Estudio-de-uniones-mecanicas-para-la-industria-automotriz

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO 
PROGRAMA DE MAESTRÍA Y DOCTORADO EN INGENIERÍA 
 INGENIERIA MECÁNICA– AUTOMOTRIZ 
 
 
 
 
 
ESTUDIO DE UNIONES MECÁNICAS PARA LA INDUSTRIA AUTOMOTRIZ 
 
 
 
TESIS 
QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE: 
DOCTOR EN INGENIERÍA 
 
 
 
PRESENTA: 
 
 
CELSO EDUARDO CRUZ GONZÁLEZ 
FIRMA 
 
 
 
 
TUTOR PRINCIPAL 
DR. SAUL DANIEL SANTILLÁN GUTIERREZ, FACULTAD DE INGENIERÍA 
DR. ARMANDO ORTÍZ PRADO, FACULTAD DE INGENIERÍA 
DR. JUAN GENESCÁ LLONGUERAS, FACULTAD DE INGENIERÍA 
DR. ARTURO BARBA PINGARRÓN, FACULTAD DE QUÍMICA 
DR. PEDRO GONZÁLEZ GARCÍA, CONACYT 
 
 
 
 MARZO 2018 
Veronica
Texto escrito a máquina
CD.MX.
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
Restricciones de uso 
 
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respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
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JURADO ASIGNADO: 
 
 
 
 
Presidente: Dr. Juan Genescá Llongueras 
 
Secretario: Dr. Armando Ortiz Prado 
 
Vocal: Dr. Saúl Daniel Santillán Gutiérrez 
 
1 er. Suplente: Dr. Arturo Barba Pingarrón 
 
2 d o. Suplente: Dr. Pedro González García 
 
UNAM Campus Juriquilla Querétaro 
Dr. Saúl Daniel Santillán Gutiérrez 
 
NOMBRE 
 
 
 
-------------------------------------------------- 
FIRMA
Veronica
Texto escrito a máquina
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Dedicatoria 
A mi esposa e hijas, a mis padres y hermanos, así como a los insurgentes mexicanos, los 
héroes de la reforma e intervención francesa, a los revolucionarios de México y en general a 
todos los hombres y mujeres que han luchado, luchan y lucharán por heredar un mundo y un 
México mejor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Agradecimientos 
A México y su gente, por las instituciones que me dieron la oportunidad de educarme y 
conocer el mundo. A mi familia, por el apoyo moral y económico en todos esos momentos 
de persecución, enfermedad y lucha. Al Dr. Saúl Santillán, por darme la oportunidad y la 
confianza al ser su alumno. Al Dr. Hugo Gámez, por creer en mí y darme las oportunidades 
negadas por tantos años. A los Doctores Arturo Barba, Pedro González García y Joan 
Genescá, por los sabios concejos, las oportunas llamadas de atención, las sugerencias de 
ingeniería y su infinita calidad humana. A mis compañeros de armas, Eneftalí Flores, Darío 
Bringas, Héctor Gala, Martha García, Daniel Mosquera y Andrés Castillo, por todo el apoyo 
y solidaridad tanto en triunfos como derrotas. 
 
 
Salud y Libertad 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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INDICE 
1.0 Introducción. 18 
1.1 Las uniones adhesivas ............................................................................................................. 18 
1.2 Planteamiento del problema .................................................................................................... 22 
1.3 Justificación ............................................................................................................................. 24 
1.4 Objetivo y objetivos específicos ............................................................................................. 24 
Objetivos específicos .................................................................................................................... 24 
1.5 Hipótesis .................................................................................................................................. 26 
1.6 Antecedentes ........................................................................................................................... 27 
1.7 Referencias .............................................................................................................................. 31 
2.0 Marco Teórico ............................................................................................................................. 37 
2.1 Teorías de adhesión ................................................................................................................. 40 
2.2 Diseño de la unión adhesiva .................................................................................................... 42 
2.3 Tipos de adhesivos .................................................................................................................. 43 
2.4 Aplicaciones de los adhesivos estructurales en la industria .................................................... 45 
2.5 Referencias. ............................................................................................................................. 46 
3.0 MATERIALES Y MÉTODOS. .................................................................................................. 49 
3.1 Materiales empleados para el estudio. ..................................................................................... 49 
3.2 Preparación de los cupones de prueba. .................................................................................... 49 
3.2.1 Acabado superficial de las probetas. .................................................................................... 50 
Acero al carbono HSLA DUAL-TEN® 590/600. ..................................................................... 50 
Aluminio 356 en fundición. ...................................................................................................... 50 
Laminado de fibra de carbono unidireccional. .......................................................................... 50 
3.2.5 Análisis de la morfología de la superficie del sustrato antes de la adhesión por microscopía 
electrónica de barrido (SEM). ....................................................................................................... 52 
3.2.6 Unión y curado de las probetas para cada adhesivo. ............................................................ 52 
3.2.7 Caracterización de los sustratos y adhesivos. ....................................................................... 53 
3.2.7.1 Análisis químico por emisión óptica del acero y el aluminio. ...................................... 53 
3.2.7.2 Análisis químico por espectrometría infrarroja (IR) en los adhesivos. ......................... 53 
3.2.7.3 Ensayo de tensión o tracción y extensometría para determinación de propiedades 
mecánicas del acero y aluminio. ............................................................................................... 54 
3.2.7.4 Ensayo de tensión o tracción y extensometría para determinación de propiedades 
mecánicas del laminado de fibra de carbono. ............................................................................ 54 
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3.3 Diseño estadístico de experimentos medición del esfuerzo cortante (SLST) y caracterización 
de tipo de fractura. ......................................................................................................................... 55 
3.3.1 Unión acero al carbono 590-aluminio en fundición 356. ................................................. 55 
3.3.2 Unión acero al carbono 590-aluminio 6061-T6. .............................................................. 56 
3.3.3 Unión acero al carbono 590-fibra carbono unidireccional. .............................................. 56 
3.4 Ensayo de flexión en tres puntos. ............................................................................................ 57 
3.5 Inspección post-fractura. .........................................................................................................58 
3.5.1 Inspección por medio de microscopía óptica. ...................................................................... 58 
3.5.2 Observaciones por medio de microscopía electrónica de barrido (SEM). ........................... 59 
3.6 Ensayo de Fatiga. .................................................................................................................... 59 
3.7 Análisis de esfuerzos. .............................................................................................................. 59 
3.8 Simulación por elemento finito. .............................................................................................. 60 
3.9 Referencias .............................................................................................................................. 63 
4.0 RESULTADOS (ACERO FASE DUAL-ALUMINIO 356) ...................................................... 67 
4.1 Angulo de contacto.................................................................................................................. 67 
4.1.1 Angulo de contacto para los sustratos de acero 590-aluminio 356. ................................. 67 
4.2. Topografía. ............................................................................................................................. 68 
4.2.1 Topografía de acero 590-aluminio 356 en fundición. ...................................................... 68 
4.3. Morfología. ............................................................................................................................. 72 
4.3.1 Acero DP-aluminio 356. .................................................................................................. 72 
4.4.1 Análisis químico por emisión óptica del acero DP y aluminio 356. .................................... 74 
4.4.2 Análisis químico por infrarrojos de los adhesivos. .............................................................. 74 
4.4.3 Pérdida de masa por termo-gravimetría (TGA) de los adhesivos. ....................................... 77 
4.5 Propiedades mecánicas de los sustratos metálicos. ................................................................. 79 
4.6 Propiedades mecánicas de los adhesivos................................................................................. 79 
4.7 Resultado del diseño de experimentos y esfuerzo de corte junta acero DP-aluminio 356. ..... 80 
4.8 Resultado de la prueba de flexión en tres puntos (acero DP-aluminio 356). .......................... 85 
4.9 Medición de esfuerzos y extensometría. ................................................................................. 91 
4.10 Simulación por medio de elementos finitos. ......................................................................... 97 
4.11 Ensayo de fatiga. ................................................................................................................. 114 
4.12 Inspección post fractura. ..................................................................................................... 117 
4.12.1 Inspección visual .......................................................................................................... 117 
4.12.1 Observaciones por medio del microscopio electrónico de barrido (SEM). .................. 118 
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4.12.2.1 Pruebas a cortante. ..................................................................................................... 118 
4.0a RESULTADOS (ACERO FASE DUAL-ALUMINIO 6061 T6) ........................................... 127 
4.1a Angulo de contacto. ............................................................................................................. 127 
4.1.1a Angulo de contacto para los sustratos de acero 590-aluminio 6061 T6. ...................... 127 
4.2a. Topografía. ............................................................................................................................. 128 
4.2.1a Topografía de acero 590-aluminio 6061-T6 laminado. .................................................... 128 
4.3a. Morfología. ............................................................................................................................. 132 
4.3.1a Morfología del aluminio laminado anodizado natural, duro y negro. .............................. 132 
4.4.1a Análisis químico por emisión óptica del acero DP y aluminio 6061T6. .......................... 134 
4.4.3a Pérdida de masa por termo-gravimetría (TGA) de los adhesivos. .................................... 135 
4.5a Propiedades mecánicas de los sustratos metálicos. ............................................................. 135 
4.6a Propiedades mecánicas de los adhesivos. ............................................................................ 136 
4.7a Resultado del diseño de experimentos y esfuerzo de corte junta acero DP-aluminio 6061T6.
 ..................................................................................................................................................... 137 
4.8a Resultado de la prueba de flexión en tres puntos (acero DP-aluminio 6061T6). ................ 151 
4.9a Medición de esfuerzos y extensometría............................................................................... 158 
4.10a Simulación por medio de elementos finitos. ..................................................................... 165 
4.11a Ensayo de fatiga. ............................................................................................................... 182 
4.12a Inspección post fractura. .................................................................................................... 187 
4.12.1a Inspección visual ........................................................................................................ 187 
4.12.1a Observaciones por medio del microscopio electrónico de barrido (SEM). ................ 188 
4.12.2.1a Pruebas a cortante. ................................................................................................... 188 
4.0b RESULTADOS (ALUMINIO 6061 T6-LAMINADO DE FIBRA DE CARBONO). ........... 203 
4.1b Angulo de contacto.............................................................................................................. 203 
4.1.1b Angulo de contacto para los sustratos de aluminio 6061 T6-laminado de fibra de carbono.
 ................................................................................................................................................. 203 
4.2b Topografía. .......................................................................................................................... 204 
4.2.1b Topografía de aluminio 6061T6 y fibra de carbono unidireccional. ............................ 204 
4.3b Morfología. ...................................................................................................................... 209 
4.3.1b Morfología del laminado de fibra de carbono unidireccional. ..................................... 209 
4.4.1b Análisis químico por emisión óptica del aluminio 6061T6.............................................. 213 
4.4.2b Análisis químico dinámico mecánico (DMA). ................................................................. 214 
4.5 Propiedades mecánicas de los sustratos. ............................................................................... 214 
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4.6b Propiedades mecánicas de los adhesivos. ............................................................................ 215 
4.7b Resultado del diseño de experimentos y esfuerzo de corte junta aluminio 6061-T6-Fibra de 
carbono unidireccional. ............................................................................................................... 215 
4.8a Resultado de la prueba de flexión en tres puntos (aluminio 6061TG-Fibra de carbono). ... 219 
4.9b Medición de esfuerzos y extensometría. ............................................................................. 224 
4.10b Simulación por mediode elementos finitos. ..................................................................... 225 
4.11b Ensayo de fatiga. ............................................................................................................... 228 
4.12b Inspección post fractura. ................................................................................................... 228 
4.12.1b Inspección visual ........................................................................................................ 228 
4.12.2b Observaciones por medio del microscopio electrónico de barrido (SEM). ................ 229 
5.0 DISCUSIÓN. ............................................................................................................................ 232 
5.1 Referencias ............................................................................................................................ 238 
6.0 CONCLUSIONES .................................................................................................................... 243 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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INDICE DE FIGURAS 
CAPITULO 1. 
Figura 1.Publicaciones científicas sobre adhesivos reportadas por Scopus. ..................................... 19 
Figura 2.Distribución de las publicaciones científico-tecnológicas sobre Adhesión y adhesivos. ... 20 
CAPITULO 2 
Figura 1.Esquema de las teorías de adhesión donde 1) de adsorción, 2) de difusión, 3) mecánica y 4) 
electrostática [8]. ............................................................................................................................... 40 
Figura 2.Ejemplos de humectabilidad a) la superficie humecta y b) la superficie no humecta [9]. .. 41 
Figura 3. Ejemplos de uniones adhesivas adecuadas para diseño de láminas de acero unidas [9]. .. 42 
Figura 4. Representación esquemática de las juntas recomendadas para la realización de uniones 
adhesivas [12]. ................................................................................................................................... 43 
Figura 1. Determinación de momento en unión adhesiva. ................................................................ 58 
Figura 2. Esquema de probeta D1002 utilizada para la simulación de elemento finito (dimensiones en 
mm). .................................................................................................................................................. 60 
Figura 3. Acercamiento a tres volúmenes de la unión adhesivo de 12.5mm de traslape, aluminio 356 
(3.9mm de espesor) y acero fase dual (2.9mm de espesor). .............................................................. 61 
Figura 4. Esquema tridimensional de la junta explosionada para la unión adhesivo de 12.5mm de 
traslape, aluminio 356 (3.9mm de espesor) y acero fase dual (2.9mm de espesor). ......................... 61 
CAPITULO 4 
Figura 1. Resultados de ensayo de medición de ángulo para sustratos de acero preparados con lija 80, 
320, limpieza y aluminio en fundición preparado con lija 80. .......................................................... 68 
Figura 2. Gráfico bidimensional de la ondulación para el acero DP y el aluminio 356. ................... 69 
Figura 3. Micrografías del acabado superficial generadas por la lija 80 con 15kV de potencia, 
electrones secundarios, distancia de trabajo de 9.7mm y magnificaciones de a) 500x y b) 1000x. .. 72 
Figura 4. Micrografías del acabado superficial generadas por la lija 320 con 15kV de potencia, 
electrones secundarios, distancia de trabajo de 9.6mm y magnificaciones de a) 500x y b) 1000x. .. 73 
Figura 5. Micrografías del acabado superficial generadas por el acabado superficial del acero limpio 
con 15kV de potencia, electrones secundarios, distancia de trabajo de 9.6mm y magnificaciones de 
a) 500x y b) 1000x. ........................................................................................................................... 73 
Figura 6. Micrografías del acabado superficial generadas por del aluminio acabado superficial con 
lija 80 con 15kV de potencia, electrones secundarios, distancia de trabajo de 9.6mm y 
magnificaciones de a) 500x y b) 1000x. ........................................................................................... 74 
Figura 7. Análisis infrarrojo del MP55420 curado............................................................................ 75 
Figura 8. Análisis infrarrojo del DC-80 curado. ............................................................................... 76 
Figura 9. Análisis infrarrojo del Betamate 120 curado. .................................................................... 77 
Figura 10. Curvas de pérdida de masa para el adhesivo a) MP55420, b) DC-80 y c) Betamate 120.
 ........................................................................................................................................................... 78 
Figura 11. Gráficas esfuerzo-desplazamiento acero 590-aluminio 356. ........................................... 79 
Figura 12. Gráficas esfuerzo deformación de tres adhesivos. ........................................................... 80 
Figura 13. Gráficas de efectos principales para el esfuerzo cortante en MPa para los siete adhesivos 
y tres acabados superficiales. ............................................................................................................ 84 
Figura 14. Gráfica de interacciones para el esfuerzo cortante en MPa para los siete adhesivos y tres 
acabados superficiales. ...................................................................................................................... 85 
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Figura 15. Prueba de flexión en tres puntos para unión adhesiva acero DP-aluminio 356 (MP55420).
 ........................................................................................................................................................... 86 
Figura 16. Prueba de flexión en tres puntos para unión adhesiva acero DP-aluminio 356 (Betamate 
120). .................................................................................................................................................. 87 
Figura 17. Gráficos carga-desplazamiento de las uniones acero DP-aluminio 356 para a) traslape 
12.5mm y distancia entre apoyos de 30mm, b) traslape 12.5mm y distancia entre apoyos de 75mm, 
c) traslape 50.0mm y distancia entre apoyos de 60mm y d) traslape 50.0mm y distancia entre apoyos 
de 75mm. ........................................................................................................................................... 88 
Figura 18. Gráficos carga-desplazamiento de las uniones acero DP-aluminio 356 para a) Betamate 
120 con 50.0mm de traslape y 75mm de distancia entra apoyos y b) DC-80 con 50.0 mm de traslape 
y 75mm de distancia entra apoyos. ................................................................................................... 89 
Figura 19. Distribución de momento máximo y en la arista del filete de adhesivo por cada longitud 
de traslape y distancia entre apoyos de la junta de acero DP-aluminio 356. ..................................... 91 
Figura 20. Gráfica carga desplazamiento para adhesivo Betamate 120 donde se muestra la progresión 
de daño en la pro beta a 10s, 30s, 50s y 68s. ..................................................................................... 92 
Figura 21. Gráfica carga desplazamiento para adhesivo DC-80 donde se muestra la progresión de 
daño en la pro beta a 10s, 65s y 68s. ................................................................................................. 93 
Figura 22. Gráfica carga desplazamiento para adhesivo MP55420 donde se muestra la progresión de 
daño en la pro beta a 10s, 30s y 73s. ................................................................................................. 94 
Figura 23. Gráfica carga-deformación para los adhesivos, a) MP55420, b) Betamate 120y c) DC-80 
Figura 24. Deformaciones generadas en los adherendos. ................................................................. 97 
Figura 25. Simulación bidimensional del esfuerzo cortante para adhesivo MP55420. ..................... 98 
Figura 26. Simulación bidimensional del esfuerzo normal para adhesivo MP55420. ...................... 98 
Figura 27. Simulación bidimensional de la deformación elástica para adhesivo MP55420. ............ 99 
Figura 28. Simulación bidimensional de la deformación plástica para adhesivo MP55420. ............ 99 
Figura 29. Simulación bidimensional del esfuerzo cortante para adhesivo Betamate 120. ............ 100 
Figura 30. Simulación bidimensional del esfuerzo normal para adhesivo Betamate 120. .............. 101 
Figura 31. Simulación bidimensional de la deformación elástica para adhesivo Betamate 120. .... 101 
Figura 32. Simulación bidimensional del esfuerzo cortante para adhesivo DC-80. ....................... 102 
Figura 33. Simulación bidimensional del esfuerzo normal para adhesivo DC-80. ......................... 103 
Figura 34. Simulación bidimensional de la deformación elástica para adhesivo DC-80. ............... 103 
Figura 35. Simulación bidimensional del esfuerzo cortante para adhesivo MP55420. ................... 104 
Figura 36. Simulación bidimensional del esfuerzo normal para adhesivo MP55420. .................... 105 
Figura 37. Simulación bidimensional de la deformación elástica para adhesivo MP55420. .......... 105 
Figura 38. Simulación bidimensional de la deformación plástica para adhesivo MP55420. .......... 106 
Figura 39. Simulación bidimensional del esfuerzo cortante para adhesivo Betamate 120. ............ 107 
Figura 40. Simulación bidimensional del esfuerzo normal para adhesivo Betamate 120. .............. 107 
Figura 41. Simulación bidimensional de la deformación plástica para adhesivo Betamate 120. .... 108 
Figura 42. Simulación bidimensional del esfuerzo cortante para adhesivo DC-80. ....................... 109 
Figura 43. Simulación bidimensional del esfuerzo normal para adhesivo DC-80. ......................... 109 
Figura 44. Simulación bidimensional de la deformación plástica para adhesivo DC-80. ............... 110 
Figura 45. Esfuerzo cortante normalizado para los adhesivos junta acero-aluminio (12.5mm de 
traslape). .......................................................................................................................................... 111 
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Figura 46. Esfuerzo normal normalizado para los junta acero-aluminio (12.5mm de traslape). .... 112 
Figura 47. Esfuerzo cortante normalizado para los adhesivos junta acero-aluminio (50.0mm de 
traslape). .......................................................................................................................................... 113 
Figura 48. Esfuerzo normal normalizado para los junta acero-aluminio (50.0mm de traslape). .... 114 
Figura 49. Probeta 5 del adhesivo MP55420, a) 5000 ciclos, b) 75000 ciclos, c) 143500 y d) fractura 
a 148780 ciclos. ............................................................................................................................... 115 
Figura 50. Esquema de inspección visual y análisis de imágenes para a) MP55420, b) DC-80, c) 2214 
y d) Betamate 120. .......................................................................................................................... 118 
Figura 51. Esquema de inspección visual y análisis de imágenes para los adhesivos de la junta acero.
 ......................................................................................................................................................... 118 
Figura 52. Fractografías SEM del MP55420 con 15kV de potencia, SEI y distancia de trabajo de 8mm 
a) 170x, b) 1000x, c) 2300x y 3300x. ............................................................................................. 119 
Figura 53. Fractografías SEM del Betamate 120 con 15kV de potencia, SEI y distancia de trabajo de 
9mm a) 23x, b) 300x, c) 500x y 2000x ........................................................................................... 120 
Figura 54. Fractografías SEM del DC-80 con 15kV de potencia, SEI y distancia de trabajo de 9mm 
a) 30x, b) 230x, c) 200x y 70x ........................................................................................................ 121 
Figura 55. Fractografías SEM del MP55420 con 15kV de potencia, SEI, 3000x y distancia de trabajo 
de 10mm a) zona del inicio de la falla y b) zona central. ................................................................ 122 
Figura 56. Fractografías SEM del Betamate 120 con 15kV de potencia, SEI, 3000x y distancia de 
trabajo de 10mm a) zona del inicio de la falla y b) zona central. .................................................... 122 
Figura 57. Fractografías SEM del DC-80 con 15kV de potencia, SEI, 3000x y distancia de trabajo de 
10mm a) zona del inicio de la falla y b) zona central. ..................................................................... 123 
Figura 58. Micrografías de la zona de filete para el MP55420, a) 270x, b) 850x, c) 900x y d) 7000x.
 ......................................................................................................................................................... 124 
Figura 59. Micrografías de la zona de filete del Betamate 120, a) 220x, b) 430x, c) 1200x y d) 1100x.
 ......................................................................................................................................................... 125 
Figura 60. Micrografías de la zona de filete del Lord (DC-80), a) 110x, b) 350x, c) 800x y d) 1100x.
 ......................................................................................................................................................... 126 
Figura 61. Resultados de ensayo de ángulo de contacto para sustrato con anodizado duro, natural y el 
acero. ............................................................................................................................................... 128 
Figura 62. Resultados de los perfiles de ondulación obtenidos por perfilometría acero 590-aluminio 
6061T6. ........................................................................................................................................... 129 
Figura 63. Micrografías del acabado superficial generadas por del aluminio anodizado natural con 
3kV de potencia, 4.4 mm de distancia de trabajo, electrones secundarios invertidos a magnificaciones 
de a) 50 000x y b) 100 000x. ........................................................................................................... 132 
Figura 64. Micrografías del acabado superficial generadas por del aluminio anodizado duro con 3kV 
de potencia, 4.4 mm de distancia de trabajo, electrones secundarios invertidos a magnificaciones de 
a) 50 000x y b) 100 000x. ............................................................................................................... 133 
Figura 65. Micrografías del acabado superficial generadas por del aluminio anodizado negro con 3kV 
de potencia, 4.4 mm de distancia de trabajo, electrones secundarios invertidos a magnificaciones de 
a) 50 000x y b) 100 000x. ............................................................................................................... 133 
Figura 66. Análisis infrarrojo del Betamate 2098 curado. .............................................................. 135 
Figura 67. Curvas de pérdida de masa para el adhesivo Betamate 2098. ...................................... 135 
12/243 
 
Figura 68. Gráficas esfuerzo-desplazamiento acero 590-aluminio 356. ......................................... 136 
Figura 69. Gráficas esfuerzo deformación de tres adhesivos. ......................................................... 137 
Figura 70. Gráficas de efectos principales para el esfuerzo cortante en kN para los ochoadhesivos, 
tres tipos de traslape, dos tipos de anodizados y dos temperaturas de curado. ............................... 150 
Figura 71. Gráficas de intervalos para la carga cortante en kN con las diferentes variables. ......... 151 
Figura 72. Prueba de flexión en tres puntos para unión adhesiva acero DP-aluminio 6061T6 
(Betamate). ...................................................................................................................................... 152 
Figura 73. Prueba de flexión en tres puntos para unión adhesiva acero DP-aluminio 356 (DC-80).
 ......................................................................................................................................................... 153 
Figura 74. Gráficos carga-desplazamiento de las uniones acero DP-aluminio 356 para a) traslape 
12.5mm y distancia entre apoyos de 30mm, b) traslape 12.5mm y distancia entre apoyos de 75mm, 
c) traslape 50.0mm y distancia entre apoyos de 60mm y d) traslape 50.0mm y distancia entre apoyos 
de 75mm. ......................................................................................................................................... 154 
Figura 75. Gráficos carga-desplazamiento de las uniones acero DP-aluminio 6061T6 para a) Betamate 
120 con 50.0 mm de traslape y 75mm de distancia entra apoyos y b) DC-80 con 50.0 mm de traslape 
y 75mm de distancia entra apoyos. ................................................................................................. 155 
Figura 76. Distribución de momento máximo y en la arista del filete de adhesivo por cada longitud 
de traslape y distancia entre apoyos de la junta de acero DP-Al6061T6. ....................................... 157 
Figura 77. Gráfico carga-tiempo-desplazamiento MP55420 12.5mm de traslape. ......................... 159 
Figura 78. Gráfico carga-tiempo-desplazamiento MP55420 50.0mm de traslape. ......................... 159 
Figura 79. Gráfico carga-tiempo-desplazamiento Betamate 120 12.5mm de traslape. ................... 160 
Figura 76. Gráfico carga-tiempo-desplazamiento Betamate 120 50.0mm de traslape. ................... 161 
Figura 81. Gráfico carga-tiempo-desplazamiento DC-80 12.5mm de traslape. .............................. 161 
Figura 82. Gráfico carga-tiempo-desplazamiento DC-80 50.0mm de traslape. .............................. 161 
Figura 83. Gráfica carga-deformación para los adhesivos, a) MP55420, b) Betamate 120 y c) DC-80. 
Figura 83. Gráfica carga-deformación para los adhesivos, a) MP55420, b) Betamate 120 y c) DC-80. 
Figura 85. Simulación bidimensional del esfuerzo cortante para adhesivo MP55420. ................... 166 
Figura 86. Simulación bidimensional del esfuerzo normal para adhesivo MP55420. .................... 167 
Figura 87. Simulación bidimensional de la deformación elástica para adhesivo MP55420. .......... 167 
Figura 88. Simulación bidimensional del esfuerzo cortante para adhesivo Betamate 120. ............ 168 
Figura 89. Simulación bidimensional del esfuerzo normal para adhesivo MP55420. .................... 169 
Figura 90. Simulación bidimensional de la deformación elástica para adhesivo Betamate 120. .... 169 
Figura 91. Simulación bidimensional del esfuerzo cortante para adhesivo Betamate 120. ............ 170 
Figura 92. Simulación bidimensional del esfuerzo normal para adhesivo MP55420. .................... 171 
Figura 93. Simulación bidimensional de la deformación elástica para adhesivo Betamate 120 ..... 172 
Figura 94. Simulación bidimensional del esfuerzo cortante para adhesivo MP55420. ................... 172 
Figura 95. Simulación bidimensional del esfuerzo normal para adhesivo MP55420. .................... 173 
Figura 96. Simulación bidimensional de la deformación plástica para adhesivo MP55420. .......... 173 
Figura 94. Simulación bidimensional del esfuerzo cortante para adhesivo Betamate 120. ............ 174 
Figura 95. Simulación bidimensional del esfuerzo normal para adhesivo Betamate 120. .............. 175 
Figura 96. Simulación bidimensional de la deformación plástica para adhesivo Betamate 120. .... 175 
Figura 100. Simulación bidimensional del esfuerzo cortante para adhesivo DC-80....................... 176 
Figura 101. Simulación bidimensional del esfuerzo normal para adhesivo DC-80. ....................... 177 
13/243 
 
Figura 102. Simulación bidimensional de la deformación plástica para adhesivo DC-80. ............. 177 
Figura 103. Esfuerzo cortante normalizado para los adhesivos junta acero-aluminio (12.5mm de 
traslape). .......................................................................................................................................... 178 
Figura 104. Esfuerzo normal normalizado para los junta acero-aluminio (12.5mm de traslape). .. 179 
Figura 105. Esfuerzo cortante normalizado para los adhesivos junta acero-aluminio (50.0mm de 
traslape). .......................................................................................................................................... 180 
Figura 106. Esfuerzo normal normalizado para los junta acero-aluminio (50.0mm de traslape). .. 181 
Figura 107. Curva S-N de adhesivo MP55420 de 12.7mm de longitud de traslape. ...................... 182 
Figura 108. Curva S-N de adhesivo Betamate 120 de 12.7mm de longitud de traslape. ................ 183 
Figura 109. Curva S-N de adhesivo DC-80 de 12.7mm de longitud de traslape. ........................... 184 
Figura 110. Curva S-N de adhesivo MP55420 de 50mm de longitud de traslape. ......................... 185 
Figura 111. Curva S-N de adhesivo Betamate 120 de 50mm de longitud de traslape. ................... 186 
Figura 112. Curva S-N de adhesivo DC-80 de 50mm de longitud de traslape. .............................. 186 
Figura 113. Esquema de inspección visual y análisis de imágenes para los adhesivos de la junta acero 
DP-Aluminio 6061T6. ..................................................................................................................... 187 
Figura 91. Esquema de inspección visual y análisis de imágenes para los adhesivos de la junta acero 
590-Al6061T6 Anodizado duro. ..................................................................................................... 188 
Figura 115. Fractografías SEM del MP55420 con 15kV de potencia, SEI y distancia de trabajo de 
8mm a) 170x, b) 1000x, c) 2300x y 3300x. .................................................................................... 189 
Figura 116. Fractografías SEM del Betamate 120 con 15kV de potencia, SEI y distancia de trabajo 
de 9mm a) 23x, b) 300x, c) 500x y 2000x ...................................................................................... 190 
Figura 117. Fractografías SEM del DC-80 con 15kV de potencia, SEI y distancia de trabajo de 9mm 
a) 30x, b) 230x, c) 200x y 70x ........................................................................................................ 191 
Figura 118. Fractografías SEM del MP55420 con 15kV de potencia, SEI, 3000x y distancia de trabajo 
de 10mm a) zona del inicio de la falla y b) zona central. ................................................................ 192 
Figura 119. Fractografías SEM del Betamate 120 con 15kV de potencia, SEI, 3000x y distancia de 
trabajo de 10mm a) zona del inicio de la falla y b) zona central. .................................................... 192 
Figura 120. Fractografías SEM del DC-80 con 15kV de potencia, SEI, 3000x y distancia de trabajo 
de 10mm a) zona del inicio de la falla y b) zona central. ................................................................ 193 
Figura 121. Fractografías SEM del MP55420 (12.5mm de logitud de traslape) con 15kV de potencia, 
SEI, 3000x, distancia de trabajo de 11mm en la zona del filete para a) 70% de la carga máxima, b) 
50% de la carga máxima y c) 30% de la carga máxima. ................................................................. 195 
Figura 122. FractografíasSEM del MP55420 (12.5mm de logitud de traslape) con 15kV de potencia, 
SEI, 3000x, distancia de trabajo de 11mm en el centro para a) 70% de la carga máxima, b) 50% de la 
carga máxima y c) 30% de la carga máxima. .................................................................................. 195 
Figura 123. Fractografías SEM del MP55420 (50.0mm de logitud de traslape) con 15kV de potencia, 
SEI, 3000x, distancia de trabajo de 11mm en la zona del filete para a) 70% de la carga máxima, b) 
50% de la carga máxima y c) 30% de la carga máxima. ................................................................. 196 
Figura 124. Fractografías SEM del MP55420 (50.0mm de logitud de traslape) con 15kV de potencia, 
SEI, 3000x, distancia de trabajo de 11mm en el centro para a) 70% de la carga máxima, b) 50% de la 
carga máxima y c) 30% de la carga máxima. .................................................................................. 196 
14/243 
 
Figura 125. Fractografías SEM del Betamate 120 (12.5mm de longitud de traslape) con 15kV de 
potencia, SEI, 3000x, distancia de trabajo de 11mm en la zona del filete para a) 70% de la carga 
máxima, b) 50% de la carga máxima y c) 30% de la carga máxima. .............................................. 198 
Figura 126. Fractografías SEM del Betamate 120 (12.5mm de longitud de traslape) con 15kV de 
potencia, SEI, 3000x, distancia de trabajo de 11mm en el centro para a) 70% de la carga máxima, b) 
50% de la carga máxima y c) 30% de la carga máxima. ................................................................. 198 
Figura 127. Fractografías SEM del Betamate 120 (50.0mm de longitud de traslape) con 15kV de 
potencia, SEI, 3000x, distancia de trabajo de 11mm en la zona del filete para a) 70% de la carga 
máxima, b) 50% de la carga máxima y c) 30% de la carga máxima. .............................................. 199 
Figura 128. Fractografías SEM del Betamate 120 (50.0mm de longitud de traslape) con 15kV de 
potencia, SEI, 3000x, distancia de trabajo de 11mm en el centro para a) 70% de la carga máxima, b) 
50% de la carga máxima y c) 30% de la carga máxima. ................................................................. 199 
Figura 129. Fractografías SEM del DC-80 (12.5mm de logitud de traslape) con 15kV de potencia, 
SEI, 3000x, distancia de trabajo de 11mm en la zona del filete para a) 70% de la carga máxima, b) 
50% de la carga máxima y c) 30% de la carga máxima. ................................................................. 201 
Figura 130. Fractografías SEM del DC-80 (12.5mm de logitud de traslape) con 15kV de potencia, 
SEI, 3000x, distancia de trabajo de 11mm en el centro para a) 70% de la carga máxima, b) 50% de la 
carga máxima y c) 30% de la carga máxima. .................................................................................. 201 
Figura 131. Fractografías SEM del DC-80 (50.0mm de logitud de traslape) con 15kV de potencia, 
SEI, 250x, distancia de trabajo de 11mm en la zona del filete para a) 70% de la carga máxima, b) 
50% de la carga máxima y c) 30% de la carga máxima. ................................................................. 202 
Figura 132. Fractografías SEM del DC-80 (12.5mm de logitud de traslape) con 15kV de potencia, 
SEI, 3000x, distancia de trabajo de 11mm en el centro para a) 70% de la carga máxima, b) 50% de la 
carga máxima y c) 30% de la carga máxima. .................................................................................. 202 
Figura 133. Resultados de ensayo de ángulo de contacto para sustrato de fibra de carbono limpia, 
rayos de iones de 3kV@45min, rayos de iones de 7kV@45min y plasma atmosférico. ................ 204 
Figura 134. Resultados de los perfiles de ondulación obtenidos por perfilometría para fibra de carbono 
unidireccional. ................................................................................................................................. 205 
Figura 135. Micrografías del acabado superficial del laminado de fibra de carbono limpio con 10kV 
de potencia, electrones secundarios invertidos a magnificaciones de a) 500x y b) 2000x. ............. 210 
Figura 136. Micrografías del acabado superficial del laminado de fibra de carbono con rayos de iones 
de 3kV@45min a 10kV de potencia, electrones secundarios invertidos a magnificaciones de a) 500x, 
b) 2000x, c) acercamiento de la matriz de resina a 2700x y d) acercamiento a 10 000x de la fibra de 
carbono. ........................................................................................................................................... 211 
Figura 137. Micrografías del acabado superficial del laminado de fibra de carbono con rayos de iones 
de 7kV@45min a 10kV de potencia, electrones secundarios invertidos a magnificaciones de a) 500x, 
b) 2000x, c) acercamiento de la matriz de resina a 2700x y d) acercamiento a 10 000x de la fibra de 
carbono. ........................................................................................................................................... 212 
Figura 138. Micrografías del acabado superficial del laminado de fibra de carbono con plasma 
atmosférico a 10kV de potencia, electrones secundarios invertidos a magnificaciones de a) 500x, b) 
2000x, c) acercamiento de la matriz de resina a 2700x y d) acercamiento a 10 000x de la fibra de 
carbono. ........................................................................................................................................... 213 
Figura 139. Análisis químico semi-cuantitativo del laminado de fibra de carbono. ....................... 214 
15/243 
 
Figura 140. Graficas de análisis DMA para a) modulo vs tiempo y b) modulo vs temperatura. .... 214 
Figura 141. Gráficas esfuerzo-desplazamiento laminado de fibra de carbono-aluminio 6061T6. .. 215 
Figura 80. Gráficas de efectos principales para el esfuerzo cortante en MPa para los tres adhesivos 
adhesivos, dos longitudes de traslape y tratamiento superficial. ..................................................... 218 
Figura 81. Gráfica de interacciones para el esfuerzo cortante en MPa para los tres adhesivos 
adhesivos, dos longitudes de traslape y tratamiento superficial. ..................................................... 219 
Figura 144. Prueba de flexión en tres puntos para unión adhesiva laminado de fibra de carbono-
aluminio 6061T6 (MP55420 12.5mm de longitud de traslape). ..................................................... 220 
Figura 145. Prueba de flexión en tres puntos para unión adhesiva laminado de fibra de carbono-
aluminio 6061T6 (MP55420 50.0mm de longitud de traslape). ..................................................... 220 
Figura 146. Prueba de flexión en tres puntos para unión adhesiva laminado de fibra de carbono-
aluminio 6061T6 (MP55420 50.0mm de longitud de traslape). ..................................................... 221 
Figura 147. Gráficos carga-desplazamiento de las uniones acero DP-aluminio 356 para a) traslape 
12.5mm y distancia entre apoyos de 30mm, b) traslape 12.5mm y distancia entre apoyos de 75mm, 
c) traslape 50.0mm y distancia entre apoyos de 60mm y d) traslape 50.0mm y distancia entre apoyos 
de 75mm. ......................................................................................................................................... 222 
Figura 148. Gráficos carga-desplazamiento de las uniones acero DP-aluminio 356 para a) Betamate 
120 con 50.0mm de traslape y 75mm de distancia entra apoyos y b) DC-80 con 50.0 mm de traslape 
y 75mm de distancia entra apoyos. ................................................................................................. 223 
Figura 149. Distribución de momento máximo y en la arista del filete de adhesivo por cada longitud 
de traslape y distancia entre apoyos de la junta de acero Al6061T6-laminado de fibra de carbono.
 .........................................................................................................................................................224 
Figura 150. Distribución de momento máximo y en la arista del filete de adhesivo por cada longitud 
de traslape y distancia entre apoyos de la junta de acero Al6061T6-laminado de fibra de carbono.
 ......................................................................................................................................................... 225 
Figura 151. Distribución de esfuerzos sobre la junta de aluminio 6061T6-laminado de fibra de 
carbono unido con adhesivo MP55420. .......................................................................................... 226 
Figura 152. Distribución de esfuerzos cortantes sobre la película de adhesivo (MP55420) en la junta 
de aluminio 6061T6-laminado de fibra de carbono. ....................................................................... 226 
Figura 153. Simulación de adhesivo DC-80 en junta de aluminio 6061T6-laminado de fibra de 
carbono, a) esfuerzo cortante, b) esfuerzo normal, c) y d) deformación plástica. ........................... 227 
Figura 154. Superficie de fractura a 20x de a) Betamate 120 limpieza (12.5 mm); b) Junta Betamate 
120 plasma atmosférico (12.5mm), c) DC-80 limpieza (50.0 mm); y d) DC-80 plasma atmosférico 
(50.0mm). ........................................................................................................................................ 228 
Figura 155. Microscopía electrónica de barrido de superficies de fractura adhesiva con para el 
acabado de la superficie limpia para a) un laminado de fibra de carbono desprendida en 35x, b) fibras 
fracturadas del recuadro a 300x, c) superficie de fibras fracturadas envueltas con adhesivo a 1000x y 
d) fibras fracturadas a 2000x. .......................................................................................................... 229 
Figura 156. Microscopía electrónica de barrido de superficies de fractura adhesiva con para el 
acabado de la superficie del plasma atmosférico para a) un laminado de fibra de carbono desprendida 
en 35x, b) fibras fracturadas a 300x, c) superficie de fibras fracturadas de-laminadas a 1000x y d) 
fibra fracturadas a 2000x. ................................................................................................................ 230 
 
16/243 
 
CAPITULO 5 
Figura 1. Rugosidad promedio y altura de picos contra ángulo de contacto. .................................. 233 
 
INDICE DE TABLAS 
Tabla 1. Listado de ventajas y desventajas de los adhesivos como tecnologías de unión. ................ 38 
Tabla 2. Concentrado de características de los adhesivos respecto a otras tecnologías de unión. .... 39 
Tabla 3. Características típicas de los adhesivos estructurales y no estructurales. ........................... 44 
Tabla 1. Condiciones de curado de diferentes adhesivos. ................................................................. 53 
Tabla 1. Angulo de contacto para acero con acabado lija 80, 320, limpieza y aluminio lija 80. ...... 67 
Tabla 2. Rugosidades promedio para los sustratos de acero 590 y aluminio 356 en fundición. ....... 70 
Tabla 3. Análisis tridimensional de la topografía de los sustratos de acero DP y aluminio 356. ...... 71 
Tabla 4. Análisis por emisión óptica del acero DP y aluminio 356. ................................................. 74 
Tabla 5. Resultados del diseño central compuesto con el esfuerzo al corte como respuesta. ........... 81 
Tabla 6. Análisis de varianza (ANOVA) del diseño de experimentos con la unión acero 590-aluminio 
356. .................................................................................................................................................... 83 
Tabla 7.Resultados prueba de flexión en tres puntos junta aluminio 356-acero 590. ....................... 90 
Tabla 8. Ciclos a la falla para junta acero DP-aluminio 356. .......................................................... 116 
Tabla 9. Angulo de contacto para el aluminio con anodizado duro, natural y acero 590 limpio. ... 127 
Tabla 10. Rugosidades promedio para los sustratos de acero 590 y aluminio 6061T6 laminado. .. 129 
Tabla 11. Análisis tridimensional de la topografía de los sustratos de acero DP y aluminio 6061T6 
laminado. ......................................................................................................................................... 131 
Tabla 12. Análisis por emisión óptica del acero DP y aluminio 6061T6. ....................................... 134 
Tabla 13. Resultados del diseño de experimentos con el esfuerzo al corte como respuesta para la junta 
aluminio Acero DP-6061T6. ........................................................................................................... 138 
Tabla 14. Análisis de varianza (ANOVA) del diseño de experimentos con la unión acero 590-
aluminio 6061T6. ............................................................................................................................ 147 
Tabla 15.Resultados prueba de flexión en tres puntos junta Aluminio 6061T6-Acero 590. .......... 156 
Tabla 16. Angulo de contacto para la fibra de carbono. .................................................................. 203 
Tabla 17. Rugosidades promedio para los sustratos de fibra de carbono unidireccional con diferentes 
tratamientos. .................................................................................................................................... 205 
Tabla 18. Análisis tridimensional de la topografía de los sustratos de fibra de carbono unidireccional.
 ......................................................................................................................................................... 207 
Tabla 19. Análisis tridimensional de la topografía de los sustratos de fibra de carbono unidireccional 
en los acercamientos de la Tabla 18. ............................................................................................... 208 
Tabla 20. Análisis tridimensional por microscopía de fuerza atómica de zonas aledañas a zonas de 
remoción de fibra y zonas de fibra expuesta. .................................................................................. 209 
Tabla 21. Resultados del diseño experimental con el carga de corte como respuesta para la junta 
aluminio 6061T6-Fibra de carbono unidireccional. ........................................................................ 216 
Tabla 22. Análisis de varianza (ANOVA) del diseño de experimentos con la unión aluminio 6061T6-
laminado de fibra de carbono unidireccioal. ................................................................................... 217 
 
 
17/243 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1 
 
 
 
 
 
 
 
 
18/243 
 
1.0 Introducción. 
1.1 Las uniones adhesivas 
Las uniones adhesivas son una alternativa a los métodos mecánicos más tradicionales de 
unión de materiales, tales como clavos, remaches, soldadura, tornillos, etc. Sin embargo para 
la generación de la adhesión ocurren fenómenos complejos donde se involucran fuerzas 
electrostáticas y mecánicas generadas entre el adhesivo y la superficie de los sustratos a 
adherir. Para entender correctamente del fenómeno de adhesión se requiere análisis desde el 
punto de vista físico-químico del adhesivo, físico-químico de los sustratos, geometría de la 
unión, interacción de la carga aplicada en la unión. 
Existen una gran variedad de adhesivos y se clasifican dependiendo de su resistencia 
mecánica y composición química. La selección del adhesivo depende en gran medida de la 
aplicación requerida. Por ejemplo los epóxicos son adhesivos utilizados en aplicaciones en 
los que se demanda una resistencia mecánica por encima de 13.73 MPa (2000 psi) y 
resistencia a temperaturas hasta 200 °C. Los adhesivos epóxicos tienen una consistencia 
pastosa y requieren la aplicación de temperatura (70-200°C) para que cure y alcance sus 
propiedades. Lo anterior hace que los adhesivos epóxicos sean muy apropiados para unirensambles, con tiempos de unión cortos o medianos (puede ser 15 min a 200°C y 3 horas a 
70°C). Por el contrario, los adhesivos con base en cianoacrilatos tienen un curado casi 
instantáneo (30-60 s) y debido a que su viscosidad oscila entre 10-20 000 mPa son adecuados 
para procesos automatizados y ensamble. Los adhesivos cianoacrilatos también tienen 
resistencias por encima de 13.73 MPa (2000 psi) y resistencia a temperaturas hasta 100 °C. 
El uso de adhesivos no es reciente. Se ha descrito en el antiguo Egipto [1], incluso en la 
Biblia [2]. Durante la edad media se escribieron algunas recetas para adhesivos. Una de estas 
recetas muestra que la gente en la Edad Media tenía ciertos conocimientos para la generación 
de adhesivos y materiales compuestos, un ejemplo se ilustra a continuación en la siguiente 
receta: 
“Receta de pegamento muy resistente” 
“Tome azulejos de arcilla y muela a un polvo fino con una amoladora de harina. Añadir una 
cantidad similar de óxido de hierro, también molido a un polvo fino. Añadir cal viva en una 
cantidad equivalente a la herrumbre de barro y hierro e incorporar la mezcla con aceite de 
linaza. Utilice inmediatamente para pegar lo que desea ya que este pegamento es mejor 
cuando se utiliza fresco [3]” 
La primera patente de adhesivo fue emitida alrededor de 1750 en Gran Bretaña. 
Posteriormente, las patentes para adhesivos que utilizaban caucho natural se expedían 
rápidamente, huesos de animales, pescado, almidón y proteína de leche (caseína). En 1900, 
Estados Unidos tenía varias fábricas que producían pegamento a partir de las bases antes 
mencionadas. La Revolución Industrial provocó una explosión en avances técnicos que 
dieron lugar a la disponibilidad de nuevos materiales para su uso en la formulación de 
19/243 
 
adhesivos [4]. El primer polímero plástico a sintetizar fue el nitrato de celulosa, un material 
termoplástico derivado de la celulosa de madera. 
La era de los plásticos comenzó cuando en 1910 se inventó un polímero termoestable llamado 
baquelita fenólica [5]. En un tiempo menor a un año, los adhesivos basados en la resina 
fenólica se pusieron en el mercado. Durante las décadas de 1920, 1930 y 1940 se generaron 
muchos plásticos y cauchos sintéticos nuevos. Muchos de estos se desarrollaron durante la 
Segunda Guerra Mundial. Aunque los adhesivos han existido alrededor de 6000 años, la 
mayor parte de la tecnología relacionada con los adhesivos se ha desarrollado durante los 
últimos 100 años. 
La industria de los adhesivos ha generado una corriente de investigación importante, 
actualmente existen tres revistas internacionales donde se publican las investigaciones 
especializadas en adhesivos. La revista más importante es el International Journal of 
Adhesion and Adhesives de Inglaterra. En dicha revista se publican investigaciones en el 
estado del arte relacionadas con el desarrollo de nuevos adhesivos y conceptos de análisis. 
Otra revista Inglesa es el International Journal of Adhesion in Dentistriy, ahí se publican 
investigaciones relacionadas con adhesivos en odontología. Por último el Journal of 
Adhesion Science and Technology publica artículos de ciencia e ingeniería de adhesivos, 
enfocado en aplicaciones tecnológicas e ingeniería. Del 2013 al 19 de Julio del 2017, Scopus 
reporta alrededor de 5504 artículos publicados sobre ciencia y tecnología de adhesivos (Ver 
Figura 1). 
 
Figura 1.Publicaciones científicas sobre adhesivos reportadas por Scopus. 
Las tendencias principales de investigación se enfocan en el desarrollo de nuevas 
formulaciones para adhesivos y análisis de esfuerzo y/o fallas (Ver Figura 2). Lo anterior 
debido a que se está incorporando materiales naturales como el Ramón o estuco dentro de 
adhesivos (odontología). La industria aeroespacial y de aviación están demandando mejores 
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Año
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modelos que permitan optimizar la distribución de esfuerzo y entender los mecanismos de 
falla de las uniones adhesivas (principalmente materiales compuestos de fibra de carbono, 
vidrio y base natural). El desarrollo de modelos analíticos ha crecido un poco desde el trabajo 
de Goland y Reissner [6] y Hart-Smith [7], pues los modelos actuales están limitados al tipo 
de material y carga aplicada. En 1943 Adams propone el uso de técnicas de elemento finito 
(FEM) para el análisis de esfuerzos en uniones adhesivas, permitiendo una gran versatilidad 
y exactitud en análisis que puede comprobarse experimentalmente [8]. Esta metodología se 
extendió además a la mecánica de fractura donde los modelos analíticos son un tanto difíciles 
de aplicar. La optimización de procesos (diseños de experimentos, análisis de varianza, 
técnicas de robustez) ocupa un 12% debido a que los procesos de manufactura donde se 
emplean los adhesivos en forma corriente son de bajo volumen (ej. La industria aeronáutica). 
 
 
Figura 2.Distribución de las publicaciones científico-tecnológicas sobre Adhesión y 
adhesivos. 
Se tiene como referencia el uso de adhesivos en la unión de los materiales compuestos del 
motor del avión Gordon Aerolite® desde 1936 [9]. En la actualidad, los aviones comerciales 
como el Airbus A380 emplean casi 42% de adhesivos dentro de sus estructuras con la 
finalidad de reducir peso en su estructura y economizar combustible [10]. En la industria 
automotriz se ha empezado a utilizar adhesivos más regularmente en partes estructurales [11]. 
La revista de divulgación industrial ASI, muestra una estadística que indica que en el 2014 
el uso de adhesivos para la fabricación de un coche es de 46.3% en el taller de pintura, 25.4% 
de la carrocería antes de pintura (BIW), 22.5% para el ensamble de componentes y 5.8% para 
el tren de potencia. Para el 2021, se prevé una disminución de 4.1% para sus aplicaciones en 
el taller de pintura, un 2.5% de incremento en el uso de adhesivos en el taller de pintura y 
ensamble de la carrocería mientras un 0.7% en el tren de potencia [12]. 
Análisis de 
esfuerzo y fallas, 
2045, 37%
Desarrollo de 
nuevos adhesivos 
(naturales), 1139, 
21%
Modelos analiticos, 
829, 15%
Optimizacion, 685, 
12%
Mecánica de 
fractura, 421, 8%
FEM, 361, 7% Acabado 
superficial, 24, 0%
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La industria automotriz ha estado sujeta a fuertes regulaciones de orden ambiental que buscan 
disminuir la emisión de CO2. La ley CAFE (Corporate Average Fuel Economy) es una de 
ellas [13]. Debido a que uno de los ejes principales de esta regulación está relacionada con 
la reducción de peso, dicho eje está siendo abordado por los científicos y tecnólogos 
incorporando al automóvil estructuras compuestas de materiales disímiles, donde por lo 
general, uno es delgado y de alta resistencia, o bien, otro tiene un espesor mayor y menor 
resistencia [14]. Una de las tecnologías para unir dicha combinación de materiales disímiles 
es la de adhesivos [15] [16]. [17] [18]. 
Con base a lo anterior en este trabajo de tesis se propone estudiar tres combinaciones de 
materiales (acero-aluminio en fundición, acero-aluminio laminado y aluminio laminado-
laminado de fibra de carbono unidireccional), su proceso de preparación industrial (con 
procesos fáciles de automatizar como el desbaste y plasma) y su geometría en su resistencia 
mecánica, para evaluar la factibilidad de utilizar adhesivos como alternativa de tecnología de 
unión en estructuras automotrices que involucren materiales disímiles en propiedades y 
espesores. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1.2 Planteamiento del problema 
Los adhesivos en la industria automotriz han sido, por lo general, utilizados en elementos de 
bajo riesgo como carrocerías (muchas veces como complemento de remaches o soldadura de 
puntos). El proceso de unión con adhesivos genera problemáticas como lascapas de debilidad 
generadas por suciedad del sustrato o por la presencia de elementos residuales como polvo, 
recubrimientos, aceite o grasa. En ambos casos la adhesión puede no ocurrir o bien fallar 
prematuramente. Con la finalidad de mitigar los riesgos, como reducción de resistencia 
mecánica y falla prematura, los primeros usuarios de la adhesión estructural (industria 
aeronáutica y aviación) implementaron procedimientos exhaustivos para limpiar la superficie 
del sustrato y eliminar capas de debilidad. 
El proceso de limpieza consiste principalmente en lavado con jabón neutro, enjuague, 
limpieza con solvente no polar (por lo general acetona), limpieza con aire seco, ataque 
químico, limpieza con solvente no polar y secado con aire. También, se ha trabajado en 
materiales cuyos espesores y propiedades son similares dejando de lado aplicaciones 
estructurales donde las solicitaciones mecánicas son más elevadas respecto un accesorio, por 
ejemplo el chasis. 
Por otra parte, los volúmenes de producción de un avión son mucho menores a los de un 
automóvil; por lo tanto, la aplicación de un proceso de limpieza y preparación tan exhaustivo 
puede ser poco viable para la industria automotriz por tiempo y costo. 
En el caso de la industria automotriz, las partes estructurales tienen un volumen de 
producción de 500 piezas hora lo que dificulta una preparación exhaustiva como en el caso 
de la industria aeronáutica. Generalmente, para la fabricación de estructuras ligeras en la 
industria automotriz, se están proponiendo tres combinaciones de materiales: 
1. acero HSLA DUAL-TEN® 590/600-aluminio 356. 
2. acero HSLA DUAL-TEN® 590/600-aluminio 6061T6. 
3. aluminio 6061T6-laminado de fibra de carbono unidireccional. 
El reto principal consiste en unirlos considerando preparaciones superficiales típicas de la 
industria automotriz como el desbaste, limpieza y en casos más avanzados el plasma 
atmosférico (para el caso de la fibra de carbono). Los procesos anteriores son automatizables 
y requieren poco tiempo para su ejecución. Sin embargo, estas tipos de preparación, junto 
con los adhesivos y el área de adhesión tienen un efecto directo en la resistencia mecánica, a 
la fatiga, el tipo de fractura del elemento, condiciones de esfuerzo y deformación de la unión 
adhesiva. 
Por lo tanto este trabajo pretende realizar estudios experimentales variando las condiciones 
de preparación superficial, tipo de adhesivo, geometría y parámetros de aplicación. Estos 
parámetros varían dependiendo del tipo de junta, pues en la junta 1 en la aplicación industrial 
el área de adhesión estará limitada por el diseño del componente. En la junta 2, posterior al 
proceso de unión, se aplica una pintura donde la temperatura influencia el curado y se 
pretende conocer el impacto en la resistencia para evaluar la factibilidad de que el adhesivo 
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cure dentro del horno de pintura. En el caso de la junta 2 el diseño del componente permite 
interactuar con el tamaño de la zona de adhesión. Por último en la junta 3, se pretende 
modificar la aplicación de tratamiento superficial y geometría del laminado de fibra de 
carbono ya que la condición de recepción del aluminio anodizado a 30 min está restringida 
por el diseño del componente. En todos los casos el objetivo es reducir el grado de 
preparación superficial. 
Una vez seleccionados los parámetros de adhesión adecuados será necesario evaluar la 
condición de distribución de esfuerzos en forma experimental (considerando los esfuerzos de 
flexión en la junta, los esfuerzos normales mediante extensometría), numérica mediante 
simulación de elementos finitos y finalmente pruebas de fatiga. Lo anterior con la finalidad 
verificar el impacto en los parámetros y sustentar es forma sistematizada el efecto de dichos 
parámetros en la distribución del esfuerzo y tipo de fractura de la junta. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1.3 Justificación 
En la actualidad para reducir y/u optimizar el uso de combustibles fósiles la comunidad 
internacional ha obligado a los fabricantes en la industria autootriz a cumplir con la 
regulación de economía de combustible promedio corporativa o CAFÉ. Por tal motivo este 
trabajo explora la alternativa para la reducción de peso del vehículo y una de ellas es el 
empleo de materiales ligeros considerando la filosofía de la utilización de estructuras 
compuestas de materiales delgados con alta resistencia unidos a materiales con mayor 
espesor y menor resistencia unidos bajo condiciones industriales de alta producción y fácil 
automatización. 
Esta alternativa busca estudiar el efecto de los acabados superficiales de los sustratos, los 
sustratos y los adhesivos en las solicitaciones mecánicas de la unión para determinar en forma 
experimental la factibilidad de utilizar adhesivos como sustituto de la soldadura en 
estructuras automotrices. 
1.4 Objetivo y objetivos específicos 
Determinar la interacción de los acabados superficiales, los sustratos y los adhesivos en la 
resistencia mecánica de una junta de materiales disímiles de acero-aluminio en fundición, 
acero-aluminio laminado y aluminio laminado-laminado de fibra de carbono. 
Objetivos específicos 
 Determinar las propiedades mecánicas de los adhesivos más representativos bajo 
condiciones estándar estipuladas en la ficha técnica. 
 Conocer los elementos que constituyen la química de los adhesivos más 
representativos mediante espectroscopia de infrarrojos para correlacionarlos con los 
modelos de las uniones derivados de las teorías de adhesión. 
 Precisar las características superficiales de los sustratos empleados en la junta 
adhesiva (e.g. morfología, topografía) utilizando técnicas como microscopia 
electrónica, de fuerza atómica y perfilometría. 
 Obtener las propiedades mecánicas y ductilidad del sustrato para su aplicación en los 
cálculos de esfuerzo mediante ensayos de resistencia mecánica estandarizados. 
 Comprobar la interacción del acabado superficial, geometría de la junta, tipo de 
adhesivo en la resistencia mecánica de uniones de materiales disímiles por medio de 
diseño estadístico de experimentos. 
 Conocer la resistencia a los esfuerzos cortantes del diseño experimental (respuesta de 
la combinación de variables). 
 Calcular mediante extensometría las deformaciones generadas en los adherendos de 
las combinaciones con mayor resistencia que resultasen de los diseños de 
experimentos. 
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 Obtener el impacto en la vida a la fatiga de las uniones de los factores como limpieza, 
superficie y geometría de la union, utilizando ensayos normalizados de fatiga hasta 
106 ciclos. 
 Determinar los modos de falla mediante el análisis de superficie de fractura en las 
pruebas de flexión, cortante y fatiga utilizando microscopía óptica y electrónica de 
barrido. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1.5 Hipótesis 
Comprobar la influencia de los factores (preparación superficial, geometría, tipo de adhesivo 
y tipo de sustrato) en la unión de materiales disimiles, para explorar su potencial aplicación 
en elementos estructurales del vehículo automotor, para lo cual se comenzara por la etapa 
experimental (diseños estadísticos experimentales y pruebas físico químicas normalizadas) y 
se reforzaran las etapas numéricas (simulación por elemento finito) para el modelado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1.6 Antecedentes 
Volkersen (1939), fue el primer investigador que documentó y genero modelos matemáticos 
de la concentración de esfuerzos en las aristas de la junta unida por adhesivos [19]. 
Goland y Reissner (1944), desarrollaron formalmente los modelos matemáticos para cálculo 
de esfuerzos. En sus modelos se considera el efecto de la flexión de los adherendos durante 
la carga para el cálculo del esfuerzo de pelado normala la carga aplicada [6]. 
Demarkles (1955), corrigió el trabajo de Volkersen introduciendo los efectos de la 
deformación en cortante. Tambien en 1961 Sneddon corrige la ecuación de Goland y Reisser 
pero no estipulan la magnitud de la discrepancia [20]. 
Adams y Peppiatt (1973), desarrollaron la teoría de esfuerzos en adhesivos basados en 
modelos de elemento finito que permiten generar correcciones a los modelos de Goland y 
Reissner precisando los esfuerzos normales que inician la falla en las uniones [8]. 
Hart-Smith 1973, trabajaron en análisis numérico y experimental de varias uniones adhesivas 
considerando aluminio y fibra de carbono donde considera la excentricidad en los cálculos 
de ingeniería [7]. 
Ragvha y Cadell (1973), determinaron la aplicación de la teoría de Von Misses en los 
adhesivos donde considera los esfuerzos de capucha y una relación entre los esfuerzos de 
tensión y compresión de alrededor de 1.3 [21]. 
Adams y Peppiatt (1977), realizaron un análisis en juntas tubulares consiguiendo resultados 
donde la distribución de esfuerzo concuerdan con sus primeras investigaciones de 1973 [22]. 
Cooper y Sawyer (1979), realizaron un estudio comparativo por medio de fotoelasticidad de 
las ecuaciones de Goland y Reissner obteniendo una correlación positiva [23] 
Carpenter (1989), emitió una carta en la cual desmiente el trabajo de Adams, Denmarks y 
Sneedon debido a que los resultados del autor sugieren que se trató de un error de 
refinamiento de malla durante el procesamiento de datos [24]. 
Crocombe (1989), propuso el modelo de cedencia global considerando que la falla de los 
adhesivos no ocurre instantáneamente, sino que hay zonas que fallan (sobre todo las aristas) 
mientras que el resto del adhesivo va fallando paulatinamente endureciendo la junta [25]. 
Dorn et al. (1994), emitieron guías técnicas sobre el uso de adhesivos donde sus 
investigaciones sugieren que al incrementar el tamaño del traslape, la resistencia del material 
y el grosor de las láminas se incrementa la resistencia de la junta [26]. 
Crocombe (1996) desarrolla la teoría de cedencia global para explicar la falla en adhesivos 
[27]. 
Thouless (1998), desarrolló un método alterno para la determinación de la tenacidad a la 
fractura de uniones adhesivos disímiles que sugieren que la tenacidad depende del radio de 
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doblez generado por una carga forzada y que los resultados se pueden representar por un 
radio (Rp) y el coeficiente de endurecimiento del material [28]. 
Shiuh-Chuan Her (1999), publicó una serie de ecuaciones para análisis bidimensionales que 
simplifican previos trabajos. Sus resultados sugieren una buena correlación con previos 
resultados aunque la publicación es incompleta y mal redactada en la parte experimental [29]. 
Sawa et al en (2000) donde se realiza un análisis bidimensional de juntas disímiles de acero-
aluminio, del cual se genera un complicado grupo de ecuaciones de esfuerzo [30]. 
Sancaktar y Gotaman (2001), iniciaron estudios formales del efecto de la rugosidad en la 
resistencia de la uniones adhesivas [31]. 
Crocombe (2005), presentó las teorías de esfuerzo en uniones adhesivas tomando en cuenta 
elasticidad y plasticidad donde expone la importancia de los esfuerzos por diferencial de 
coeficiente de expansión térmica (CTE) y de las restricciones durante la solidificación por 
curado [32]. 
 Narasimhan et al. (2004), desarrollaron modelos tridimensionales de esfuerzos en uniones 
adhesivas en adherendos de fibra de vidrio (E-glass) y aluminio [33]. 
Adyn et al (2005), desarrollaron un modelo basado en simulación de elemento finito para 
predecir la resistencia en uniones adhesivas de diferentes espesores [34]. 
Lucic et al. (2005), presentaron un trabajo en donde investigaron el efecto de un adherendo 
de aluminio A199.5. En este trabajo se puso en consideración en acabado superficial del 
sustrato, diferentes longitudes de traslape y un adhesivo epoxico, obteniendo una correlación 
experimental y numérica buena [35]. 
Watts (2005), presentaron un resumen de varias técnicas de microscopía óptica, electrónica 
de barrido, perfilometría de punta, fuerza atómica y pruebas de humectación (tintas de 
diferentes densidades) [36]. 
Brewis (2005), presentaron en forma ordenada y sistemática los procedimientos más 
comunes para ataque y activación de la superficie de los sustratos [37]. 
Dillard (2005), aplicaron la teoría de la viga elástica para el desarrollo de la mecánica de la 
fractura de adhesivos considerando deformaciones de los adherendos y la influencia del 
medio ambiente [38]. 
Grant et al. (2009), presentaron un artículo en donde se estudia en forma analítica y numérica 
el efecto de la temperatura en juntas de bisel simple y en T [39]. 
da Silva y Adams (2009), analizaron el efecto en la resistencia de juntas adhesivas sometidas 
a temperaturas elevadas (por encima de 100°C) , sus resultados proporcionaron una involuta 
de esfuerzo donde se pudo establecer un rango de operación segura bajo carga estática de 
uniones adhesivas (epoxy-láminas de acero bajo carbono) [40]. 
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Adams et al (2009), propusieron, mediante un análisis comparativo contra otros métodos de 
mecánica de fractura la importancia de la prueba de cuña Boeing para el cálculo de la GIC. 
[41] . 
Los estudios de crecimiento de grieta en relación con el medio ambiente se han trabajado en 
las siguientes bibliografías [42] [43] [44] [45] [46] [47]. 
Abdel-Wahab et al (2010), realizaron un trabajo en dos partes sobre el daño producido por 
fatiga en un adhesivo epoxico FM-73 encontrando los parámetros de daño en forma 
experimental considerando la ley de evolución de daño [48]. 
Katnam et al (2010), desarrollaron un modelo de daño a fatiga mediante un enfoque basado 
en deformación [49]. 
Chen et al (2011), realizaron un modelo matemático para predecir la iniciación y propagación 
de una grieta en juntas a traslape [50]. 
Azari et al (2012), desarrollan un modelo computacional de un adhesivo epoxico y 
adherendos de aluminio donde se analiza el efecto del espesor, filete expelido (spew) y 
rugosidad de la superficie la resistencia cuasi estática de la unión [51]. 
Karachalios et al (2013), estudiaron la interacción de los adhesivos de baja y alta resistencia 
con adherendos de alta y baja resistencia. Los resultados de dicho grupo de investigadores 
sugieren que las juntas adhesivas (adherendos de acero de alta resistencia) pueden fallar por 
sobrepasar el límite de deformación en tensión o cortante o bien, pueden fallar por cedencia 
global del adhesivo. [52] [53]. 
Investigaciones relacionadas con métodos de elemento finitos donde se estudian la 
interacción entre superficie, geometría de la junta (bisel simple, bisel doble, etc) y 
propiedades de específicas de los adhesivos pueden verse en las referencias [54] [55] [56] 
[57] [58] [59]. 
Chen et al (2016), realizaron un estudio sobre adherendos de AA5754-O de 1 y 2mm con 
adhesivo epoxico Betamate 4601 cuyos resultados sugieren que la diferencia entre una 
prueba con agua destilada y un ambiente salino al 5% es insignificante [60]. 
Los estudios de fatiga se han empleado en reparaciones y determinación de vida en los 
siguientes trabajos [61] [62] [63] [64]. 
Cruz et al. (2017), presentaron las técnicas mencionadas por Watts mostrando imágenes 
claras y un proceso sistemático de análisis en materiales compuestos [65]. 
 
 
 
 
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1.7 Referencias 
 
 
[1] S. G. Wilkinson, Manners and Customs of the ancient egyptians supplement, London: 
Spottiswoode, MDCCXLI. 
[2] J. Ben Sirach, Chapter 22 .Apocrypha: Sirach. Eclessiasticus.. 
[3] A. V. Pocius, Adhesion and Adhesives Technology - An Introduction (3rd Edition), 
Munic: Hanser Publications, 2012. 
[4] S. Ebnesajjad y A. H. Landrock, Adhesives Technology Handbook (3rd