



obteniendo graficas de la distribución de estos esfuerzos como las que

se presentan en la figura 3.15.

Figura 3.15 Distribución de esfuerzos de interface en uniones a

desprendimiento.

3.4.3 Pruebas tipo III. Pruebas de torsión-tensión

Para la simplificación de cálculos en el análisis de los esfuerzos de

interface de este tipo de prueba, por simetría, se utilizó la probeta que

se presenta en la figura 3.16, en la misma figura se puede observar la

forma en que se aplicaron las cargas que se obtuvieron

experimentalmente (tabla 2). De igual forma se obtuvieron gráficas de

los esfuerzos presentes en las interfaces, la figura 3.17 presente la

forma de los esfuerzos presentes en la superficie de contacto.



Figura 3.16.- Imagen de simetría utilizada para los cálculos de las

pruebas Tipo III.

Figura 3.17.- Esfuerzos cortantes presentes en la interface adhesivo –

sustrato de pruebas Tipo III.



3.5. Criterio de falla de interface

En la actualidad existen diversas investigaciones que se han llevado a

cabo, en las cuales se busca poder determinar por un medio analítico el

momento en que se presentará una falla en una unión realizada

mediante adhesivo. En esta investigación se presenta una propuesta con

la cual se pueda determinar el momento en que inicia la falla de la

interface entre sustrato y adhesivo. Como se observa en las figuras

3.14, 3.15 y 3.17, los esfuerzos no tienen un valor constante a todo lo

largo de la interface. En la orilla de la interface se presenta una

singularidad, la cual tiende a infinito al hacer más fino el mallado. Estas

singularidades son clásicas en interfaces entre materiales diferentes. Un

criterio de falla no puede establecerse sobre el valor puntual de los

esfuerzos debido a las singularidades presentes en los cálculos. Se

puede emplear un criterio sobre los esfuerzos promedio calculados

mediante una integral sobre una distancia característica a partir del

borde [11]. El criterio propuesto es de la forma siguiente:

(1)

donde:

es el esfuerzo cortante promedio.

es el esfuerzo normal promedio.

constantes, propiedades de la interface por identificar.

cPPPk

1

d

dsd

d

dsd

kPdc ,,,



Con los datos de esfuerzos normales y cortantes obtenidos mediante

elementos finitos se sacaron los valores promedio de estos a diferentes

distancias características (d), con esos valores se buscó en la ecuación

propuesta obtener los valores de las constantes P y k para las cuales los

valores de estos esfuerzos fueren los más cercanos a los obtenidos

experimentalmente. Así, en la tabla 6 se observan algunos de los

esfuerzos calculados para diferentes distancias características.

Se realizó una optimización de los datos obtenidos a diferentes

distancias características buscando la menor separación de los cálculos a

la media de los datos, la optimización que se realizó fue el de sacar la

desviación estándar de los datos a la media, así como el error máximo

de los datos a la media. Con esta optimización se busca el minimizar los

errores de los datos y obtener una curva de la envolvente más precisa.

Gracias a los resultados experimentales y a una optimización del juego

de parámetros, se ajustaron los parámetros del criterio y se obtuvieron

así: kPdc ,,, . Con un valor de distancia característica de mmd 3 se

tiene la siguiente ecuación del criterio:

MPa 98.1316.1 4.1

14.14.1

Empleando los valores obtenidos, se pueden graficar las parejas ( , )

obtenida para cada prueba en el plano virtual de esfuerzos (figura 3.18).

La curva trazada corresponde al criterio de falla obtenido también

conocida como envolvente de falla.



La figura 3.18 muestra una comparación de los valores de los esfuerzos

obtenidos experimentalmente, con los obtenidos mediante la ecuación

propuesta.

d = 3 d = 3.5 d = 4

Cortante

(MPa)

Normal

(MPa)

Cortante

(MPa)

Normal

(MPa)

Cortante

(MPa)

Normal

(MPa)

Tipo I 10 mm

15 mm

20 mm

10.200

9.470

10.158

7.730

5.980

5.955

10.120

9.370

10.024

7.060

5.490

5.426

10.06

9.290

9.901

6.43

5.040

4.952

Tipo II 10 mm

15 mm

20 mm

2.231

2.724

2.735

12.596

11.230

11.573

1.951

2.383

2.406

10.972

10.027

9.738

1.781

2.096

2.122

9.689

8.894

8.63

Tipo III Var 1

Var 2

Var 3

Var 4

Var 5

0.000

7.478

13.040

10.494

14.797

12.544

7.528

5.027

2.235

0.000

0.000

13.824

6.986

12.182

9.803

12.598

0.000

7.561

5.048

2.245

0.000

6.494

11.324

9.113

12.850

12.615

7.571

5.085

2.248

0.000

Tabla 6. Valores de los esfuerzos cortantes y normales calculados para

diferentes distancias características.



Figura 3.18.- Comparación de los esfuerzos obtenidos por medios

analíticos con los obtenidos experimentalmente. (Envolvente de falla).

3.6.- Pruebas tipo I con adhesivo estructural.

El criterio mencionado anteriormente se obtuvo con una resina a modo

de adhesivo, en la práctica este material no se utiliza para la unión de

piezas, pero como se mencionó en los apartados anteriores, este

material tiene un comportamiento frágil lo que nos permitió eliminar el

comportamiento plástico en el ensamble. En este apartado se realizaron

pruebas como las del tipo I con un adhesivo estructural que se utiliza

para la unión de piezas en la industria de la construcción. El adhesivo

que se utilizó es un adhesivo epóxico de la marca Sika, denominado

como “Sikadure 32 Gel”, el cual se utiliza en la industria de la

construcción para la unión de materiales disimiles como son: hormigón

con concreto, acero con concreto, aluminio con concreto, acero con

acero, etc. Las propiedades del adhesivo según el fabricante, y pruebas

de laboratorio, se muestran en la tabla 7.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 2 4 6 8 10 12 14

Esfu

erz

o c

ort

ante

(M

Pa)

Esfuerzo Normal (MPa)

Desv máxima d = 3

Esfuerzos analíticos

Tipo I

Tipo II

Tipo III



Propiedad Valor según fabricante

Modulo de elasticidad 2.43 GPa

Coeficiente de Poisson 0.35

Resistencia a la compresión 900 kg/cm2

Resistencia a la flexión 340 kg/cm2

Adherencia > 130 kg/cm2

Tabla 7.- Propiedades del adhesivo estructural Sikadure 32 gel.

Se realizó un diseño de experimentos, en el cual se contaba con tres

variables independientes las cuales son: la longitud del adhesivo, el

espesor del adhesivo y la rugosidad de la superficie sobre la cual se

aplicó el adhesivo, la tabla 8 muestra los niveles y los valores que

tomaron cada una de las variables en los diferentes niveles del

experimento.

FACTORES

DOMINIO EXPERIMENTAL

0 1 2

X1:RUGOSIDAD BAJA MEDIA

X2:LONGITUD DE LA JUNTA 10 mm 15 mm 20 mm

X3:ESPESOR DEL ADHESIVO 0.5 mm 1 mm 1.5 mm

Tabla 8.- Valores utilizados para las variables del experimento con

adhesivo estructural.

Se realizó esta experimentación con dos fines principales: primeramente

determinar, si el criterio obtenido con resina como adhesivo, era valido

para otro tipo de adhesivo. Y en segundo lugar, si el criterio cumplía con

este adhesivo, determinar si un cambio en alguno de los parámetros

influía en el criterio, es decir, si el criterio podría ser valido para otros

espesores de adhesivo u otras rugosidades de los sustratos.



Se realizaron cuatro repeticiones de las pruebas con los diferentes

parámetros, los resultados obtenidos se muestran en la tabla 9.

FACTORES RESPUESTAS MEDIDAS

X1 X2 X3 PRUEBA

1

PRUEBA 2 PRUEBA3 PRUEBA 4

0 0 0 419,59 2222,66 1886,5 3753,9100

0 0 1 3334,22 1716,69 1684,19 780,3750

0 0 2 475,31 1114,31 660,594 390,5000

0 1 0 2236,25 2160,78 2911,56 0

0 1 1 2196,56 2298,59 2793,59 688,688

0 1 2 962,56 3604,69 2182,19 1396,75

0 2 0 4539,69 6230,94 3227,34 3450,78

0 2 1 1212,31 2353,59 3707,66 3549,22

0 2 2 3166,25 4126,41 3227,03 2480,78

1 0 0 2717,97 2924,22 2722,81 3240,94

1 0 1 4033,28 2804,69 507 753,906

1 0 2 1734,31 2317,03 1434,38 990,188

1 1 0 2313,75 1593,88 725 657,531

1 1 1 3678,44 3771,72 1796,56 1291,060

1 1 2 5238,75 3625,94 2198,75 2974,220

1 2 0 4206,09 6071,25 3509,22 3147,97

1 2 1 4812,5 6195 3572,97 2116,56

1 2 2 5935,63 4349,38 2614,38 5086,88

Tabla 9.- Valores de las pruebas de tensión a probetas de doble traslape

con adhesivo estructural.

Con el fin de determinar si el criterio propuesto se podría utilizar en otro

tipo de adhesivos, se utilizaron los datos obtenidos en las pruebas en las

que el espesor del adhesivo, la longitud del adhesivo y la rugosidad en



los sustratos son iguales a las utilizadas en los experimentos originales.

Por lo tanto, con los datos obtenidos para las pruebas con baja

rugosidad, un espesor de adhesivo de 0.5 mm y longitud de adhesivo de

10, 15 y 20 mm, se realizó el análisis por elemento finito para

determinar el valor de los esfuerzos que se presentan en la interface

adhesivo sustrato. Los valores obtenidos se incluyeron el la gráfica de la

comparación de los esfuerzos para determinar si con el adhesivo

estructural se podría seguir utilizando el criterio obtenido. En la figura

3.19 se tienen los valores del criterio y las pruebas para los dos tipos de

adhesivos. Como se observa en la figura 3.19 los valores de los

esfuerzos del adhesivo estructural con un espesor de 0.5 mm y con una

rugosidad baja en las superficies, se pueden considerar como que

cumplen con el criterio propuesto. Por lo tanto, el criterio propuesto se

puede utilizar para el adhesivo Sikadure 32 gel con las características de

la unión mencionadas.

Figura 3.19.- Comparación de esfuerzos obtenidos experimentalmente

de los dos adhesivos y la envolvente de falla.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 2 4 6 8 10 12 14

Esfu

erz

o c

ort

ante

(M

Pa)


Desv máxima d = 3

Esfuerzos analíticos Tipo I Tipo II Tipo III Sikadure



Una vez que se determinó que el criterio propuesto se puede utilizar

para el adhesivo estructural, se procedió a determinar si al realizar

algún cambio en los parámetros de la intefase el criterio seguía siendo

valido. Por lo tanto, para las mismas condiciones de longitud y espesor

de adhesivo, pero con mayor rugosidad, se realizó el análisis de

elementos finitos con las cargas obtenidas experimentalmente y se

determinaron los esfuerzos presentes en la interface. Se compararon

con los obtenidos con el adhesivo frágil, en la figura 3.20 se observan

los resultados de la envolvente de falla calculada, los valores de los

esfuerzos del adhesivo frágil y los del adhesivo estructural con una

rugosidad de sustratos mayor. Se puede observar en la figura 3.20 que

los resultados de las pruebas del adhesivo estructural Sikadure

resultaron con mucha dispersión, lo cual complica el poder determinar si

el criterio se puede aplicar al variar la rugosidad de los sustratos. Sin

embargo, se puede observar en la misma figura que para dos de las

condiciones la combinación de esfuerzos da muy alejados de la

envolvente, lo que nos indicaría que el criterio no se puede utilizar para

esta condición.



Figura 3.20 Comparación de esfuerzos obtenidos experimentalmente del

adhesivo frágil, el adhesivo estructural con en sustratos con mayor

rugosidad y la envolvente de falla.

Otro parámetro que se estudió para determinar si el criterio se podría

ser aplicado fue el espesor del adhesivo, se realizaron pruebas con

diferentes espesores de adhesivo, se usaron dos espesores de adhesivo

diferentes al usado en el criterio, los espesores son de 1 y 1.5 mm. La

figura 3.21 muestra los resultados de los esfuerzos para los diferentes

espesores y la envolvente de falla.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 2 4 6 8 10 12 14

Esfu

erz

o c

ort

ante

(M

Pa)


Desv máxima d = 3 con rugosidad

Esfuerzos analíticos Tipo I Tipo II Tipo III Sikadure



Figura 3.21 Comparación de esfuerzos obtenidos experimentalmente

para diferentes espesores de adhesivo con rugosidad baja.

Se observa en la figura 3.21 que al incrementar el espesor del adhesivo

los esfuerzos de interface disminuyen, por lo que el criterio propuesto no

se puede aplicar para diferentes espesores de adhesivo.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 2 4 6 8 10 12 14

Esfu

erz

o c

ort

ante

(M

Pa)


Desv máxima d = 3 diferentes espesores

Esfuerzos analíticos

Tipo I

Tipo II

Tipo III

1 mm de espesor

1.5 mm espesor

[Escriba texto]

[Escriba texto]

Capitulo III.- Análisis Experimental 85


Conclusiones.-

En el presente trabajo se pudo obtener fallas de interface del tipo frágil

en diferentes tipos de pruebas mecánicas. Se realizaron tres diferentes

tipos de pruebas mecánicas, de las cuales se obtuvieron las fuerzas

presentes en la unión entre adhesivo y sustrato. Con las fuerzas

obtenidas en los tres tipos de pruebas se pudo determinar por medio de

análisis de elementos finitos los esfuerzos que se presentan en las

interfaces de unión adhesivo – sustrato. Basados en los valores de los

esfuerzos calculados se obtuvo una ecuación para la predicción de la

falla tipo frágil del ensamble, se obtuvieron buenas predicciones con la

ecuación.

Se determino la forma en que influye la longitud de la superficie de

adhesivo sobre la carga máxima que soporta el ensamble. Así mismo, se

determinó que los pequeños defectos que se pudieran llegar a presentar

en la realización de los ensambles, no presentan una influencia en los

esfuerzos de interface al momento de realizar el análisis por elemento

finito.

Se desarrollo un dispositivo mediante el cual se puede aplicar paras de

carga tensión – torsión sobre probetas cilíndricas

Capitulo III.- Análisis Experimental 86


Referencias.-

[1] Handbook of adhesives and sealants. Edward M. Petrie. Ed McGraw-

Hill 2000.

[2] AWS Subcommittee of Definitions. Classification of the Welding

Processes, Welding Journal 1976.

[3] M. Madrid V. “Seminario sobre adhesivos” Loctite Henckel, pp-7-8

J.E. Shigley y C.R. Mischke, “Diseño en Ingeniería Mecánica”, McGraw

Hill 2002.

[4] B.J. Hamrock, B. Jacobson y S.R. Schmid, “Elementos de Máquinas”,

McGraw Hill 2000

[5] M.F. Spotts y T.E. Shoup, “Elementos de Máquinas”, Prentice Hall

1998.

[6] Measurements Group Product Binder. UTN-FRBB Cátedra: Elementos

de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan. 2004

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Experimentos y Predicciones de Fallas en Uniones Adhesivas · · 2016-10-26Experimentos y Predicciones de Fallas en Uniones Adhesivas ... 3.14 Distribución típica de los esfuerzos