Microestructura, propagación y emisión acústica de grietas en dos papeles de celulosa

D. Aguirre, J. Aldaco y M. Hinojosa

Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad Autónoma de Nuevo León, Av. Universidad S/N, Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, Apartado Postal 076 F, NL 66450, México, e-mail: danadanielaa@live.com.mx; jaldaco@gama.fime.uanl.mx; hinojosamoises@yahoo.fr

Received 25 August 2014. ]]> Accepted 15 April 2015.

Resumen

Se realiza un estudio comparativo de la propagación de grietas en dos tipos de papel, monitoreando el avance de las grietas así como la señal de emisión acústica, considerando el posible efecto de la estructura del material. Los papeles estudiados fueron una variante de papel Bond identificada como "papel Alrey" y un papel tratado químicamente que se conoce comercialmente como "papel Calca". Se caracterizó la microestructura encontrando que en el primer caso está consistió en microfibras relativamente largas mientras que en el segundo, cómo resultado del tratamiento químico en su manufactura, las microfibras fueron más pequeñas y unidas de manera continua, estas diferencias generaban que el Alrey fuera más poroso y menos homogéneo que el Calca. El análisis de imágenes de la fractura generada por tracción en estos papeles, en muestras con muesca, facilitó apreciar, en las puntas de las grietas, dos diferentes escenarios: En el Alrey, se produjeron microagrietamientos que ocasionalmente originaban ramificaciones de la grieta principal, en tanto que en el Calca prácticamente no se generaron grietas secundarias. La dinámica de crecimiento en ambos casos inicia con una pronunciada aceleración de la grieta, seguida de un período de crecimiento controlado, finalizando con otra prominente aceleración. Este comportamiento se ajusta al modelo de haces de fibras (Fiber Bundle Model), aunque se observa un comportamiento con mayor dispersión en el papel Alrey respecto del Calca, que se puede asociar al efecto de la estructura, ya que en el papel Calca, la estructura más continua y menos aleatoria hace que no se presenten grietas secundarias en forma significativa. El análisis estadístico de los parámetros del tiempo de espera entre los eventos de emisión acústica, wt_EA, y de la energía de los eventos de emisión acústica, s_EA, generados por la deformación y posterior fractura del Alrey y del Calca, permitió corroborar que se tenían comportamientos típicos de leyes de potencia: Tipo Omori para los tiempos de espera, con α = 1.46 ± 0.05 y α = 1.27 ± 0.05, para el papel Alrey y Calca, respectivamente; y tipo Gutenberg-Richter para la energía de los eventos de EA, con β=1.8 ± 0.2 y β=2 ± 0.2 para el papel Alrey y Calca, respectivamente. Los valores significativamente diferentes de α en la ley de Omori, parecen reflejar el efecto de las diferencias en los mecanismos de fractura como resultado de las diferencias microestructurales, sobre la estadística de los tiempos de espera. Por otra parte, no es claro que exista un efecto de la microstructura en el exponente β de la ley de Gutenberg-Richter.

Palabras clave: Propagación de grietas; fractura bidimensional; estructura del papel; emisión acústica; ley de Omori; ley de Gutenberg-Richter.

Abstract

We report the comparative study of crack propagation on two types of paper by monitoring both the crack advance and the acoustic emision signal while considering the possible effect of the structure of the materials.The papers studied were a type of Bond paper identified as "Alrey paper" and a chemically treated paper known as "tracing paper". The microstructure was characterized and it was found that in the first case it exhibited relatively long microfibers whereas in the second case, as a result of the chemical treatment during its maufacture, the microfibers were shorter and appeared arranged in a continous way, the Alrey paper exhibited more porosity and was less homogeneous. Image analysis of the tension fracture for both paper using notched specimens resulted in two scenarios related to the microstructural differencies: In the Alrey, microcraking was produced and ocassionally this resulted in crack branching whereas in the tracing paper secondary cracks were nearly absent. In both cases, the crack growth dynamics starts with a steep acceleration followed by a steady stage, finishing with a prominent acceleration. This behavior is consistent with the Fiber Bundle Model, though a behavior with more dispersion was observed for the Alrey paper, this can be associated to the effect of the microstructure, since in the tracing paper the structure is more continuous and less random, thus preventing significant secondary cracks. The statistical analysis of waiting times between the acoustic emission events, wt_EA, and the energy of these events, s_EA, generated by the deformation and fracture of both papers corroborated that the behaviors correspond to power laws: Omori-type for the waiting times, with α=1.46 ± 0.05 and α= 1.27 ± 0.05 for the Alrey and tracing papers, respectively and Gutenberg-Richter-type for the energy of the AE events, with β=1.8 ± 0.2 and β= 2 ± 0.2, for the Alrey and tracing papers, respectively. The statistically different α exponents for the Omori law appear to reflect the effect of the different fracture mechanism as a result of the microstructural differences on the distributions of waiting times. On the other hand, the effect of the microstructure on the β exponents in the Gutenberg-Richter law is not clear.

Keywords: Crack propagation; bidimensional fracture; paper structure; acoustic emission; Omori law; Gutenberg-Richter law.

PACS: 81.70.Bt; 46.50.+a

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