Tesis doctoral de Jorge Alonso Zahr Viñuela
En esta tesis doctoral se estudia el comportamiento mecánico de los materiales compuestos de matriz metálica y refuerzo de partículas cerámicas (pmmcs). En su mayor parte, el método empleado consiste en el análisis de celdas multipartícula por el método de los elementos finitos, aunque en algunos aspectos, se ha complementado sus resultados mediante el uso de determinados modelos analíticos seleccionados de la literatura. los aspectos del comportamiento mecánico de pmmcs estudiados en este trabajo fueron, esencialmente tres: (a) la determinación de constantes elásticas efectivas a partir de las propiedades de las fases y de información microestructural, (b) el comportamiento efectivo en régimen elásto-plástico cuando una de las fases del material compuesto posee este tipo de comportamiento y, finalmente, (c) la influencia que los eventos de decohesión entre matriz y partículas tienen sobre la respuesta mecánica efectiva del material. como herramienta operacional, se ha desarrollado un algoritmo para la generación de distribuciones aleatorias de partículas prismáticas en el espacio tridimensional, permitiendo el control por parte del usuario de parámetros microestructurales como la fracción volumétrica de refuerzo y la esbeltez de las partículas, así como el grado de aleatoriedad de su orientación y de variabilidad de su tamaño. La decisión de considerar partículas de geometría prismática surge del interés de incorporar en los modelos, de algún modo, el efecto de concentración de tensiones asociado a la presencia de aristas en las partículas. mediante este modelo de celdas multipartícula, usado en conjunto con el método de los elementos finitos, se han obtenido valores de las constantes elásticas efectivas de un compuesto formado por una matriz de aleación de aluminio reforzado con partículas cerámicas de carburo de silicio, considerando diferentes escenarios microestructurales. Estos escenarios reflejan diferentes combinaciones de esbeltez de partícula, fracción volumétrica de refuerzo y aleatoriedad de orientación, lo que permitió estudiar tanto materiales isótropos como transversalmente isótropos. los resultados así obtenidos fueron extendidos mediante la ecuación de halpin-tsai, desde los valores puntuales considerados para la fracción volumétrica en los modelos hasta un rango continuo de hasta 30%. Para el parámetro principal que interviene en esta ecuación puede encontrarse en la literatura algunos valores aplicables a un conjunto específico de escenarios microestructurales. Por una parte, en el presente trabajo se ha revisado la validez de los valores utilizados en la literatura. Por otra, se aportan valores nuevos, aplicables a escenarios microestructurales que no tenían descripción previa. en pmmcs, usualmente es la fase matriz la única que, en determinados casos, exhibe un comportamiento no lineal, con deformación plástica y endurecimiento por deformación. Así, en el caso del estudio del comportamiento elasto-plástico de este tipo de materiales, el trabajo se centra en los siguientes aspectos. En primer lugar, se ha descrito el estado tenso-deformacional interior del compuesto cuando se impone sobre el material una solicitación mecánica macroscópica de tipo uniaxial. En segundo lugar, se ha buscado establecer una relación fenomenológica entre la curva de endurecimiento de la fase matriz y la curva de endurecimiento del compuesto. En tercer lugar, se ha estudiado, para la misma solicitación de tracción uniaxial, la evolución durante la historia de deformación de determinadas variables energéticas. Esto permitió describir un efecto de confinamiento energético, asociado a la deformación plástica de la fase matriz, que es responsable de la producción de tensiones residuales cuyo origen no es térmico, sino puramente mecánico. Estos estudios se realizaron por medio del análisis numérico de celdas multipartícula. adicionalmente, ha interesado en esta tesis, disponer de un método analítico para estimar la respuesta mecánica efectiva (y no lineal) cuando la matriz tiene una respuesta no lineal y las partículas son prismáticas. En la literatura, esto se ha realizado frecuentemente en el contexto de la elasticidad no lineal, mediante el modelo de homogeneización secante, ya sea en su versión clásica o modificada, para el caso de compuestos reforzados con esferas o elipsoides. Se propone en este trabajo una implementación particular del método secante aplicable a compuestos con partículas prismáticas y cuyas fases constituyentes tienen una respuesta elástica isótropa. el estudio de la influencia del daño por decohesión entre la matriz y las partículas sobre la respuesta efectiva del material compuesto, se realizó situando en las interfases de los modelos numéricos de celda, elementos finitos cuyo comportamiento constitutivo obedece al modelo de fisura cohesiva, de amplia descripción en la literatura. En este caso, debido al coste computacional y dado que el interés residía en una descripción cualitativa, las simulaciones se realizaron utilizando celdas bidimensionales, tanto en tensión como deformación plana. Además de efectuarse una revisión de algunos elementos conceptuales de la mecánica del daño, relacionando la degradación de la rigidez material con el trabajo disipado en un proceso de daño, en este estudio se describió detalladamente el modo en el que la decohesión degrada tanto el límite elástico como el módulo de young del material compuesto, no sólo a través de la nucleación inicial de poros asociada a la decohesión, sino también por el subsiguiente crecimiento de los mismos.
Datos académicos de la tesis doctoral «Comportamiento mecánico de materiales compuestos de matriz metálica y refuerzo de partículas. un enfoque basado en celdas multipartícula«
- Título de la tesis: Comportamiento mecánico de materiales compuestos de matriz metálica y refuerzo de partículas. un enfoque basado en celdas multipartícula
- Autor: Jorge Alonso Zahr Viñuela
- Universidad: Carlos III de Madrid
- Fecha de lectura de la tesis: 28/06/2010
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- José Luis Pérez Castellanos
- Tribunal
- Presidente del tribunal: José Fernández sáez
- federico París carballo (vocal)
- filipe Teixeira dias (vocal)
- alfonso Fernandez canteli (vocal)
