Metodología para el estudio del comportamiento a fatiga bajo carga

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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS DE POSTGRADO
MAESTRÍA EN INGENIERÍA MECÁNICA
TRABAJO DE GRADO
METODOLOGÍA PARA EL ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO A FATIGA
BAJO CARGA AXIAL DE MATERIALES POLÍMÉRICOS
POR:
Ing. HYRAMIS EDITH ROSALES MANRIQUE
Marzo 2006
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS DE POSTGRADO
MAESTRÍA EN INGENIERÍA MECÁNICA
METODOLOGÍA PARA EL ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO A FATIGA
BAJO CARGA AXIAL DE MATERIALES POLÍMÉRICOS
Trabajo Especial de Grado presentado a la Universidad Simón Bolívar por:
Ing. HYRAMIS EDITH ROSALES MANRIQUE
Como requisito parcial para optar al grado de:
Magíster en Ingeniería Mecánica
Con la asesoría de los profesores:
Prof. Héber D’Armas y Prof. Jeannette González
Marzo 2006
ii
DEDICATORIA
A mis padres Alvaro y Eddy, por todo el amor que me han dado.
A mis hermanos, Hyalmar, Osbert y Osmar, por su compañía y cariño.
A mis sobrinos, Hyramar y Joel, por su dulzura y sus travesuras.
A mi abuela Cruz, quien me ha visto crecer y me brinda su apoyo.
A mi abuela Rosa, quien partió dejando un gran vacío.
A Omar, siempre estarás en mi corazón.
A toda mi familia y amigos.
Hyramis
iii
RECONOCIMIENTO
La realización de un trabajo de grado es una empresa ardua en donde se presentan muchos
tropiezos, por eso agradezco la experiencia profesional y la colaboración de mi tutor Héber
D’Armas, también le expreso mi sincero agradecimiento a la profesora Jeanette González, por
el tiempo que dedicó a la elaboración de esta tesis.
Para el trabajo desarrollado en el Laboratorio de Materiales, fue de gran ayuda la colaboración
prestada por Henry López, gracias amigo por tú apoyo. Y en el Laboratorio de Polímeros le
agradezco al Ing. Hector Rojas por la atención prestada, mi agradecimiento también para
Fabio Albán quien siempre tuvo toda la deposición de ánimo para ayudarme.
Quiero expresarle al Ingeniero Elena Perozo mi más profundo agradecimiento por tenderme la
mano y facilitarme las condiciones de trabajo para poder culminar mi meta, gracias a ella y al
INCE por la colaboración prestada.
Por supuesto, sin la ayuda de mis padres y toda mi familia nunca hubiera llegado tan lejos,
gracias por todo. Y en especial quiero agradecerle a Omar por todas sus horas de sueño y su
paciencia, gracias por transitar conmigo este camino y por acompañarme de manera
incondicional. Gracias a todos mis amigos y a todas las personas que de una u otra forma
ayudaron en la culminación de esta meta.
iv
RESUMEN
En este trabajo se ha desarrollado una metodología que permite el estudio del comportamiento
a fatiga de materiales poliméricos bajo carga axial de manera confiable y reproducible. Con
este propósito se acondicionó una máquina universal de ensayos mejorando su funcionamiento
a fatiga.
Para la realización de los ensayos se inyectaron probetas de ABS, PEBD, PP y PSAI. Para
comprobar la metodología se utilizó el polímero MABS, un material innovador proporcionado
por el Instituto Catalán del Plástico-España.
En el estudio de fatiga de los materiales poliméricos se tomó en consideración el efecto de la
frecuencia, el esfuerzo medio, el esfuerzo amplitud, los cambios en las propiedades mecánicas
a tracción y la dureza de los materiales bajo cargas repetitivas, y el comportamiento ante ciclos
de deformación. Por otra parte, se realizaron mediciones de la temperatura a medida que
transcurrieron los ciclos con la finalidad de observar cualquier incremento en la misma.
Se obtuvieron, para los materiales en cuestión, las curvas S-N, las curvas de Goodman y los
ciclos de histéresis o ciclos de deformación, los cuales permiten conocer la ocurrencia de
fenómenos de endurecimiento o ablandamiento por deformación cíclica, además de los
cambios de temperatura ocurridos al realizarse tales ciclos de deformación.
A partir de los resultados obtenidos, se puede decir que la metodología que frecuentemente se
utiliza para la obtención del comportamiento a fatiga de los metales es perfectamente aplicable
en los materiales que fueron considerados para el desarrollo del presente trabajo.
Entre los materiales estudiados, se puede establecer un orden decreciente en cuanto al
desempeño general ante cargas de fatiga: ABS > MABS > PSAI > PP. Se pudo caracterizar la vida
a fatiga de los polímeros bajo estudio, para valores de esfuerzo medio fijados en el trabajo.
Palabras claves: Fatiga, polímeros, deformación cíclica, ciclos de histéresis, cargas cíclicas.
v
ÍNDICE GENERAL
Pág
DEDICATORIA ............................................................................................................... ii
RECONOCIMENTOS.................................................................................................... iii
RESUMEN ........................................................................................................................ iv
ÍNDICE GENERAL ......................................................................................................... v
LISTA DE FIGURAS....................................................................................................... viii
LISTA DE TABLAS......................................................................................................... xii
SIMBOLOS Y ABREVIATURA .................................................................................... xiv
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1
CAPÍTULO I: MARCO TEÓRICO
1.1 Polímeros ...................................................................................................................... 3
1.1.1 Plásticos ............................................................................................................... 4
1.1.2 Tipos de plásticos ................................................................................................ 5
1.1.2.1 Plásticos comunes y sus usos .................................................................. 6
1.1.3 Fabricación de los plásticos................................................................................. 10
1.1.4 Propiedades mecánicas de los polímeros............................................................. 13
1.1.5 Comportamiento viscoelastico de los polímeros ................................................. 15
1.2 Fatiga ............................................................................................................................ 17
1.2.1 Etapa de endurecimiento y/o ablandamiento cíclico ........................................... 18
1.2.2 Curvas S-N o Wöhler .......................................................................................... 19
1.2.3 Diagramas de vida constante ............................................................................... 21
1.3 Fatiga en plásticos ........................................................................................................ 23
1.3.1 Mecanismos de fatiga .......................................................................................... 25
1.3.2 Variables.............................................................................................................. 26
1.4 Antecedentes................................................................................................................. 33
vi
1.5 Justificación .................................................................................................................. 34
1.6 Objetivos....................................................................................................................... 36
1.6.1 Objetivos generales ............................................................................................. 37
1.6.2 Objetivos específicos........................................................................................... 37
CAPÍTULO II: MATERIALES Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
2.1 Materiales ..................................................................................................................... 38
2.2 Equipos ......................................................................................................................... 40
2.3 Metodología.................................................................................................................. 40
2.3.1 Puesta a punto de la máquina universal de ensayos ............................................ 40
2.3.2 Inyección de probetas .......................................................................................... 42
2.3.3 Ensayos de tracción ............................................................................................. 43
2.3.4 Ensayos de fatiga ................................................................................................. 44
2.3.5 Ensayos de tracción post fatiga ........................................................................... 47
2.3.6 Ensayos de dureza .............................................................................................. 48
2.3.7 Flujograma .......................................................................................................... 48
CAPÍTULO III: COMPORTAMIENTO ANTE CARGA MONOTÓNICA
3.1 Puesta a punto de la máquina universal de ensayos
MTS 10 Ton ................................................................................................................. 50
3.2 Influencia de la velocidad de ensayo............................................................................ 51
3.3 Ensayos de tracción de los materiales inyectados ........................................................ 54
CAPÍTULO IV: COMPORTAMIENTO ANTE CARGAS CÍCLICAS
4.1 Montaje para los ensayos de fatiga............................................................................... 56
4.2 Influencia de la frecuencia en la vida a fatiga ............................................................. 56
4.3 Obtención de curvas S-N............................................................................................. 59
4.4 Obtención de curvas de Goodman............................................................................... 62
4.5 Curvas de histéresis ..................................................................................................... 62
4.6 Variación de temperaturas ........................................................................................... 70
4.7 Pruebas de tracción post-fatiga.................................................................................... 75
vii
4.8 Pruebas de dureza post-fatiga ....................................................................................... 79
CAPÍTULO V: CONCLUSIONES ................................................................................ 85
CAPÍTULO VI: PERSPECTIVAS A FUTURO ........................................................... 87
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 88
APENDICES ..................................................................................................................... 90
viii
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Fig. 1.1. Regiones cristalizadas en un polímero, (a) moléculas largas formando
cristales mezclados al azar con el material amorfo; y (b) laminilla de
cadena plegada, forma típica de una región cristalizada.................................
4
Fig. 1.2. Tipos de tensión...............................................................................................
13
Fig. 1.3. Probeta plana para ensayo de tracción de polímeros.......................................
14
Fig. 1.4. Diagrama esfuerzo-deformación obtenido a partir del ensayo normal a la
tensión de un material dúctil...........................................................................
14
Fig. 1.5. Comparación de las propiedades elásticas y viscoelásticas............................
16
Fig. 1.6. Curva esfuerzo contra deformación de un material vicoelástico (polímero
termoplástico)..................................................................................................
17
Fig.1.7. El módulo viscoelástico como una función de la temperatura para un
polímero termoplástico...................................................................................
18
Fig.1.8. Esquema del comportamiento de histéresis de un material durante
deformación cíclica.........................................................................................
20
Fig. 1.9. Endurecimiento y ablandamiento cíclico bajo condiciones de: (a) carga
controlada; y (b) deformación controlada.......................................................
20
Fig.1.10. Diagrama S-N trazado a partir de los resultados de pruebas de fatiga axial
en un acero UNS G41300...............................................................................
21
Fig.1.11. Materiales que presentan límite de fatiga.......................................................
21
Fig.1.12. Materiales que no presentan límite de fatiga..................................................
22
Fig. 1.13. Diagrama de vida constante. Sut es el límite de resistencia a la tracción y
Se en el vertical es el límite de fatiga...............................................................
22
ix
Fig. 1.14. Gráficos que representan el esfuerzo frente al logarítmico de la fatiga
para numerosos plásticos ingenieriles.......................................................
24
Fig. 1.15. Curva de histéresis para condiciones diferentes de temperatura en un
termoplástico.............................................................................................
26
Fig.1.16. Variables de esfuerzos asociadas en cargas cíclicas....................................
27
Fig.1.17. Incremento de temperaturas durante una carga cíclica................................
29
Fig. 1.18. Comportamiento típico de fatiga de un POM (Polioximetileno también
conocido como poliacetal) (5 Hz)................................................................
29
Fig. 1.19. Relaciones entre amplitud de tensión y tensión media...............................
32
Fig. 1.20. Falla por fatiga en un estuche porta celular................................................
36
Fig. 2.1. Geometría de las probetas utilizadas (ASTM D-638 tipo I).........................
39
Fig. 2.2. Máquina universal de ensayos MTS 10 TON.............................................
41
Fig. 2.3. Máquina universal de ensayos Lloyd EZ20................................................
42
Fig. 2.4. Máquina de moldeo por Inyección marca REED.........................................
43
Fig. 2.5. Esquema de procedimiento seguido para hallar una curva S-N a un valor
de esfuerzo medio constante........................................................................
45
Fig. 2.6. Esquema de procedimiento seguido para hallar una curva Goodman a un
valor de ciclos de vida constante..................................................................
46
Fig. 2.7. Esquema de procedimiento seguido para hallar una curva de histéresis a
valores de esfuerzo medio y esfuerzo amplitud constantes.........................
47
Fig. 2.8. Termómetro infrarrojo..................................................................................
47
Fig. 2.9. Durómetro Shore tipo D...............................................................................
48
Fig. 2.10......................................................................................................................
49
Fig. 3.1 Curvas de esfuerzo- deformación para el PSAI. Ensayos comparativos
realizados en las máquinas MTS y Lloyd a una velocidad de 10
mm/min........................................................................................................
51
Fig. 3.2. Curvas de esfuerzo- deformación para los polímeros a diferente velocidad
de ensayo: (a) ABS, (b) PEBD, (c) PP, y (d) PSAI..................................
52
Fig. 3.3. Curva esfuerzo-deformación para los diferentes materiales poliméricos
estudiados.....................................................................................................
55
Fig. 4.1. Montaje del extensómetro............................................................................
57
x
Fig. 4.2. Ventana del programa de adquisición de datos............................................
57
Fig. 4.3. Ciclos de vida vs. frecuencia para el ABS.......................................................
58
Fig. 4.4. Curvas S-N para los polímeros. (a) ABS, (b) MABS, (c) PSAI y (d) PP.
60
Fig. 4.5. Diagrama de Goodman para los Polímeros ABS, MABS, PP, y PSAI..........
62
Fig. 4.6. Ciclo de histéresis para el ABS (esfuerzo medio: 50% Sy, esfuerzo
amplitud 22% Sy)............................................................................................
63
Fig. 4.7. Valores obtenidos en el ciclo de histéresis para el ABS; a) deformación
media con respecto los ciclos de vida; b) ángulo del ciclo medido en el
transcurso de los ciclos de vida.......................................................................
64
Fig. 4.8. Ciclo de histéresis para el MABS (esfuerzo medio: 50% Sy, esfuerzo
amplitud 25% Sy)............................................................................................
65
Fig. 4.9. Valores obtenidos en el ciclo de histéresis para el MABS; a) deformación
media con respecto los ciclos de vida; b) ángulo del ciclo medido en el
transcurso de los ciclos de vida.......................................................................
65
Fig. 4.10. Ciclo de histéresis para el PEBD (esfuerzo medio: 70% Sy, esfuerzo
amplitud 25% Sy)............................................................................................
66
Fig. 4.11. Valores obtenidos en el ciclo de histéresis para el PEBD; a) deformación
media con respecto los ciclos de vida; b) ángulo del ciclo medido en el
transcurso de los ciclos de vida.......................................................................
67
Fig. 4.12. Ciclo de histéresis para el PP (esfuerzo medio: 60% Sy, esfuerzo amplitud
21% Sy)...........................................................................................................
67
Fig. 4.13. Valores obtenidos en el ciclo de histéresis para el PP; a) deformación
media con respecto los ciclos de vida; b) ángulo del ciclo medido en el
transcurso de los ciclos de vida.......................................................................
68
Fig. 4.14. Ciclo de histéresis para el PSAI (esfuerzo medio: 60% Sy, esfuerzo
amplitud 25% Sy)............................................................................................
69
Fig. 4.15. Valores obtenidos en el ciclo de histéresis para el PSAI; a) deformación
media con respecto los ciclos de vida; b) ángulo del ciclo medido en el
transcurso de los ciclos de vida.......................................................................
69
Fig. 4.16. Variación de temperatura para el ABS (esfuerzo medio 50% Sy; esfuerzo
amplitud 22% Sy)............................................................................................
71
xi
Fig. 4.17. Variación de temperatura para el MABS: a) esfuerzo medio 50% Sy;
esfuerzo amplitud 25% Sy; b) esfuerzo medio 70% Sy; esfuerzo amplitud
13% Sy.............................................................................................................
71
Fig. 4.18. Variación de temperatura para el PEBD (esf. medio 70% Sy, esf. amplitud
25% Sy)...........................................................................................................
72
Fig. 4.19. Variación de temperatura para el PP (esfuerzo medio 60% Sy; esfuerzo
amplitud 21% Sy)............................................................................................
73
Fig. 4.20. Variación de temperatura para el PSAI. a) esfuerzo medio 60% Sy;
esfuerzo amplitud 25% Sy; esfuerzo medio 80% Sy; esfuerzo amplitud 10%
Sy.....................................................................................................................
74
Fig. 4.21. Curvas esfuerzo-deformación antes y después de fatiga para el ABS..........
75
Fig. 4.22. Curvas esfuerzo-deformación antes y después de fatiga para el MABS.......
76
Fig. 4.23. Curvas esfuerzo-deformación antes y después de fatiga para el PEBD........
77
Fig. 4.24. Curvas esfuerzo-deformación antes y después de fatiga para el PP..............
78
Fig. 4.25. Curvas esfuerzo-deformación antes y después de fatiga para el PSAI..........
79
Fig. 4.26. Diferentes zonas tomadas para la medida de dureza en probetas de ABS,
fatigadas a diferente frecuencia.......................................................................
80
Fig. 4.27. Posición de medidas de dureza......................................................................
81
xii
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1.1. Características del ABS...............................................................................
7
Tabla 1.2. Características del Poliestireno (PS)............................................................
8
Tabla 1.3. Características del Polietileno (PE)..............................................................
9
Tabla 1.4. Características del Polipropileno (PP).........................................................
9
Tabla 2.1. Parámetros de moldeo de las probetas.........................................................
44
Tabla 3.1. Tabla de propiedades mecánicas de los polímeros de puesta a punto de la
MTS 10 Ton.................................................................................................
53
Tabla 3.2. Propiedades mecánicas de los polímeros. Ensayos realizados a 20
mm/min........................................................................................................
55
Tabla 4.1. Vida a fatiga para diferentes frecuencias en el ABS....................................
58
Tabla 4.2. Vida a fatiga de los diferentes polímeros estudiados...................................
61
Tabla 4.3. Cambio de temperatura para el ABS a ciclos de vida cortos.......................
71
Tabla 4.4. Cambio de temperatura para el MABS a ciclos de vida cortos....................
72
Tabla 4.5. Cambio de temperatura para el PP a vida a fatiga corta..............................
73
Tabla 4.6. Cambio de temperatura para el PSAI a ciclos de vida cortos......................
74
Tabla 4.7. Propiedades del ABS antes y después de fatiga...........................................
75
Tabla 4.8. Propiedades del MABS antes y después de fatiga.......................................
76
Tabla 4.9. Propiedades del PEBD antes y después de fatiga........................................
77
Tabla 4.10. Propiedades del PP antes y después de fatiga............................................
78
Tabla 4.11. Propiedades del PSAI antes y después de fatiga........................................
79
Tabla 4.12. Durezas medidas a probetas de ABS, fatigadas a diferentes frecuencias..
81
Tabla 4.13. Durezas Shore D medidas en el ABS.........................................................
82
xiii
Tabla 4.14. Durezas Shore D medidas en el MABS.....................................................
82
Tabla 4.15. Durezas Shore D medidas en el PEBD......................................................
83
Tabla 4.16. Durezas Shore D medidas en el PP............................................................
83
Tabla 4.17. Durezas Shore D medidas en el PSAI........................................................
84
xiv
SIMBOLOS Y ABREVIATURAS
ABS: Acrilonitrilo- butadieno-estireno
εae:
Amplitud de la deformación elástica.
εap:
Amplitud de la deformación plástica.
εat:
Amplitud de la deformación total.
ε r:
Deformación a rotura
f:
Frecuencia.
ICP:
Instituto Catalán del Plástico.
J”:
Pérdida de “complaciencia” a la temperatura y frecuencia de ensayo.
MABS: Metacrilato-acrinolitrilo-butadieno-estireno
N:
Número de ciclos.
PE:
Polietileno.
PEAD: Polietileno de alta densidad.
PEBD: Polietileno de baja densidad.
POM: Polioximetileno, también conocido como poliacetal.
PP:
Polipropileno.
PS:
Poliestireno.
PSAI: Poliestireno de alto impacto.
PVC: Cloruro de polivinilo.
R:
Relación de esfuerzos.
Sy:
Límite de fluencia.
USB: Universidad Simón Bolívar.
∆ε/2: Deformación media.
σa:
Esfuerzo amplitud.
σm:
Esfuerzo medio.
INTRODUCCIÓN
En las últimas décadas el empleo de materiales poliméricos se ha incrementado notablemente,
utilizándose en la elaboración de partes automotrices, aviones, electrodomésticos, motores, y
artículos de uso común (envases, porta celulares, bolsas, juguetes, etc.). Esto significa que
para el diseño estructural de productos con polímeros han de conocerse las propiedades
mecánicas de los mismos ante la aplicación de cargas estáticas, monotónicas y cíclicas.
La fatiga es un mecanismo de deformación en el material que puede conducir al deterioro del
mismo y posteriormente a la fractura, hecho que debe ser considerado en el diseño de un
componente bajo cargas dinámicas. Los parámetros de resistencia obtenidos a partir de
ensayos de fatiga pueden ser totalmente diferentes a los aportados por ensayos estáticos,
monotónicos o de impacto. Los mecanismos que controlan la falla por fatiga de los polímeros
son complejos e implican variables no susceptibles al análisis, tales como defectos
microscópicos; o difíciles de generalizar, por ejemplo velocidad de transferencia de calor. Por
lo tanto, la generación de materiales con propiedades para propósitos de ingeniería se ha
basado sobre todo en la prueba empírica más bien que en análisis matemáticos. Los datos de
ensayos son muy provechosos para entender el funcionamiento de la fatiga de los plásticos, la
selección de material y el diseño. Sin embargo esta guía es cualitativa, los cálculos numéricos
del diseño generalmente se limitan a las situaciones del uso final que son muy similares a las
condiciones de ensayo.
Existe muy poca información sobre el comportamiento ante cargas cíclicas (cargas de fatiga)
de los materiales poliméricos con propósitos generales, lo cual hace que este campo de estudio
esté abierto a nuevas investigaciones. Es por ello que se desarrolló un trabajo de laboratorio
con la finalidad de establecer una metodología que sirva como base para el desarrollo a futuro
2
de investigaciones, a un nivel más profundo, de los cambios estructurales ocurridos en los
polímeros en el proceso de fatiga.
Para la mejor comprensión del trabajo, en el Capítulo I se presenta una revisión bibliográfica
de los estudios hechos en fatiga de materiales poliméricos. La revisión comienza con una
breve descripción de los polímeros y las características y propiedades mecánicas de los
plásticos más usados. Posteriormente se hace referencia a las principales variables usadas en el
estudio de fatiga en polímeros y las curvas y diagramas que se utilizan para medir el
comportamiento del material ante cargas cíclicas. En la parte final del capítulo, se presentan
los trabajos realizados previamente a esta investigación y la importancia de los mismos.
El Capítulo II describe el procedimiento experimental empleado. Los materiales utilizados y
los parámetros de fabricación de las probetas, también se detallan los diferentes ensayos
realizados y las condiciones de trabajo.
Se estudió el comportamiento ante cargas monotónicas, para establecer las condiciones de
trabajo en los ensayos de fatiga. Los resultados de este estudio se presentan en el Capítulo III,
en donde se observa las propiedades mecánicas de los polímeros a diferentes velocidades de
ensayo.
Los resultados experimentales de los ensayos de fatiga se presentan en el Capitulo IV, en
donde se presenta la influencia de la frecuencia en la vida a fatiga, se obtienen las curvas S-N,
las curvas de Goodman y las curvas de histéresis. En este capítulo se muestra la variación de
temperatura en el material durante los ensayos, y se determina la diferencia en las propiedades
mecánicas (dureza y tracción), antes y después de ocurrido el proceso de fatiga.
Finalmente, en los Capítulos V y VI se presentan las conclusiones del trabajo y algunas
sugerencias que podrían servir para el mejoramiento de la metodología y para caracterizar a
los materiales de estudio, en un mayor rango de esfuerzo medio y amplitud.
CAPÍTULO I
MARCO TEÓRICO
1.1 Polímeros
Un polímero es un material que está constituido por moléculas de cadena larga, que a su vez
consisten de unidades repetitivas que se conectan entre sí. Puede haber miles o millones de
unidades en una sola molécula de polímero. El término se deriva de las palabras griegas poly,
que significa muchos, y meros que significa parte [1]. Las pequeñas unidades, llamadas
monómeros, son generalmente moléculas orgánicas insaturadas simples, los átomos se
mantienen unidos en esta molécula por medio de enlaces covalentes, y cuando se unen para
formar el polímero, esos mismos enlaces mantienen unidos a los eslabones de la cadena.
Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño
normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una muy buena
resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de
atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de
varias clases. Las más comunes son las fuerzas de Van der Waals, las fuerzas de atracción
dipolo-dipolo, enlaces de hidrógeno y atracciones iónicas.
Muchos sólidos moleculares tienen estructura cristalina, sin embargo, una característica propia
de los polímeros es que pueden ser sintetizados, tanto en forma amorfa como en forma
cristalina; aunque estrictamente los polímeros llamados “cristalinos” presentan cierta cantidad
de fase amorfa siendo, en realidad, semicristalinos. En la Figura 1.1 se observan las regiones
cristalizadas en un polímero.
4
Región amorfa
Cristalina
(a)
Cadenas moleculas dobladas
(b)
Fig. 1.1. Regiones cristalizadas en un polímero, (a) moléculas largas formando cristales mezclados al
azar con el material amorfo; y (b) laminilla de cadena plegada, forma típica de una región cristalizada
[1].
1.1.1 Plásticos
Son todos aquellos materiales poliméricos orgánicos que pueden deformarse hasta conseguir
una forma deseada por medio de extrusión, moldeo o hilado. Las moléculas pueden ser de
origen natural, por ejemplo la celulosa, la cera y el caucho (hule) natural, o sintéticas, como el
polietileno y el nylon. Los materiales empleados en su fabricación son resinas en forma
granulada, en polvo o en disolución. Con estos materiales se fabrican los productos plásticos
terminados.
El uso de los plásticos en aplicaciones ingenieriles está en constante aumento debido a factores
como su ligereza, bajo coste y facilidad de fabricación; además, algunos polímeros presentan
propiedades características que los hacen insustituibles en ciertas aplicaciones.
Plástico es un concepto genérico que abarca:
-
Termoplásticos.
5
-
Termoestables
-
Elastómeros.
Plásticos termoplásticos: Son polímeros de cadenas largas que cuando se calientan se
reblandecen y pueden moldearse a presión. Representan el 78-80% de consumo total. Los
principales son: polietileno (PE), polipropileno (PP), cloruro de polivinilo (PVC), poliestireno
(PS), acrilonitrilo- butadieno-estireno (ABS).
Plásticos termoestables: Estos materiales se caracterizan por tener cadenas poliméricas
entrecruzadas, formando una resina con una estructura tridimensional que no se funde.
Polimerizan irreversiblemente bajo calor y/o presión formando una masa rígida y dura. Las
uniones cruzadas se pueden obtener mediante agentes que las provoquen, como en el caso de
la producción de las resinas epoxídicas. Pertenecen a este grupo el poliuretano, las resinas de
urea y la melamina con formaldehído, las resinas fenólicas, las epoxídicas y las de poliéster.
Elastómeros: Tienen una estructura intermedia, en la cual se permite que ocurra una ligera
transformación de enlaces cruzados entre las cadenas moleculares. Los elastómeros son
capaces de deformarse elásticamente en grandes magnitudes sin cambiar de forma
permanentemente. Típicamente son polímeros amorfos que no cristalizan fácilmente. Tienen
una baja temperatura de transición vítrea y las cadenas se pueden deformar elásticamente con
facilidad al aplicar una fuerza.
1.1.2 Tipos de plásticos
Se puede establecer la siguiente clasificación de los plásticos: por el proceso de
polimerización, por la forma en que pueden procesarse y por su naturaleza química.
Polimerización: Por el proceso de polimerización, los plásticos se pueden clasificar en
polímeros de condensación y polímeros de adición. Las reacciones de condensación producen
diferentes longitudes de cadena, mientras que las reacciones de adición producen longitudes
específicas. Por otro lado, las polimerizaciones por condensación generan pequeñas cantidades
de subproductos, como agua, amoníaco y etilenglicol, mientras las reacciones de adición no
6
producen ningún subproducto. Algunos polímeros típicos de condensación son el naylon, los
poliuretanos y los poliésteres. Entre los polímeros de adición se encuentran el polietileno, el
polipropileno, el policloruro de vinilo y el poliestireno. Los pesos moleculares medios de los
polímeros de adición son generalmente mayores que los de los polímeros de condensación.
Forma de procesado: El plástico se procesa de formas distintas, según sea termoplástico o
termoestable. Los termoplásticos, formados por polímeros lineales o ramificados, pueden
fundirse. Se ablandan cuando se calientan y se endurecen al enfriarse. Lo mismo ocurre con
los plásticos termoestables que están poco entrecruzados. No obstante, la mayoría de los
termoestables ganan en dureza cuando se calientan; el entrecruzado final que los vuelve
rígidos se produce cuando se ha dado forma al plástico.
Naturaleza química: La naturaleza química de un plástico depende del monómero (la unidad
repetitiva) que compone la cadena del polímero. Por ejemplo, las poliolefinas están
compuestas de monómeros de olefinas, que son hidrocarburos de cadena abierta con al menos
un doble enlace. El polietileno es una poliolefina. Su monómero es el etileno. Otros tipos de
polímeros son los acrílicos (como el polimetacrilato), los poliestirenos, los halogenuros de
vinilo (como el policloruro de vinilo), los poliésteres, los poliuretanos, las poliamidas (como el
naylon), los poliéteres, los acetatos y las resinas fenólicas o de aminas.
1.1.2.1 Plásticos comunes y sus usos
Entre los plásticos más utilizados se encuentran [1]:
- Acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS): ABS es el nombre abreviado de un plástico
de ingeniería que reúne una excelente combinación de propiedades mecánicas como
tenacidad, resistencia al choque y dureza superficial. El ABS es un terpolímero de dos
fases, una fase es el copolímero duro estireno-acrilonitrilo, mientras que la otra fase es
el copolímero estireno-butadieno, de consistencia elastomérica. El nombre del plástico
se deriva de los tres monómeros iniciales, los cuales se mezclan en varias
proporciones. Sus aplicaciones típicas incluyen componentes para la industria
7
automovilística, fabricación de muebles, chasis de televisores, radios, paneles y
accesorios para tubos. En la tabla 1.1 se presenta la información general para el ABS.
Tabla 1.1. Características del ABS [1].
Polímero: Terpolímero de acrilonitrilo (C3H3N),
butadieno (C4H6), y estireno (C8H8)
Símbolo: ABS
Método de polimerización: Adición
Grado de cristalinidad: Ninguno (amorfo)
Módulo de elasticidad: 300.000 lb/pulg2 (2100 MPa)
Resistencia a la tensión: 7.000 lb/pulg2 (50 MPa)
Elongación: 10 a 30%
Gravedad específica: 1,06
- Poliestireno (PS): Hay varios polímeros, copolímeros y terpolímeros basados en el
monómero del estireno (C8H8), de los cuales el PS se usa en mayor volumen. Sus
características se observan en la Tabla 1.2. Es un homopolímero lineal con estructura
amorfa, notable por su fragilidad. El PS es transparente, fácilmente coloreable y
moldeable, se degrada a temperaturas elevadas y se disuelve en varios solventes. Debido
a su fragilidad algunos grados del poliestireno contienen de 5 a 15% de elastómero y se
les conoce con el nombre de poliestireno de alto impacto PSAI (HIPS en inglés). Poseen
alta tenacidad pero reducida transparencia y resistencia a la tensión. Además de sus
aplicaciones en el moldeado por inyección (por ejemplo, juguetes moldeados,
electrodomésticos, interruptores), el PS también se utiliza en empaque bajo la forma de
espumas de poliestireno.
- Polietileno (PE): El polietileno se sintetizó por primera vez en la década de los treinta, y
actualmente representa el volumen de consumo más grande de todos los plásticos. Las
características que hacen tan atractivo el polietileno son: bajo costo, inercia química y
8
fácil procesado. Se encuentra disponible en varios grados, los más comunes son el
polietileno de baja densidad PEBD (LDPE en inglés) y el polietileno de alta densidad
PEAD (HDPE en inglés). El de baja densidad es un polímero altamente ramificado y con
baja cristalinidad y densidad. Sus aplicaciones incluyen láminas, películas y aislamiento
para alambres. El de alta densidad tiene una estructura lineal, con mayor cristalinidad y
densidad, estas diferencias lo hacen más rígido y fuerte y le dan una mayor temperatura
de fusión. El PEAD se usa para producir botellas, tubos y artículos domésticos. Las
propiedades de los dos grados se dan en la tabla 1.3.
Tabla 1.2. Características del Poliestireno (PS) [1].
Polímero: Poliestireno (C8H8) n
Símbolo: PS
Método de polimerización: Adición
Grado de cristalinidad: Ninguno (amorfo)
Módulo de elasticidad: 450.000 lb/pulg2 (3200 MPa)
Resistencia a la tensión: 7.000 lb/pulg2 (50 MPa)
Elongación: 1%
Gravedad específica: 1,05
Temperatura de transición vítrea: 212 ºF (100 ºC)
Temperatura de Fusión: 464 ºF (240 ºC)
- Polipropileno (PP): Desde su introducción en 1950, el PP se ha convertido en uno de
los plásticos de mayor uso, especialmente para el moldeo por inyección. El polipropileno
puede sintetizarse en cualquiera de las tres estructuras: isotáctica, sindiotáctica o atáctica,
pero la primera es la de mayor importancia a causa de su alta relación de resistencia/peso
(Tabla 1.4). El polipropileno se compara frecuentemente con el polietileno debido a su
costo y a que muchas de sus propiedades son similares. Sin embargo, el punto de fusión
más alto del polipropileno permite usarlo en ciertas aplicaciones que nos son posibles
con el polietileno, como por ejemplo componentes que necesitan esterilizarse. Otras
aplicaciones son partes moldeadas por inyección para automóviles y aparatos
9
domésticos, así como productos de fibra para alfombras. Una aplicación especial que se
le da son las bisagras de una sola pieza que pueden sujetarse a un gran número de ciclos
de flexión sin que ocurran fallas o fractura.
Tabla 1.3. Características del Polietileno (PE) [1].
Polímero: Polietileno
(C2H4) n
Símbolo: PEBD (LDPE)
Método de polimerización: Adición
PEAD (HDPE)
Adición
Grado de cristalinidad: 55% Típico
92% Típico
2
Módulo de elasticidad: 20.000 lb/pulg
(150 MPa)
Resistencia a la tensión: 2.000 lb/pulg2
(15 MPa)
Elongación: 100 a 500%
Gravedad específica: 0,92
Temperatura de transición vítrea: - 148 ºF (-100 ºC)
Temperatura de Fusión: 240 ºF (115 ºC)
100.000 lb/pulg2
(150 MPa)
4.000 lb/pulg2
(30 MPa)
20 a 100%
0,96
- 175 ºF (-115 ºC)
275 ºF (135 ºC)
Tabla 1.4. Características del Polipropileno (PP) [1].
Polímero: Polipropileno (C3H6) n
Símbolo: PP
Método de polimerización: Adición
Grado de cristalinidad: Alto, pero varía con el procesamiento
Módulo de elasticidad: 200.000 lb/pulg2 (1400 MPa)
Resistencia a la tensión: 5.000 lb/pulg2 (35 MPa)
Elongación: De 10 a 500% dependiendo de los adictivos
Gravedad específica: 0,90
Temperatura de transición vítrea: -4 ºF (-20 ºC)
Temperatura de Fusión: 349 ºF (176 ºC)
10
1.1.3 Fabricación de los plásticos
La fabricación de los plásticos y sus manufacturados implica cuatro pasos básicos: obtención
de las materias primas, síntesis del polímero básico, obtención del polímero como un producto
utilizable industrialmente, y moldeo o deformación del plástico hasta su forma definitiva.
Materias primas: La mayoría de los plásticos se elaboran con derivados del petróleo. Las
materias primas derivadas del petróleo son económicos como abundantes. No obstante, dado
que las existencias mundiales de petróleo tienen un límite, se están investigando otras fuentes
de materias primas, como la gasificación del carbón.
Síntesis de polímeros: El primer paso en la fabricación de un plástico es la polimerización (las
reacciones de condensación y las de adición). Estos métodos pueden llevarse a cabo de varias
maneras.
- La polimerización en masa: se polimeriza sólo el monómero, por lo general en una fase
gaseosa o líquida.
- La polimerización en disolución: se forma una emulsión que luego se coagula.
- La polimerización por interfase: los monómeros se disuelven en dos líquidos inmiscibles
y la polimerización tiene lugar en la interfase entre los dos líquidos.
Aditivos: Con frecuencia se utilizan aditivos químicos para conseguir una propiedad
determinada. Por ejemplo, los antioxidantes protegen al polímero de degradaciones químicas
causadas por el oxígeno o el ozono. De una forma parecida, los estabilizadores lo protegen de
la intemperie. Los plastificantes producen un polímero más flexible, los lubricantes reducen la
fricción y los pigmentos colorean los plásticos. Algunas sustancias ignífugas y antiestáticas se
utilizan también como aditivos. Muchos plásticos se fabrican en forma de material compuesto,
lo que implica la adición de algún material de refuerzo (normalmente fibras de vidrio o de
carbono) a la matriz de la resina plástica. Los materiales compuestos tienen la resistencia y la
estabilidad de los metales, pero por lo general son más ligeros. Las espumas plásticas,
compuestas de plástico y gas, proporcionan una masa de gran tamaño pero muy ligera.
11
Forma y acabado: Las técnicas empleadas para conseguir la forma final y el acabado de los
plásticos dependen de tres factores: tiempo, temperatura y deformación. Las operaciones más
comunes son: extrusión, moldeo por compresión, moldeo por inyección, termoformado,
calandrado, hilado, colada, moldeo por transferencia, espumas, mecanizado.
- Extrusión: El material caliente y fluido se hace pasar a través de orificios (troquel de
extrusión) que le dan la forma continua deseada.
- Moldeo por compresión: La materia prima plástica, en forma de polvo seco, se introduce
en el molde, se la somete a presión y temperatura elevada, hasta que el material plástico
que rellena el molde se solidifica. Este proceso es principalmente utilizado en plásticos
termoestables.
- Moldeo por inyección: La materia prima se calienta en un cilindro de presión que inyecta
la resina fundida, a través de una boquilla, en la cavidad de un molde provisto de un
sistema de refrigeración que solidifica rápidamente el plástico inyectado; un sistema
automático expulsa la pieza fuera del molde. Este procedimiento es de utilidad en el
moldeo de materiales termoplásticos.
- Termoformado: Las hojas de polímero termoplástico que son calentadas hasta llegar a la
región plástica se pueden conformar sobre un molde para producir diversos productos,
tales como cartones para huevo y paneles decorativos. El conformado se puede efectuar
utilizando pistones, vacío y aire a presión.
- Calandrado: Consiste en verter plástico fundido en un juego de rodillos con una pequeña
separación. Los rodillos, que pudieran estar grabados con algún dibujo, presionan al
material y forman una hoja delgada del polímero, a menudo cloruro de polivinilo.
Productos típicos de este método incluyen losetas de vinilo para piso y cortinas para
regadera.
12
- Hilado: Se pueden producir filamentos, fibras e hilos mediante el hilado. El polímero
termoplástico fundido se empuja a través de un cabezal, que contiene muchas
perforaciones pequeñas. El cabezal, conocido como hilador, puede girar y producir un
hilado. En algunos materiales como el nylon, la fibra puede ser posteriormente estirada
para alinear las cadenas a fin de que queden paralelas al eje de la fibra; este proceso
incrementa su resistencia.
- Colada: La mayoría de los polímeros se pueden colar en moldes, dejando que se
solidifiquen. Los moldes pueden ser placas de vidrio, para producir láminas de plástico
gruesas, o bandas de acero inoxidables para colada continua de láminas más delgadas.
Un proceso especial de colada es el moldeo centrífugo, en el cual el polímero fundido se
vacía en un molde que gira sobre dos ejes. La acción centrífuga empuja al polímero
contra las paredes del molde, produciendo una forma delgada.
- Moldeo por transferencia: Requiere de una cámara doble. El polímero en una de las
cámaras es calentado a presión. Una vez fundido se inyecta en la cavidad del molde
adyacente. Este proceso permite que algunas de las ventajas del moldeo por inyección se
usen con polímeros termoestables.
- Espumas: El producto final es un polímero que contiene espacios huecos. Para lograr
esto el polímero se produce en pequeñas bolitas que contienen un agente espumante, que
al ser calentado se descompondrá, generando algún gas. Durante este proceso de
preexpansión, las bolitas aumentan de tamaño 50 veces y se hacen huecas. A
continuación, las bolitas preexpandidas se inyectan dentro de un molde, para fundirlas y
unirlas a fin de formar productos excepcionalmente ligeros.
- Mecanizado: Muchos plásticos son de fácil mecanización una vez transformados en
productos industriales, de ahí que se puedan tornear, limar, taladrar, etc., pudiendo
obtener la pieza totalmente mecanizada. Este procedimiento sólo se utiliza si se trata de
obtener muy pocas piezas que no compense el construir el molde.
13
1.1.4 Propiedades mecánicas de los polímeros
Las propiedades mecánicas de un material describen el modo en que éste responde a la
aplicación de una fuerza o carga. Solamente se pueden ejercer tres tipos de fuerzas mecánicas
que afecten a los materiales: compresión, tensión y cizalla, como se muestra en la Figura 1.2.
Las pruebas mecánicas consideran estas fuerzas por separado o combinadas. Las pruebas de
tracción, compresión y cizalla sirven para medir sólo una fuerza, mientras que las de flexión,
impacto y dureza implican dos o más fuerzas simultáneas [2].
Fig. 1.2. Tipos de tensión. [2].
Seguidamente se ofrece una breve explicación sobre algunas pruebas aplicadas para
determinar las propiedades mecánicas. Dichas pruebas son resistencia a la tracción,
compresión, flexión y dureza.
Resistencia a la tracción (ISO 527, ASTM D-638): El ensayo normal a la tensión se emplea
para obtener varias características y resistencias que son útiles en el diseño. La Figura 1.3
muestra una probeta para ensayos de tensión, en donde W y T (área de la sección transversal)
y L (longitud calibrada), que sirven para medir las deformaciones, se registran antes de iniciar
el ensayo. La probeta se monta luego en la máquina de ensayos y se carga lentamente a
tensión mientras se observan los valores de carga aplicada y de deformación producida. Al
14
concluir la prueba o durante ella los valores se llevan a una gráfica llamada diagrama esfuerzodeformación Figura 1.4. [3].
Fig. 1.3. Probeta plana para ensayo de tracción de polímeros.
Fig. 1.4. Diagrama esfuerzo-deformación obtenido a partir del ensayo normal a la tensión de un
material dúctil. El punto P indica el límite proporcional; E, el límite elástico; Y, la resistencia a la
fluencia convencional determinada por corrimiento paralelo (offset) según la deformación seleccionada
OA; U, la resistencia última o máxima, y F, el esfuerzo de fractura o ruptura [3].
Resistencia a la compresión (ISO 604, ASTM D-695): La resistencia a la compresión es un
valor que indica la fuerza necesaria para romper o triturar un material. Los valores de
resistencia a la compresión pueden ser útiles tanto para distinguir entre cualidades de plásticos
como para comparar plásticos con otros materiales. La resistencia a la compresión reviste una
especial importancia en las pruebas de plásticos celulares y expandidos. Para determinar la
15
resistencia a la compresión se divide la carga máxima (fuerza) en newtons por la superficie del
espécimen en metros cuadrados (Pa).
Resistencia a la flexión (ISO 178, ASTM D-790 y D-747): La resistencia a la flexión mide la
cantidad de tensión (carga) que se puede aplicar en un material sin que se rompa. Al doblar
una muestra participan tanto fuerzas de tracción como de compresión. Teniendo en cuenta que
la mayoría de los plásticos no se rompen al curvarlos, no es fácil calcular la resistencia a la
flexión en la fractura. En el método de ASTM, en la mayor parte de los termoplásticos y
elastómeros se mide cuando se produce un 5% de deformación en las muestras. La forma de
hallarla consiste en medir la carga en pascales que hace que la muestra se estire un 5%. En el
procedimiento ISO, se mide la fuerza cuando el pliegue equivale a 1,5 veces el grosor de la
muestra. [2].
Dureza (ASTM D-240): El término dureza no describe una propiedad mecánica concreta o
simple de los plásticos. La resistencia al rayado, el desgaste y la abrasión están muy
conectados con la dureza. No obstante, una definición de dureza generalmente aceptada es la
resistencia a la compresión, penetración y rayado. Existen varios tipos de instrumentos para
medir la dureza. Dado que cada uno de dichos instrumentos tiene su propia escala de
calibración, los valores deberán identificar también la escala utilizada. Entre los más
conocidos se pueden mencionar Rockwell, Wilson, Barcol, Brinell y Shore. Para los plásticos
blandos o flexibles, se puede emplear un durómetro Shore y se han establecido dos gamas de
dureza Shore, en el tipo A se utiliza un penetrador con forma de varilla roma para probar los
plásticos blandos, y en el tipo D se emplea un penetrador con forma de varilla puntiaguda para
medir los materiales más duros. Se toma el valor o se hace la lectura después de presionar
manualmente durante 10 segundos, el intervalo de la escala va de 0 a 100.
1.1.5 Comportamiento viscoelástico de los polímeros
Otra propiedad que es característica de los polímeros termoplásticos es la viscoelasticidad.
Esta propiedad determina la deformación que experimenta un material cuando se somete a
combinaciones de esfuerzo y temperatura a través del tiempo. Como su nombre lo indica es
16
una combinación de viscosidad con elasticidad. En la Figura 1.5 se observa la respuesta típica
de dos materiales a la aplicación de un esfuerzo por debajo del punto de fluencia durante cierto
período de tiempo. El material en la parte (a) exhibe una perfecta elasticidad; cuando el
esfuerzo cesa, el material regresa a su forma original. En cambio, el material en la parte (b)
muestra un comportamiento viscoelástico. La cantidad de deformación aumenta gradualmente
a través del tiempo bajo el esfuerzo aplicado. Cuando se retira el esfuerzo, el material no
regresa inmediatamente a su forma original, sino que la deformación decae gradualmente. Si
el esfuerzo se hubiera aplicado y removido inmediatamente, el material podría haber retornado
de inmediato a su forma original, pero el tiempo hizo su aparición y jugó su papel afectando el
comportamiento del material.
Fig. 1.5. Comparación de las propiedades elásticas y viscoelásticas: (a) respuesta perfectamente
elástica de un material a un esfuerzo aplicado durante un tiempo, y (b) respuesta de un material
viscoelástico bajo las mismas condiciones [1].
La velocidad de deformación y la temperatura son factores importantes en la viscoelasticidad.
A una baja velocidad de deformación el material exhibe un flujo viscoso significativo, y a una
alta velocidad de deformación se comporta de una manera mucho más frágil como se aprecia
en la Figura 1.6. La temperatura también influye y a medida que ésta aumenta, el
comportamiento viscoelástico se hace cada vez más prominente sobre el comportamiento
17
elástico y el material se asemeja más a un fluido. En la Figura 1.7 se ilustra esta dependencia
de la temperatura de un polímero termoplástico. A temperaturas bajas, el polímero muestra un
comportamiento elástico. A medida que ésta aumenta por encima de la temperatura de
transición vítrea Tg, el polímero se convierte en viscoelástico. Conforme la temperatura se
incrementa, se convierte en un material blando de consistencia elastomérica. Y a temperaturas
todavía mayores exhibe características viscosas. La temperatura a la cual aparecen estos
comportamientos varía de acuerdo al tipo de plástico. También la forma de la curva del
módulo contra la temperatura difiere de acuerdo a la proporción de estructuras cristalinas y
amorfas del termoplástico. Los elastómeros y polímeros termoestables se comportan de forma
diferente a la mostrada en la figura; estos polímeros no se ablandan a temperaturas elevadas
como lo hacen los termoplásticos, sino que se degradan (carbonizan).
Fig. 1.6. Curva esfuerzo contra deformación de un material vicoelástico (polímero termoplástico) [1].
1.2 Fatiga
Se puede definir el término fatiga como la resistencia de los materiales bajo la acción de carga
cíclica. Este fenómeno es complejo y el entendimiento básico del mismo puede ser
considerado bastante incompleto. Los estudios del comportamiento mecánico de los materiales
bajo condiciones cíclicas de deformación hacen énfasis generalmente en la investigación de
los cambios implícitos directamente en el proceso cíclico. Estos estudios incluyen aspectos
como la curva de histéresis y el significado físico del área encerrada por ella, la dependencia
del esfuerzo y/o la deformación con el número de ciclos, N, la vida a fatiga del material como
18
una función de las amplitudes del esfuerzo o de la deformación, y la mecánica de la fractura
envuelta en la falla.
Fig.1.7. El módulo viscoelástico como una función de la temperatura
para un polímero termoplástico [1].
1.2.1 Etapa de endurecimiento y/o ablandamiento cíclico
El método más adecuado para investigar el fenómeno de endurecimiento y/o ablandamiento
cíclico de un material sometido a deformación bajo condiciones cíclicas es a través del estudio
continuo de la curva de histéresis. La Figura 1.8 muestra un esquema de una curva de
histéresis típica de un material. En ella σa es definida como la amplitud del esfuerzo aplicado,
εat es la amplitud de la deformación total, εap es la amplitud de la deformación plástica y εae es
la amplitud de la deformación elástica, tal que εat = εap + εae. [4].
Dos tipos de ensayos para el estudio del comportamiento mecánico de materiales, sometidos a
condiciones cíclicas de trabajo, son comunes en la literatura: a carga controlada y a
deformación controlada. En ensayos a carga controlada, el material es deformado al aplicarle
una carga cíclica entre límites fijos de carga. Estos límites pueden ser: i) ambos positivos o
negativos, en cuyo caso el esfuerzo medio es de tensión o de compresión, respectivamente, o
ii) uno positivo y el otro negativo, en cuyo caso el carácter del esfuerzo medio dependerá de
19
los valores relativos de los límites. En el caso de que ambos límites sean iguales en valor
absoluto, se define el caso de la aplicación de cargas en forma cíclica y simétrica, y por tanto
el valor medio del esfuerzo es cero. Un esfuerzo medio nulo permite estudiar la respuesta
mecánica del material debida exclusivamente a fatiga, ya que en cualquier otro caso, la
deformación debida al fenómeno de fluencia se hace presente. En ensayos a carga controlada,
la amplitud de la deformación es la única variable que físicamente puede experimentar
cambios. Cuando la amplitud de la deformación, ya sea la total o la plástica, decrece a medida
que el número de ciclos incrementa, se presenta el caso de “endurecimiento cíclico”. En el
caso contrario, se observa un “ablandamiento cíclico” del material. Por su parte, en ensayos a
deformación controlada, un incremento del esfuerzo, para satisfacer los límites de deformación
pre-fijados, con el número de ciclos, refleja el caso de “endurecimiento cíclico”. Un
decremento del esfuerzo con el número de ciclos implica el caso de “ablandamiento cíclico”
[4]. La figura 1.9 muestra esquemáticamente los casos descritos para ambos tipos de ensayo.
1.2.2 Curvas S-N ó Wöhler
A. Wöhler llevó a cabo experimentos sistemáticos sobre lo así llamado fatiga durante 1852 y
1870 [5]. El introdujo la curva S-N (Tensión-Número de ciclos) llamadas curvas de Whoeler,
lo cual representa una de las características básicas de fatiga. Estas curvas dan la relación entre
la amplitud de las tensiones cíclicas y un número de ciclos para su rotura. Esta curva puede
graficarse en papel semilog o log-log. El empleo de papel logarítmico destaca el recodo o
ángulo de la curva, que no se manifestaría si los resultados se graficaran en un sistemas de
coordenadas cartesianas. Las ordenadas del diagrama S-N son las resistencias a la fatiga Sf. Al
expresar este tipo de resistencia también debe indicarse el número de ciclos que corresponde
(Figura 1.10). En las Figuras 1.11 y 1.12 se muestran los dos tipos de comportamiento que se
observan en la curva S-N.
20
Fig.1.8. Esquema del comportamiento de histéresis de un material durante deformación cíclica [4].
Fig. 1.9. Endurecimiento y ablandamiento cíclico bajo condiciones de: (a) carga controlada; y (b)
deformación controlada [4].
21
Fig. 1.10. Diagrama S-N trazado a partir de los resultados de pruebas de fatiga axial en un
acero UNS G41300 [5].
Fig. 1.11. Materiales que presentan límite de fatiga [5].
1.2.3 Diagramas de vida constante
La proporción entre las componentes media y alterna de la tensión cíclica es muy significativa
en el comportamiento de un material sometido a fatiga, por lo cual se han desarrollado
representaciones gráficas que presentan esta influencia de una forma más o menos equivalente.
Una de las representaciones más usuales es el diagrama de vida constante en el plano σm – σa
que relaciona la tensión media con la tensión alterna para un determinado número de ciclos.
22
Como se muestra en la Figura 1.13, este diagrama permite representar, incluyendo un factor de
seguridad, una frontera entre el fallo y la seguridad para un determinado tiempo de vida del
material. Si la frontera corresponde a una línea en el plano σm – σa se denomina regla lineal
de Goodman (1899) o bien la ley de Goodman modificada, también se suele llamar diagrama
de Goodman
Fig.1.12. Materiales que no presentan límite de fatiga [3].
.
Fig. 1.13. Diagrama de vida constante. Sut es el límite de resistencia a la tracción y Se en el
vertical es el límite de fatiga [3].
23
1.3 Fatiga en plásticos
Los materiales plásticos son usados con frecuencia en aplicaciones en las que las cargas son
intermitentes y las piezas se encuentran sometidas a estados continuos y cíclicos de tensión o
de carga y descarga. Así, por ejemplo, un diente de engranaje está sujeto a una carga continua
rotacional y una carga local de flexión en el diente de engrane. Cada diente sufre un ciclo de
carga y descarga por vuelta de la rueda.
Las piezas de plástico sometidas a cargas cíclicas fallarán a niveles de tensión que se
encuentran por debajo de su límite de resistencia elástica. El efecto acumulativo de múltiples
ciclos puede causar el fallo a tensiones muy por debajo del límite elástico del material. La
reducción se debe a factores ya citados como la histéresis, cambios de morfología,
microvacíos y formación de micro-grietas. Las características a fatiga de una pieza quedarán
condicionadas por el material y el diseño de la pieza [6].
Las características a fatiga se determinan llevando a cabo un ensayo de tensión o deflexión
dinámica. En ellos se somete la probeta a una serie de cargas cíclicas y se determinan las
relaciones entre la tensión (o deformación) aplicada y el número de ciclos necesario para el
fallo. El ensayo puede conducirse en condiciones de tensión, compresión, flexión o torsión.
Si se presenta el esfuerzo aplicado en función del número de ciclos se obtienen unas curvas
que muestran una pendiente negativa seguida de una zona constante en la que parece que el
material no rompería. El valor de este esfuerzo o tensión se denomina límite de resistencia a
fatiga. Para algunos plásticos no existe una tensión límite por debajo de la cual no ocurre el
fallo. En este caso se define arbitrariamente el límite de endurecimiento o límite de resistencia
a la fatiga, como el nivel de tensión que no causará fallo hasta un determinado número de
ciclos aceptable.
La utilidad de los gráficos S-N estriba en que permiten estimar el tiempo de vida en función de
las condiciones establecidas frente a un parámetro de diseño. Sin embargo, es usual trabajar
24
con amplios coeficientes de seguridad por la incertidumbre de los defectos pre-existentes en la
pieza. Es posible asimismo constatar el efecto del espesor o la frecuencia, etc [7].
En la Figura 1.14 se muestran curvas obtenidas para numerosas familias de plásticos.
Fig. 1.14. Gráficos que representan el esfuerzo frente al logarítmico del número de ciclos para diversos
plásticos ingenieriles [7].
25
1.3.1 Mecanismos de Fatiga
En los materiales metálicos el proceso que conduce a la fatiga es bien conocido y ha sido
ampliamente estudiado, atribuyéndose a la propagación estable de grietas a partir de defectos
pre-existentes o a partir de microgrietas estructurales (dislocaciones). La acción cíclica de la
carga que hace avanzar la grieta hasta la sección remanente es incapaz de soportar la carga que
se aplica. En este momento se produce una propagación catastrófica de la grieta a lo largo del
material y en un solo ciclo [6].
En una pieza determinada existe una cierta población de defectos intrínsecos que varía con la
pieza o muestra, de modo que en términos de fatiga sólo se puede hablar de una determinada
probabilidad de fallo y de un rango de resistencias a fatiga.
En un material plástico el proceso no puede concluirse que sea similar al que acontece con los
metales. Dada la diferente estructura molecular de los plásticos, la iniciación de grieta es
diferente, aunque, en algunos casos, la propagación puede ser semejante.
En el caso de piezas que han sido mecanizadas, las irregularidades y pequeñas entallas
producidas, son capaces de iniciar la grieta. En este caso el proceso de iniciación es poco
importante y la resistencia a fatiga de dicha pieza será dependiente solamente de la capacidad
de propagación de la grieta generada en el interior del material en cuestión.
En los artículos que se fabrican por inyección, se crea una capa exterior protectora que inhibe
la creación (y por tanto la propagación) de grietas. En estos casos la generación de grieta
puede darse por deslizamiento molecular y producirse preferentemente en el interior de la
pieza. Sin embargo, las piezas inyectadas no están exentas de defectos, así las líneas de
soldadura, entallas, cantos, orificios, las cargas y pigmentos, pueden nuclear fácilmente
grietas. De particular importancia son los puntos concentradores de tensión.
Adicionalmente existen fenómenos, como la naturaleza de la carga, la frecuencia de la misma,
la viscoelasticidad del material, la conductividad térmica o el ambiente de trabajo de la pieza
que pueden modificar por completo la respuesta del artículo.
26
Las cargas dinámicas, debido a la viscoelasticidad del material, resultan en una generación de
calor. Si las piezas están fabricadas con polímeros de considerable fricción superficial y si el
período de la carga no es suficiente como para que la pieza evacue el calor generado, éste se
almacenará en su interior y la pieza se calentará y fallará por reblandecimiento. El problema
del calentamiento se acentúa si el ambiente de trabajo tiene una temperatura elevada (Figura
1.15). El efecto citado se denomina calentamiento por histéresis.
Fig. 1.15. Curva de histéresis para condiciones diferentes de temperatura en un
termoplástico [6].
En conclusión, los mecanismos por los que una pieza de plástico puede romper bajo
condiciones de fatiga son:
-
Propagación de grietas.
-
Rotura por reblandecimiento debido a calentamiento histéretico.
1.3.2 Variables
Las principales variables que tienen influencia relevante en el proceso de fatiga son:
-
La frecuencia de los ciclos
-
La forma de la onda
27
-
La tensión media o esfuerzo medio aplicado
-
El sistema de tensión aplicado
-
El método de control
Algunas de ellas se representan en la Figura 1.16.
Fig.1.16. Variables de esfuerzos asociadas en cargas cíclicas [7].
En donde:
Intervalo de esfuerzos: ∆σ = (σmax + σmin)
Amplitud de esfuerzo: σa = ½ (σmax - σmin)
Esfuerzo medio: σm = ½ (σmax + σmin)
Relación de esfuerzos: R = σmin / σmax
Tiempo: t
-
Efecto de la frecuencia de los ciclos.
En una pieza de plástico sometida a un ciclo fijo de amplitud de tensión, + σ1, los esfuerzos y
las deformaciones están desfasados. Este desfase puede ser pequeño, por ejemplo, en
termoestables con fibra, o grandes termoplásticos [6]. Durante los ciclos, parte de la energía
aplicada se transforma en calor. La histéresis y el calor producido dependen de los esfuerzos
28
aplicados y de una constante del material: la pérdida de “complacencia” (inversa del módulo
de pérdidas, G).
∆E = πσ2J”
(1)
∆E = Energía disipada por ciclo
σ = Pico de esfuerzo
J” = Pérdida de “complaciencia” a la temperatura y frecuencia de ensayo
Los materiales plásticos poseen unos coeficientes de transmisión de calor muy bajos, por lo
que son malos conductores del calor, como consecuencia, si son incapaces de liberar en cada
ciclo el calor generado, se incrementará su temperatura. Por unidad de tiempo, la energía
generada será:
E = πfσ2J”
(2)
f = frecuencia
Pueden ocurrir dos situaciones:
Caso 1.- Que después de una elevación de temperatura la velocidad de generación de calor y la
de transmisión sean iguales.
Caso 2.- Que el calor producido exceda al transmitido al exterior.
En el primer caso la temperatura del material aumenta hasta que llega un instante en el que la
temperatura de la pieza se iguala con la de su entorno y se estabiliza. Posteriormente tendrá
lugar la fractura convencional frágil. Una fractura de este tipo se representa en la Figura 1.17
en función del logaritmo del número de ciclos (ver σ1 en la Figura 1.17).
Si en un ensayo subsiguiente, se incrementa la amplitud de la tensión (σ2 en la Figura 1.17), el
material se estabilizará a una temperatura superior. Si se continúa aumentando el nivel de
tensiones llega a un punto en el que la temperatura del material no se estabiliza y se produce la
fractura en breve período de tiempo debido a un reblandecimiento y pérdida de propiedades en
29
el material (caso 2 y σ6 en la Figura 1.17). Tensiones por encima de este nivel causarán un
fallo rápido de la pieza a muy bajos ciclos (σ7 en la Figura 1.17). El resultado completo puede
verse en la Figura 1.18, en la que aparecen dos regímenes, uno a bajo números de ciclos, y
otro a elevados ciclos de un intervalo intermedio de fallo por temperatura
Fig.1.17. Incremento de temperaturas durante una carga cíclica [6].
El nivel de esfuerzo para el que no ocurre fallo por fatiga convencional se denomina “esfuerzo
de funcionamiento” y marca el punto de tensión para el cual el calor producido está en
equilibrio con el disipado (σ6 en la Figura 1.17).
Fig. 1.18. Comportamiento típico de fatiga de un POM (Polioximetileno también conocido como
poliacetal) (5 Hz) [6].
30
Si la frecuencia del evento se reduce, los niveles de tensiones de fallo se desplazan en el
sentido de disminución, es decir, los efectos producidos se aminoran o bien la pieza soporta un
número mayor de ciclos. Sin embargo, si las tensiones son muy elevadas, el fallo por
reblandecimiento térmico puede darse aún con frecuencias muy bajas.
Tanto la ecuación de velocidad de disipación de energía expuesta con anterioridad (2) como la
de elevación de temperatura por unidad de tiempo (3) muestran que el tiempo de vida de un
componente disminuye al aumentar la frecuencia ya que la temperatura se incrementa y
también lo hace la pérdida de “complacencia”.
∆T = πf σ2/ρ Cp
(3)
ρ = densidad
Cp = calor específico.
Esta última es una variable fundamental del material, pero varía con la frecuencia y con la
temperatura del material y se hace muy grande cuando el material se aproxima a su
temperatura de transición vítrea. Se puede medir mediante ensayos dinámicos, pero dadas las
dependencias no se puede utilizar para determinar el fallo térmico. Sin embargo, si que es útil
para comparar materiales a temperatura ambiente.
Las características amortiguadoras del material son también de gran importancia en su
posterior comportamiento. Por ejemplo, el policarbonato muestra muy poca tendencia a fallar
térmicamente mientras que el polipropileno tiene una marcada tendencia en este sentido. Por
otro lado, los termoestables sólo exhiben fallos por fragilidad.
- Efecto de la forma de la onda.
La forma de onda sinusoidal es menos crítica que la onda de tipo cuadrada. Esto es así porque
una onda cuadrada libera más energía por ciclo. De igual forma, si se utiliza una entrada en
31
rampa, hay menor energía que se disipa por ciclo y es posible alcanzar un mayor nivel
tensional antes que aumente la temperatura.
- Efecto de la tensión media.
En muchos casos la alternancia de tensiones en la pieza no tiene lugar en relación a la pieza
sin carga, sino que en muchos casos, además de una tensión alternante, σa, existe una tensión
aplicada de manera continua que es distinta de cero. Esta tensión se denomina tensión media
σm.
Los materiales plásticos, sometidos a una tensión continua en el tiempo de tracción, sufren el
fenómeno de la fluencia retardada, por lo que ambos tipos de fallo pueden darse. La
interacción de tensiones medias y fluctuantes se presenta usualmente como gráficos σa - σm en
los que se representan las combinaciones de valores que producen fallo por fatiga para un
número de ciclos fijado.
En la región W – X de la Figura 1.19, el comportamiento indica que si se aumenta el valor de
la tensión media, la pulsatoria debe disminuir para que el fallo se continúe produciendo al
número de ciclos establecidos. En la región YZ, la tensión media domina, de manera que el
fallo se produce por fluencia (creep) antes que por fatiga. El punto Z representa el lugar en el
que el fallo se produce únicamente por fluencia en un tiempo igual al necesario para producir
los N ciclos definidos.
El nivel de tensión media influye igualmente en el fallo térmico, de manera que para una
amplitud de tensión constante, el fallo por reblandecimiento se produce antes conforme
aumenta el nivel de tensión media.
32
Fig. 1.19. Relaciones entre amplitud de tensión y tensión media [6].
Una relación matemática que da estimaciones adecuadas para las combinaciones permisibles
de σa y σm para provocar fallo en un número seleccionado de ciclos es:
σa = σf [1 – σm/ σc]
(4)
σa = límite de endurecimiento por fatiga a N ciclos.
σc = tensión de rotura por creep a un tiempo equivalente a N ciclos.
- Efecto del sistema de tensiones.
En los apartados anteriores se ha asumido por simplicidad una carga cíclica uniaxial. Si el
material se somete a una carga en flexión, en general, tendrá un límite de endurecimiento
33
mayor. Este hecho se debe al gradiente de esfuerzos existente en la sección transversal de la
pieza flexionada. Las grietas por fatiga aparecerán en la superficie, puesto que es la zona de
mayor nivel de esfuerzo, sin embargo, la propagación es más lenta porque el nivel de
tensiones en el centro de la pieza es menor.
El gradiente de tensiones en flexión implica que el reblandecimiento térmico también se
retrasa respecto a un sistema de tracción puro.
- Efecto del método de control.
Durante el ciclo de carga, la energía disipada es proporcional al producto de la tensión y la
deformación. Si el modo de carga aplicada es tal que la amplitud de tensión se mantiene
constante, entonces un incremento de temperatura en el material causará un incremento en la
deformación (ya que el módulo disminuye). El incremento de deformación implica mayor
energía disipada y mayor incremento de deformación y temperatura hasta llegar al fallo por
reblandecimiento.
Un modo alternativo de ensayo es el control por amplitud de deformación. En este caso un
incremento de temperatura hace bajar el módulo pero esto conduce a una disminución del
nivel de tensión para mantener la deformación constante. Así pues bajará la energía disipada y
posteriormente
la temperatura.
Este
mecanismo
se autoestabiliza y
previene
el
reblandecimiento [6].
1.4 Antecedentes
Los primeros estudios formales relacionados con el comportamiento a fatiga de materiales
poliméricos datan de mediados de los años ochenta con los trabajos de Dao y Dicken [8],
sobre mecanismos de falla por fractura, en donde manifiestan las diferencias significativas
entre la respuesta de la fatiga de polímeros y los metales. Los experimentos fueron conducidos
para medir el aumento de la energía y de la temperatura de la histéresis en un polipropileno
34
(cargado con talco). Un modelo matemático fue desarrollado para calcular la distribución de la
energía y de la temperatura durante fatiga.
La mayoría de los estudios de fatiga que se han realizado, se enfocan en polímeros cargados o
materiales compuestos con fines específicos para ser usados en la industria de la aviación,
automovilismo y en implantes médicos (implantes de rótula, caderas, etc.). Lo mencionado
anteriormente se evidencia en los trabajos de Teoh [9], Muratoglu y colaboradores [10],
quienes han desarrollado investigaciones en el área de fatiga en biomateriales, con la finalidad
de conocer el comportamiento ante cargas cíclicas de polímeros como el polietileno, utilizado
como componente femoral. Otro estudio realizado por Wang y colaboradores [11], para la
industria aeroespacial, propone un modelo de daño por fatiga para establecer una fórmula
predictiva para la vida a servicio del policarbonato, mediante la construcción de curvas S-N, y
comparaciones con cargas monotónicas.
Una de las variables estudiadas en las investigaciones de fatiga es el incremento de
temperatura durante las pruebas de fatiga, esto se debe a que el polímero puede presentar falla
térmica antes de fallar por fatiga. En los estudios de Crawford y colaboradores [12] se pone de
manifiesto que si, durante el estudio de fatiga se logra estabilizar el incremento de
temperatura, aumenta la posibilidad de que ocurra falla por fatiga, en lugar de falla térmica.
Las investigaciones de Herman y colaboradores [13], estudian la influencia de las cargas de
fatiga en los plásticos, y deducen que a altos niveles de esfuerzo es más probable que ocurra
falla térmica debido al calentamiento por histéresis.
Una de las investigaciones para polímeros con propósitos generales, realizada por Woan y
colaboradores [14], compara el comportamiento a fatiga del poliestireno de alto impacto PSAI,
con poliestireno sin modificar (PS), y demuestran que, para una misma amplitud de esfuerzo,
el poliestireno de alto impacto posee mayor vida a fatiga que el PS. En este estudio se evalúa
el incremento de temperatura con respecto al esfuerzo amplitud y al número de ciclos de
fatiga, y se llega a la conclusión que para mayores esfuerzo amplitud, el incremento de
temperatura es mayor y la vida a fatiga disminuye.
35
1.5 Justificación
En los últimos años se ha buscado la optimización de los productos de las industrias del
carbón y del petróleo. Ese desarrollo, de igual manera, ha conducido a la optimización de los
materiales poliméricos a los cuales cada día se les exige mayor compromiso estructural. Los
polímeros se utilizan en la fabricación de productos de uso común, como lo son los envases,
teléfonos, estuches, diferentes tipos de prótesis, entre otros, así como en partes de autos y
aviones, por nombrar algunas aplicaciones.
Lo anterior significa que para el diseño estructural de productos con polímeros han de
conocerse las propiedades mecánicas de los mismos ante la aplicación de cargas estáticas,
monotónicas y cíclicas.
La fatiga es un mecanismo de deformación en el material que puede conducir al deterioro del
mismo y posteriormente a la fractura, hecho que debe ser considerado en el diseño de un
componente bajo cargas dinámicas. Los parámetros de resistencia obtenidos a partir de
ensayos de fatiga pueden ser totalmente diferentes a los aportados por ensayos estáticos,
monotónicos o de impacto. Un pequeño ejemplo de esta falla y que ocurre en la vida diaria, se
observa en la Figura 1.20; en la parte (a) se muestra un estuche porta celular que tiene
adherido un sistema de gancho para la sujeción, en la parte (b) se presentan los elementos
fracturados debido a las cargas repetitivas, y en la Figura 1.20 c-d, se evidencian marcas
características de fatiga (marcas de playa) similares a las exhibidas comúnmente en los
metales que fallan por fatiga.
Existe muy poca información sobre el comportamiento ante cargas cíclicas (cargas de fatiga)
de los polímeros, y, a partir de la bibliografía consultada, se pone de relieve que se han
realizado escasas investigaciones en referencia a materiales poliméricos con propósitos
generales, nombre que comúnmente se le da a los polímeros tales como el acrilonitrilobutadieno-estireno (ABS), poliestireno de alto impacto (PSAI), polietileno de baja densidad
(PEBD), polipropileno (PP), etc, lo cual hace que este campo de estudio esté abierto a nuevas
investigaciones.
36
Por lo descrito anteriormente, se desarrolló una metodología experimental que sirve como
marco de referencia, desde el punto de vista estructural, para estudiar las propiedades de los
polímeros ante cargas de fatiga, específicamente bajo carga axial.
El trabajo realizado consistió en desarrollar una metodología de ensayo que permitió estudiar
el comportamiento a fatiga de los polímeros y como cambian sus propiedades mecánicas,
específicamente la resistencia a fluencia y la dureza, según las diferentes condiciones de
trabajo.
(a)
(b)
(c)
(d)
Fig. 1.20. Falla por fatiga en un estuche porta celular. a) Estuche porta celular en buen estado; b)
elementos del estuche fracturados por fatiga; c) base del estuche (se observan marcas de
playa); d) base del gancho (se observan marcas de playa)
37
1.6 Objetivos
Como no se tiene mayor referencia sobre el comportamiento a fatiga de los materiales
mencionados en el ítem anterior, los objetivos del trabajo serán entonces:
1.6.1 Objetivo general
Desarrollar una metodología que permita el estudio del comportamiento a fatiga ante carga
axial de materiales poliméricos.
1.6.2 Objetivos específicos
-
Determinar la vida a fatiga de los polímeros bajo condiciones específicas de
frecuencia de aplicación de la carga y amplitud de esfuerzo.
-
Hacer una primera aproximación al estudio de los cambios en las propiedades
mecánicas de los polímeros sometidos a fatiga.
-
Cuantificar los cambios de temperatura en los polímeros durante la fatiga.
-
Determinar el cambio en las propiedades mecánicas (dureza y tracción) de los
polímeros una vez producida la fatiga.
Con el fin de lograr los objetivos propuestos, se realizaron una serie de ensayos de fatiga,
donde se obtuvieron las condiciones de frecuencia más adecuadas y se fijó un valor de
esfuerzo medio, el cual corresponde a un porcentaje del valor del esfuerzo de fluencia
obtenido a partir de ensayos de tracción. Definido el esfuerzo medio se efectuaron ensayos,
variando la amplitud de esfuerzo, con la finalidad de estudiar los cambios de deformación y
temperatura, y el tiempo de vida de las probetas sometidas a fatiga.
CAPÍTULO II
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
2.1 Materiales
Para la selección de los polímeros utilizados en este trabajo se tomó en consideración la
facilidad de adquisición de los mismos, y la accesibilidad de la maquinaria para la fabricación
de probetas en el Laboratorio de Polímeros de la Universidad Simón Bolívar (USB), también
se realizó un intercambio tecnológico entre la USB y el Instituto Catalán del Plástico (ICPEspaña). Se pone de relieve que el estudio fundamental del trabajo es desarrollar una
metodología aplicable en el laboratorio que permita determinar el comportamiento a fatiga de
cualquier material polimérico. Por otra parte, los materiales utilizados permitieron estudiar los
procesos de fatiga en una máquina universal de ensayos, probando un nuevo sistema de
adquisición de datos y control desarrollado en el Laboratorio de Materiales de la misma
universidad.
Se utilizaron probetas fabricadas mediante un proceso de inyección de los siguientes
materiales:
Proveedor USB:
- Acrinolitrilo-butadieno-estireno (ABS):
Kralastic
707
- Polietileno de baja densidad (PEBD):
Venele FA-0240 suministrado por Polinter
- Poliestireno de alto impacto (PSAI):
39
PS-4600 suministrado por es Estireno del Zulia.
- Polipropileno (PP):
Propilven J440
- Poliestireno cristal (PS)
Proveedor ICP:
- Metacrilato-acrinolitrilo-butadieno-estireno (MABS).
Terlux 2812 TR, suministrado por Basf
Las probetas utilizadas tanto en tracción como en fatiga fueron fabricadas bajo los estándares
establecidos en la norma ASTM D-638 tipo I [15] para ensayos de tracción de materiales
poliméricos. La geometría se describe en la Figura 2.1. Las especificaciones técnicas de
algunos de estos polímeros se pueden observar en los apéndices 1 al 5.
Dimensiones del dibujo
W – Ancho de la sección angosta
Tipo 1
mm (pulg)
13 (0,50)
L – Longitud de la sección angosta
57 (2,25)
WO – Ancho total
19 (0,75)
LO – Longitud del ancho total
165 (6,5)
D – Distancia entre la zona de agarre
115 (4,5)
R – Radio de la curvatura
T – Espesor
76 (3)
< 7 (0,28)
Fig. 2.1.- Geometría de las probetas utilizadas (ASTM D-638 tipo I) [15].
40
2.2 Equipos
Para la realización de los ensayos se utilizaron los siguientes equipos:
-
Máquina universal de ensayos marca MTS, con carga máxima de 10 Ton:
Mordazas hidráulicas.
Sistema de adquisición y control desarrollado en la Unidad de Aplicaciones
Experimentales de la USB, bajo la plataforma computacional LabView 6.1.
Extensómetro marca INSTRON, con longitud calibrada de 50 mm y un desplazamiento
máximo a tracción de 100 mm.
-
Máquina universal de ensayos marca Lloyd EZ20 con carga máxima de 1 kN, y sistema de
adquisición de datos incorporado.
-
Máquina de moldeo por inyección marca REED Prentice, modelo 100 TE.
-
Termómetro infrarrojo con puntero láser marca Extech Instruments modelo 42525.
-
Durómetro tipo Shore D, marca Zwick.
2.3 Metodología
En la elaboración del presente trabajo se siguió la metodología que se describe a continuación:
2.3.1 Puesta a punto de la máquina universal de ensayos
Para poner a punto el equipo y verificar su funcionamiento según las cargas de trabajo para
polímeros, es decir bajas cargas, se realizaron ensayos de tracción con dos máquinas de
diferente capacidad de carga con fines comparativos: una máquina universal de ensayos,
marca MTS, la cual se muestra en la Figura 2.2, y otra marca Lloyd EZ20, que se exhibe en la
Figura 2.3, utilizada específicamente para ensayos de tracción en polímeros.
41
La máquina Lloyd EZ20 del Laboratorio de Polímeros no está capacitada para trabajar en
fatiga, por otra parte, la máquina MTS del Laboratorio de Ensayos Mecánicos puede trabajar
con fatiga, mas sin embargo estaba inoperante. Es pues objetivo primordial del presente
trabajo el recuperar la máquina MTS e intentar realizar ensayos de fatiga en polímeros, debido
a que la gran deformación que presentan estos materiales ante las cargas cíclicas permite
desarrollar un programa de control más versátil en comparación con los sistemas de control
que comúnmente son ofrecidos para la realización de ensayos de fatiga en metales.
Una vez que se adaptó un sistema de control para la máquina MTS de 25 Ton del Laboratorio
de Ensayos Mecánicos, desarrollado en la Unidad de Aplicaciones Experimentales de la USB
[16], a la máquina MTS de 10 Ton del mismo laboratorio y se verificó el correcto
funcionamiento de ésta, se realizaron ensayos de tracción en ambas máquinas (MTS de 10 Ton
y Lloyd EZ20 de 1 KN) para comparar resultados entre sí, ello con la finalidad de aprovechar
la experiencia en cuanto a la ejecución de ensayos de tracción del Laboratorio de Polímeros
con la máquina Lloyd.
Fig. 2.2.- Máquina universal de ensayos MTS 10 TON.
Para realizar la comparación descrita en el párrafo anterior, se realizaron ensayos de tracción
sin extensómetro (debido a que la máquina Lloyd no tiene extensómetro) con probetas de los
polímeros ABS, PEBD, PSAI, PP y PS suministradas por el Laboratorio de Polímeros. Los
42
ensayos se realizaron a diferentes velocidades de desplazamiento del pistón: 5 mm/min, 10
mm/min, 15 mm/min y 20 mm/min, determinándose la condición más adecuada de trabajo. Se
efectuaron tres pruebas para cada condición de velocidad de desplazamiento del pistón.
Fig. 2.3.- Máquina universal de ensayos Lloyd EZ20
Para los ensayos se tomó una separación entre mordazas de 125 mm como longitud calibrada
para evitar concentraciones de esfuerzo cerca del radio de curvatura de la probeta.
Por otra parte, se realizaron ensayos de tracción en la máquina MTS 10 Ton con extensómetro
y sin extensómetro, con la finalidad de comparar los resultados y determinar si la diferencia
entre estos valores era significativa.
2.3.2
Inyección de probetas
Se moldearon por inyección cien (100) probetas de cada material en la máquina de moldeo por
inyección mostrada en la Figura 2.4, para realizar tanto los ensayos de tracción como los de
fatiga, y a fin de garantizar la homogeneidad de los materiales a ser utilizados en el presente
estudio.
43
Fig. 2.4.- Máquina de moldeo por Inyección marca REED.
Dada la disponibilidad de materia prima en el Laboratorio de Polímeros, los materiales
inyectados fueron: ABS 707, PEBD 0240, PSAI 4600 y PP 440. Los parámetros utilizados en
la inyección de las probetas se muestran en la Tabla 2.1, los cuales son típicos para todos los
materiales. El ICP-España suministro veinte (20) probetas del polímero MABS, para dar
inicio a un proyecto de colaboración; en este caso no fueron proporcionadas las condiciones de
inyección. Este material se toma como modelo de prueba en el procedimiento desarrollado en
el trabajo realizado.
2.3.3
Ensayos de Tracción
Para determinar el límite de fluencia, Sy, de las probetas inyectadas, se realizaron ensayos de
tracción siguiendo los lineamientos de la norma ASTM D-638 [15] en la máquina MTS 10
Ton a la velocidad de trabajo que se asumió como más adecuada a partir de los resultados
obtenidos en la puesta a punto de la máquina (punto 2.3.1), y utilizando el extensómetro. Se
ensayaron tres probetas por cada material y se promediaron los resultados.
44
Tabla 2.1.- Parámetros de moldeo de las probetas.
Presión de Inyección
(800-1200) Psi
Temperatura de Inyección
180 ºC
Zona posterior: 130 ºC
Temperaturas en el cilindro
de inyección
Zona central: 170 ºC
Zona frontal: 190 ºC
Pistón adelante: 5 seg
Presión alta de inyección: 2,5 seg
Tiempos
Molde cerrado: 25 seg
Molde abierto: 1 seg
2.3.4 Ensayos de fatiga
Cabe recordar que los ensayos de fatiga se realizan como una primera aproximación en el
entendimiento del comportamiento de los polímeros ante cargas cíclicas, de lo cual no se ha
encontrado mayor referencia en tal sentido, y se pretende establecer en este trabajo una
metodología que sirva como base para el desarrollo a futuro de investigaciones a un nivel más
profundo de los cambios estructurales ocurridos en los polímeros en el proceso de fatiga.
El estudio del comportamiento a fatiga se subdividió en los siguientes puntos:
- Influencia de la frecuencia en la vida a fatiga: Para determinar cómo influye la frecuencia
en la vida a fatiga, se realizaron ensayos fijando arbitrariamente el esfuerzo medio en 80% del
Sy y el esfuerzo amplitud en 8% del Sy, para el polímero ABS 707 y a frecuencias de 2 Hz, 3
Hz, 4 Hz y 5 Hz. Se seleccionó un solo material para estas pruebas por consideraciones de
tiempo.
- Curvas S-N: Se fijó un valor de esfuerzo medio que corresponde a cierto porcentaje del
esfuerzo de fluencia (entre un 50% y un 80%) y los ensayos se realizaron a una frecuencia de
45
3 Hz. Una vez establecido un valor del esfuerzo medio, se varió el esfuerzo amplitud hasta
obtener un valor de vida a fatiga alrededor de 30.000 ciclos (valor que se toma como
referencia en este trabajo). En otras palabras, para realizar la curva S-N se mantiene el
esfuerzo medio constante y se varía el esfuerzo amplitud, como se ilustra en la Figura 2.5; en
general, se comienza por un valor del esfuerzo amplitud alto y se va disminuyendo hasta
obtener un valor del esfuerzo amplitud que conduzca a una vida a fatiga de unos 30.000 ciclos.
Fig. 2.5.-
Esquema de procedimiento seguido para hallar una curva S-N a un
valor de esfuerzo medio constante.
- Curva de Goodman: Una vez que se han fijado convenientemente 2 valores de niveles de
esfuerzo medio y obtenido las vidas a fatiga cercanas a 30.000 ciclos a esfuerzos amplitud
determinados con una frecuencia de 3 Hz, se grafican el esfuerzo medio con respecto al
esfuerzo de amplitud y la gráfica resultante concuerda con la definición básica de la curva de
Goodman. En otras palabras, se obtiene la línea de isovida para combinaciones de esfuerzoamplitud y esfuerzo medio conducentes a una vida a fatiga cercana a 30.000 ciclos, como se
observa en la Figura 2.6. Se grafican los 2 puntos de interés y se unen éstos por una línea hasta
cortar los ejes de los esfuerzos involucrados. Cabe recordar que la vida a fatiga de 30.000
ciclos es una referencia considerada en el presente trabajo.
- Ciclos de histéresis: Se realizaron ensayos a esfuerzo medio y esfuerzo de amplitud
constante (lo que se denomina control de carga) para conocer cómo varía la deformación con
respecto al número de ciclos durante el ensayo de fatiga. Para ello, se tomaron como
46
referencia los niveles de esfuerzos medio y amplitud de los ensayos para obtener las curvas SN: A determinados niveles de esfuerzo medio y amplitud constantes, se mide la deformación
media, ∆ε/2, al transcurrir un determinado número de ciclos.
Fig. 2.6.-
Esquema de procedimiento seguido para hallar una curva
Goodman a un valor de ciclos de vida constante.
Al graficar un ciclo de carga, si existe deformación inelástica el comportamiento observado es
semejante al que se ilustra en la Figura 2.7; la gráfica obtenida se denomina ciclo de histéresis.
Al hacer un historial de la deformación inelástica media a medida que transcurre el número de
ciclos, se puede conocer la ocurrencia de fenómenos de endurecimiento o ablandamiento por
deformación cíclica:
- Endurecimiento: Si en mediciones continuas la deformación media
disminuye.
- Ablandamiento: Si en mediciones continuas la deformación media se
incrementa.
Por otra parte, se realizaron mediciones de temperatura a medida que transcurrían los ciclos
con la finalidad de observar cualquier incremento de la misma. La temperatura se registró con
el termómetro infrarrojo de puntero láser que se muestra en la Figura 2.8.
47
Fig. 2.7.-
Esquema de procedimiento seguido para hallar una curva de histéresis
a valores de esfuerzo medio y esfuerzo amplitud constantes.
Fig. 2.8.- Termómetro infrarrojo con puntero láser.
2.3.5 Ensayos de tracción post fatiga
Una vez realizados los ensayos de fatiga, a las probetas que no rompieron se le efectuaron
ensayos de tracción para evaluar los cambios mecánicos inducidos por el proceso de fatiga.
Para ello se compararon los resultados obtenidos con los anteriores determinados según lo
descrito en el punto 2.3.3, bajo las mismas condiciones de ensayo.
48
2.3.6 Ensayos de dureza
Con la finalidad de evaluar el efecto de fatiga en los polímeros considerados en el presente
trabajo, se midió la dureza en dichos materiales antes y después de las cargas de fatiga según
la norma ASTM D-2240 [17], utilizando el durómetro marca Zwick mostrado en la Figura
2.9. La escala de dureza utilizada fue la Shore D. Los valores de dureza en las probetas se
tomaron en la sección transversal de la probeta.
Fig. 2.9.- Durómetro Shore tipo D.
2.3.7 Flujograma
Para permitir al lector una mayor comprensión del procedimiento experimental, en la Figura
2.10 se presenta un flujograma que describe de manera detallada los pasos a seguir en el
estudio de comportamiento a fatiga bajo carga axial de materiales poliméricos.
49
Inicio
No
Fabricación de las
probetas
Selección del material
Se cumple la
caracterización
No
Si
Cálculos
congruente
Calcular Sy
Realización de los ensayos de tracción
Si
σ
Determinar los parámetros de la prueba ( m en f
= Sy%)
Realización de las pruebas exhaustivas de fatiga variando los
parámetros de estudio
Análisis de los resultados mediante gráficas de S-N, curvas de
histéresis, curva de Goodman entre otros
Realización de las pruebas preliminares
Si
Cumplen los
materiales los
requerimientos
indicados
Fin
Fig. 2.10.- Flujograma del procedimiento experimental.
No
CAPÍTULO III
COMPORTAMIENTO ANTE CARGA MONOTÓNICA
Una vez que se puso a punto la máquina universal de ensayos MTS 10 Ton y se verificó el
correcto funcionamiento del programa de adquisición de datos y control que se optimizó para
realizar ensayos a materiales poliméricos, se realizó un registro del comportamiento ante carga
monotónica de los materiales. A continuación se indican los resultados que se obtuvieron,
siendo los mismos discutidos a lo largo de las siguientes páginas.
3.1 Puesta a punto de la máquina universal de ensayos MTS 10 Ton
A fin de asegurar los resultados obtenidos en la MTS 10 Ton, máquina que ha sido
reacondicionada para su operación, se realizó una comparación entre los resultados obtenidos
en esta máquina a un 10% de su capacidad de carga, con los obtenidos en la Lloyd EZ20, con
la cual existe gran experiencia en la realización de ensayos de tracción en el Laboratorio de
Polímeros. Los ensayos se realizaron sin extensómetro y se efectuaron sólo como referencia,
pues para la Lloyd EZ20 no se dispone de tal dispositivo. Tales resultados fueron
satisfactorios al compararlos entre sí, lo cual quiere decir que el uso de la Máquina MTS es
confiable y se pueden, perfectamente, realizar ensayos de tracción de polímeros en la misma.
En la Figura 3.1 se muestran como referencia seis (6) ensayos realizados en las máquinas MTS
10 Ton y Lloyd EZ20, tres (3) en cada caso, respectivamente. En este caso el polímero
utilizado fue PSAI, y los ensayos se realizaron con una velocidad de desplazamiento de
mordazas de 10 mm/min. Cabe destacar que para ambas máquinas las condiciones de ensayo
fueron las mismas y los resultados obtenidos son similares.
Verificado entonces el correcto funcionamiento de la MTS 10 Ton, se realizaron pruebas de
tracción a diferentes velocidades de desplazamiento de mordazas para observar la influencia
51
de este parámetro en el comportamiento monotónico (ensayos de tracción) de diferentes
materiales de interés.
20
Esfuerzo (MPa)
16
12
MTS1
8
MTS2
MTS3
Lloyd1
4
Lloyd2
Lloyd3
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
Derfomación (mm/mm)
Fig. 3.1.- Curvas de esfuerzo- deformación para el PSAI. Ensayos comparativos realizados en las
máquinas MTS y Lloyd a una velocidad de 10 mm/min.
3.2 Influencia de la velocidad de ensayo
En las Figuras 3.2 a-c se presentan las curvas de tracción obtenidas con el uso de extensómetro
en la MTS 10 Ton (el resto de los ensayos a partir de este momento se realizan en dicha
máquina) con diferentes velocidades de desplazamiento de mordazas para algunos materiales
que ya se encontraban en el laboratorio y que sirvieron como punto de partida. Dichos
materiales se citan a continuación:
- Acrinolitrilo-butadieno-estireno (ABS):
Kralastic
- Polietileno de baja densidad (PEBD):
Venele FA-0240
- Poliestireno de alto impacto (PSAI):
PS-4600
52
- Polipropileno (PP):
Propilven J-440
- Poliestireno cristal (PS).
(b)
40
12
30
9
Esfuerzo (MPa)
Esfuerzo (MPa)
(a)
20
ABS-5mm/min
10
ABS-10mm/min
6
PEBD-5mm/min
3
PEBD-10mm/min
PEBD-15mm/min
ABS-15mm/min
ABS-20mm/min
0
0
0,1
0,2
0,3
PEBD-20mm/min
0
0
0,4
0,1
0,2
0,3
0,4
Deformación (mm/mm)
Deformación (mm/mm)
(c)
25
20
20
16
Esfuerzo (MPa)
Esfuerzo (MPa)
(d)
15
10
PP-5mm/min
PP-10mm/min
5
12
8
PSAI-5mm/min
PSAI-10mm/min
4
PP-15mm/min
PSAI-15mm/min
PP-20mm/min
0
0
0,1
0,2
0,3
PSAI-20mm/min
0
0,4
Deformación (mm/mm)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
Deformación (mm/mm)
Fig. 3.2.- Curvas de esfuerzo- deformación para los polímeros a diferente velocidad de ensayo:
(a) ABS, (b) PEBD, (c) PP, y (d) PSAI.
En las figuras 3.2 a-c se puede apreciar que la diferencia registrada para la zona elástica y la
zona de interés para determinar la resistencia a la fluencia del ABS, PEBD y PP son
prácticamente semejantes. Para el caso del PSAI, se puede observar en la Figura 3.2 (d), que la
53
zona elástica es semejante para las diferentes velocidades de ensayo, sin embargo, la zona de
interés para la determinación de la resistencia a la fluencia presenta cierta variación; a mayor
velocidad de ensayo mayor es la resistencia a la fluencia y, en general, menor es la ductilidad,
éste comportamiento concuerda con lo esperado para los polímeros debido a su naturaleza
viscoelástica; para el desarrollo del trabajo se tomará entonces como referencia la velocidad de
desplazamiento de mordazas de 20 mm/min.
A partir de los resultados anteriores, se pueden establecer los parámetros mecánicos
fundamentales frecuentemente tomados como referencia para el diseño estructural, como son
módulo elástico, E, resistencia a la fluencia, Sy, y deformación a la rotura εr, como se muestra
en la Tabla 3.1. Una vez que se ha establecido la resistencia a la fluencia de los materiales con
el criterio de la deformación del 0,002, se toma un porcentaje del valor de Sy como referencia
para los parámetros de esfuerzos de fatiga.
Tabla 3.1.- Tabla de propiedades mecánicas de los polímeros de puesta a punto de la MTS 10 Ton.
Material
ABS
PEBD
PP
PSAI
Velocidad de
ensayo
V (mm/min)
Módulo de
Elasticidad
E (MPa)
Resistencia a
fluencia
Sy (MPa)
Deformación a
rotura
εr (mm/mm)
5
1.630 + 245
35,14 + 0,45
0,14 + 0,03
10
1.948 + 17
36,32 + 0,39
0,16 + 0,03
15
1.832 + 143
37,07 + 0,32
0,20 + 0,09
20
1.780 + 187
36,57 + 0,48
0,17 + 0,03
5
110 + 2
4,06 + 0,22
*
10
105 + 1
3,94 + 0,15
*
15
108 + 1
5,17 + 0,07
*
20
110 + 2
5,7 + 0,11
*
5
1.146 + 138
21,85 + 0,21
*
10
1.378 + 100
22,53 + 0,23
*
15
1.443 + 400
22,61 + 0,62
*
20
1.188 + 83
23,75 + 0,37
*
5
1.607 + 725
15,19 + 0,47
*
10
1.588 + 75
17,82 + 0,29
*
15
1.445 + 420
20,41 + 1,62
*
20
1.344 + 162
16,82 + 0,19
*
(*) La máquina no permite mayor desplazamiento de las mordazas y no se pudo calcular este valor.
54
El alargamiento a la rotura sólo se pudo calcular para el ABS como se muestra en la Tabla 3.1,
porque los demás materiales se alargaban más allá de la capacidad del recorrido de las
mordazas de la máquina MTS. Por ende, se debía parar el ensayo antes de la fractura del
polímero.
El polímero PS presentaba problemas al momento de realizar el ensayo, porque fracturaba en
la zona de sujeción debido a la fuerza de apriete de las mordazas, por esta razón no se
realizaron ensayos con este material.
3.3 Ensayos de tracción de los materiales inyectados.
Para determinar los valores de la resistencia a la fluencia a utilizar en las pruebas de fatiga, se
efectuaron pruebas de tracción a los materiales inyectados (ABS, PEBD, PP y PSAI) y al
material aportado por el ICP-España (MABS), a una velocidad de 20 mm/min, la cual se
seleccionó como referencia en el ítem anterior. Los materiales utilizados en este caso, como se
describieron en el capítulo de procedimiento experimental, fueron: ABS, PEBD, PSAI, PP y
el MABS aportado por el ICP.
En la Figura 3.3 se muestran las curvas esfuerzo-deformación obtenidas para los diferentes
materiales. Puede observarse en dicha figura que para los materiales ABS, MABS, PP y PSAI
se puede definir la zona elástica-lineal y la zona de interés para el cálculo de la resistencia a la
fluencia. Para el PEBD existe una zona elástica-lineal muy pequeña, sin embargo, podría
definirse la resistencia a fluencia por el criterio de la deformación unitaria de 0,002.
Utilizando dicho criterio para todos los casos, los valores obtenidos de la resistencia a la
fluencia se presentan en la tabla 3.5. Dichos valores se utilizarán posteriormente para
establecer los esfuerzos relacionados con cargas a fatiga.
55
50
ABS
40
Esfuerzo (MPa)
MABS
30
PSAI
20
PP
10
PEBD
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
Deformación (mm/mm)
Fig. 3.3.- Curva esfuerzo-deformación para los diferentes materiales poliméricos estudiados.
Tabla 3.2.- Propiedades mecánicas de los polímeros. Ensayos realizados a 20 mm/min.
Material
Módulo de
Elasticidad
E (MPa)
Resistencia a la
fluencia
Sy (MPa)
Deformación a la
rotura
εr (mm/mm)
ABS
2.183 + 48
43,94 + 0,17
0,14 + 0,02
MABS
1.128 + 33
31,82 + 0,17
0,16 + 0,04
PEBD
111 + 10
5,16 + 0,56
*
PP
1.374 + 66
21,63 + 0,10
*
PSAI
1.846 + 207
20,82 + 2,53
0,35 + 0,15
(*) La máquina no permite mayor desplazamiento de las mordazas y no se pudo calcular este valor.
CAPÍTULO IV
COMPORTAMIENTO ANTE CARGAS CÍCLICAS
Después de hallar la resistencia a la fluencia de los materiales inyectados, se realizaron una
serie de ensayos de fatiga en la máquina MTS 10 Ton siguiendo un procedimiento similar al
utilizado en el estudio de la fatiga en materiales metálicos, con la finalidad de verificar si tal
metodología es aplicable a los materiales poliméricos y, por ende, permita asentar las bases
para futuras investigaciones.
4.1 Montaje para los ensayos de fatiga
Para los ensayos de fatiga se utilizó un generador de funciones junto con un sistema de control
y adquisición de datos, desarrollado por la Unidad de Aplicaciones Experimentales de la
U.S.B., el cual permitió variar la frecuencia de la onda sinusoidal generada. Los
desplazamientos se midieron con el extensómetro MTS que se fijó en la probeta con una
longitud calibrada de 50 mm. El sistema mordaza-probeta-extensómetro se muestra en la
Figura 4.1 y los datos obtenidos por el sistema de adquisición son monitoreados como se
ilustra en la Figura 4.2, donde se observa el desplazamiento del pistón, la elongación del
extensómetro, un ciclo de histéresis y el número de ciclos.
4.8 Influencia de la frecuencia en la vida a fatiga
La frecuencia es un factor importante en la vida a fatiga de los materiales poliméricos, por ello
se realizaron algunos ensayos para establecer los lineamientos de estudio de la influencia de la
misma.
Se utilizó como referencia el material ABS, el cual presentó la mayor resistencia a la fluencia.
Las probetas fueron sometidas a cargas cíclicas a las frecuencias de 2 Hz, 3 Hz, 4 Hz y 5 Hz,
utilizando un valor del esfuerzo medio correspondiente al 80% del valor de la resistencia a
57
la fluencia, Sy, del material. De manera análoga, se definió el esfuerzo amplitud como un 8%
del valor de Sy. En la Figura 4.3 se observan los resultados obtenidos. La vida a fatiga a los
valores de frecuencia ensayados es menor para una frecuencia de 3 Hz; tal frecuencia se
tomará como referencia para la realización de los ensayos de fatiga posteriores. Los valores de
vida a fatiga obtenidos para el ABS a partir de los ensayos realizados se muestran en la Tabla
4.1.
Fig. 4.1.- Montaje del extensómetro.
Fig. 4.2.- Ventana del programa de adquisición de datos.
58
Ciclos de vida N
7000
5500
f 2hz
4000
f 3hz
f 4 hz
f 5hz
2500
0
1
2
3
4
5
6
7
Frecuencia (hz)
Fig. 4.3.- Ciclos de vida promedio vs. frecuencia para el ABS.
Tabla 4.1.- Vida a fatiga para diferentes frecuencias en el ABS.
Prueba Nº
1
2
3
4
Promedio de
vida
Frecuencia (Hz)
2
3
4
5
5.076
3.351
5.422
4.500
4.031
2.049
4.120
7.053
3.650
3.122
6.150
7.763
4.706
7.448
5.100
11.167
3.493
3.195
4.159
6.098
De la Tabla 4.1 se puede decir, que el ABS a diferentes frecuencias, no presenta un patrón
claro de comportamiento. Esto puede deberse a lo expuesto en los trabajos de Dao y Dicken
[8], donde se expresa que la frecuencia influye en la fatiga de los materiales poliméricos a
altas frecuencias de trabajo, pero a bajas frecuencias de ciclo no es tan relevante, y la falla se
produce debido a otros factores que afectan al material, como sensibilidad al fallo térmico,
59
temperatura de transición vítrea, etc, aspectos que no entran en el campo del presente estudio.
Se debe realizar una investigación más a fondo para llegar a resultados concluyentes.
4.9 Obtención de curvas S-N
Una vez que se estableció una frecuencia de trabajo de 3 Hz, se fijaron dos valores de esfuerzo
medio correspondientes a un porcentaje de Sy entre un 50% y un 80%. Escogidos los valores
de esfuerzo medio, se varió el esfuerzo amplitud hasta alcanzar un valor de vida a fatiga
alrededor de 30.000 ciclos.
Inicialmente se utilizaron valores del esfuerzo medio de 60% y 80% del Sy del material en el
PSAI y en el PP. Para el PP, la vida a fatiga para un esfuerzo medio correspondiente al 80%
del Sy era menor a 5.000 ciclos para las diferentes amplitudes estudiadas, por lo que se
disminuyó el esfuerzo medio a 70% de Sy a fin de tratar de obtener una vida a fatiga alrededor
de 30.000 ciclos. Considerando el comportamiento del PP, se decidió disminuir los
porcentajes del esfuerzo medio a 50% y 70% del Sy para los materiales ABS y MABS,
respectivamente.
El PEBD sólo pudo ser ensayado con un valor de esfuerzo medio cercano al de Sy y a un
esfuerzo amplitud constante. Esto se debió a que el Sy del material presenta un valor muy bajo,
alrededor de 5 MPa y existían problemas con el control pues las deformaciones eran excesivas
(cerca del 80% de la longitud inicial).
Para la construcción de las curvas S-N se tomaron los dos valores de esfuerzo medio descritos
anteriormente. Para cada esfuerzo medio se varió la amplitud de esfuerzo y se obtuvo la vida a
fatiga, en ciclos, para cada condición de interés. En la Figura 4.4 se presentan las curvas S-N
generadas. En la Tabla 4.2 se muestran los valores obtenidos para los polímeros en cuestión.
A partir de la Figura 4.4 se observa un comportamiento similar en todos los materiales: a
mayor esfuerzo medio menor vida a fatiga. El material que presenta mejor comportamiento a
fatiga es el ABS, teniendo una baja sensibilidad ante el valor del esfuerzo medio. El MABS
60
presenta cierta sensibilidad ante el valor del esfuerzo medio y sigue al ABS en cuanto a los
valores de resistencia a fatiga. Aunque el
PSAI y el PP presentan menores valores de
resistencia a fatiga y son más sensibles al valor del esfuerzo medio, también su vida a fatiga se
ha podido caracterizar.
25
a)
b) 20
Esfuerzo medio 50% Sy
Amplitud de Esfuerzo (MPa)
Amplitud de Esfuerzo (MPa)
Esfuerzo medio 50% Sy
Esfuerzo medio 70% Sy
20
15
10
5
0
1000
10000
Esfuerzo medio 70% Sy
15
10
5
0
1000
100000
12
d)
Esfuerzo medio 60% Sy
Esfuerzo medio 80% Sy
8
4
0
1000
10000
100000
15
Esfuerzo medio 60%Sy
Amplitud de Esfuerzo (MPa)
Amplitud de Esfuerzo (MPa)
C)
10000
Ciclos de Vida N
Ciclos de Vida N
Esfuerzo medio 80%Sy
10
100000
Ciclos de Vida N
5
0
100
1000
10000
100000
Ciclos de Vida N
Fig. 4.4.- Curvas S-N para los polímeros. (a) ABS, (b) MABS, (c) PSAI y (d) PP.
Las curvas representadas en la Figura 4.4 concuerdan con las descritas en los trabajos de
Wang y colaboradores [11], y Woan y colaboradores [14], en donde se observa que a mayores
valores de esfuerzo amplitud, menor es la vida a fatiga del material. Con respecto a la
incidencia del esfuerzo medio, no hay referencia en la literatura, pero se puede afirmar que los
resultados obtenidos son coherentes, porque al aumentar el esfuerzo medio el material se
encuentra más cercano al límite de fluencia, soportando por ello menores variaciones de
esfuerzo amplitud, para un mismo valor de vida a fatiga.
61
Tabla 4.2.- Vida a fatiga de los diferentes polímeros estudiados.
Material
Esfuerzo medio
σm (% Sy)
50
ABS
70
50
MABS
70
60
PSAI
80
110
PEBD
100
70
60
PP
70
80
Amplitud de
esfuerzo
σa (%Sy)
39
33
28
22
22
17
38
31
25
6
25
19
13
35
30
25
20
20
15
10
5
30
25
30
25
42
32
26
21
11
42
21
11
5
Ciclos de vida
N (Prueba 1)
2.394
5.112
13.134
30.297
15.099
30.159
1.398
9.656
30.036
33.546
2.897
12.342
30.307
993
11.715
30.357
30.113
4.429
18.260
15.102
30.132
2.520
22.221
532
7.767
420
5.880
21.989
29.736
30.501
189
969
2.717
3.848
Ciclos de vida
N (Prueba 2)
2.500
5.600
15.120
30.052
13.124
30.324
1.511
11.304
30.538
3.011
10.584
30.069
1.003
9.455
30.051
3.850
6.446
30.117
24.928
27.930
579
6.506
30.044
30.018
30.018
138
793
3.034
4.873
Ciclos de vida
N (Prueba 3)
30.121
16.089
30.018
30.251
30.425
1.602
7.123
30.045
5.018
14.561
30.158
30.120
31.400
501
5.818
26.680
30.125
30.021
129
675
1.404
4.560
62
4.4 Obtención de curvas de Goodman
Con los valores de esfuerzo medio y amplitud de esfuerzo, se construyó el diagrama de
Goodman para todos los materiales, que se muestra en la Figura 4.5, con un tiempo de vida de
unos 30.000 ciclos. La prolongación de la curva permite identificar un intervalo de esfuerzos
donde se puede trabajar sin llegar a la fractura.
25
Amplitu de Esfuerzo (MPa)
PP
ABS
20
MABS
15
PSAI
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
Esfuerzo Medio (MPa)
Fig. 4.5.- Diagrama de Goodman para los Polímeros ABS, MABS, PP, y PSAI.
Haciendo una comparación entre los materiales anteriores, y según los rangos de esfuerzos
estudiados, se puede decir que los materiales presentan una resistencia a fatiga en el siguiente
orden decreciente:
ABS > MABS > PSAI > PP
Cabe destacar que los resultados obtenidos han servido para establecer el procedimiento de
estudio, mas sin embargo, para realizar una comparación más formal entre los materiales se
tendrían que tener en consideración otros niveles de esfuerzos.
4.5 Curvas de Histéresis
Se realizaron ensayos de fatiga en los cuales se registraron los valores de deformación cíclica
para conocer cómo varía ésta con respecto al número de ciclos. A niveles de esfuerzo medio y
63
amplitud constantes, se midió la deformación media, ∆ε/2, y se graficó con respecto al
número de ciclos; con ello se puede determinar si existen fenómenos de endurecimiento o
ablandamiento por deformación cíclica. Por otra parte, se graficó la variación del ángulo del
ciclo de histéresis a lo largo de la vida a fatiga con la finalidad de determinar si existe algún
daño en la muestra.
En la Figura 4.6 se muestran los ciclos de histéresis para el ABS a lo largo de una vida a fatiga
de 30.000 ciclos; los datos fueron registrados cada 5.000 ciclos. En dicha figura se observa
que la deformación plástica o inelástica (zona interna del ciclo) del material no varía a lo largo
del ensayo de fatiga. En este caso, sólo se ilustran los ciclos de histéresis para la condición de
esfuerzo medio igual al 50% Sy y esfuerzo amplitud igual al 22% Sy, pues el comportamiento
es similar para todas las combinaciones de esfuerzo medio y esfuerzo amplitud que se
realizaron. En la Figura 4.6 también se observa el ángulo de inclinación del ciclo con respecto
al eje X.
40
Esfuerzo (MPa)
35
30
25
N 5000
20
N 10000
15
N 15000
Ángulo del ciclo
10
N 20000
N 25000
5
N 30000
0
0
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
0,014
Deformacion
Deformación
(mm/mm)
Fig. 4.6.- Ciclo de histéresis para el ABS (esfuerzo medio: 50% Sy, esfuerzo amplitud 22% Sy).
En la Figura 4.7 se muestran, para el ABS, los valores medios de deformación con respecto al
número de ciclos y el ángulo en el ciclo de histéresis, que se ilustra en la Figura 4.6, para los
dos porcentajes de esfuerzo medio a los cuales se efectuaron los ensayos. Únicamente se
64
colocaron los resultados de una prueba como ejemplo, ya que no existe repetibilidad en los
resultados, lo cual indica que no se puede llegar a una conclusión sobre el fenómeno de
ablandamiento o endurecimiento cíclico, pues los mecanismos de deformación del material
son producto de los cambios internos. Se pone de relieve que mediante este procedimiento se
pueden hacer diferentes estudios para determinar el comportamiento de los polímeros ante
cargas y deformaciones cíclicas.
En la Figura 4.8 se muestran los ciclos de histéresis para el MABS, a lo largo de una vida a
fatiga de 30.000 ciclos, los datos fueron registrados cada 5.000 ciclos. En esta figura se
observa que la deformación plástica o inelástica del material es pequeña y prácticamente
constante a lo largo del ensayo de fatiga.
Los valores de la deformación media con respecto al número de ciclos y el ángulo en el ciclo
de histéresis del MABS se exhiben en la Figura 4.9 para los dos porcentajes de esfuerzo medio
en cuestión. En relación al ángulo se puede observar que disminuye a lo largo de la vida a
fatiga, comportamiento que está relacionado con daño interno del material, pues cambia la
rigidez de la probeta.
b)
a)
0,03
89,7
Esf. med. 50% Sy
Esf. med. 70% Sy
Esf. med. 70% Sy
Angulo (Grados)
Esf. med. 50% Sy
∆ε /2
0,02
0,01
0
89,68
89,66
89,64
0
10000
20000
30000
Ciclos de vida N
40000
0
10000
20000
30000
40000
Ciclos de vida N
Fig. 4.7.- Valores obtenidos en el ciclo de histéresis para el ABS; a) deformación media con respecto
los ciclos de vida; b) ángulo del ciclo medido en el transcurso de los ciclos de vida.
65
30
Esfuerzo (MPa)
25
20
15
N 5000
N 10000
10
N 15000
N 20000
5
N 25000
0
0,005
N 30000
0,01
0,015
0,02
0,025
Deformacion
Deformación
(mm/mm)
Fig. 4.8.- Ciclo de histéresis para el MABS (esfuerzo medio: 50% Sy, esfuerzo amplitud 25% Sy).
b)
a)
89,60
0,0008
Esfuerzo medio 70% Sy
Angulo (Grados)
0,0006
∆ε /2
Esfuerzo medio 50% Sy
Esfuerzo medio 50% Sy
0,0004
0,0002
0
Esfuerzo medio 70% Sy
89,58
89,56
89,54
89,52
89,50
0
10000
20000 30000 40000
Ciclos de vida N
0
10000
20000
30000
40000
Ciclos de vida N
Fig. 4.9.- Valores obtenidos en el ciclo de histéresis para el MABS; a) deformación media con
respecto los ciclos de vida; b) ángulo del ciclo medido en el transcurso de los ciclos de vida.
En la Figura 4.10 se muestran los ciclos de histéresis para el PEBD, a lo largo de una vida a
fatiga de 30.000 ciclos; los datos fueron registrados cada cierto número de ciclos. En esta
66
figura se observa que el material se deforma plásticamente, es decir, que el ciclo de histéresis
es ancho.
8
Esfuerzo (MPa)
7
6
5
4
N 5000
3
N 10000
2
N 15000
1
0
0,05
N 23000
N 26000
0,07
0,09
0,11
0,13
0,15
Deformacion
Deformación
(mm/mm)
Fig. 4.10.- Ciclo de histéresis para el PEBD (esfuerzo medio: 70% Sy, esfuerzo amplitud 25% Sy).
El PEBD sólo se pudo estudiar bajo condiciones constantes de esfuerzo medio y esfuerzo
amplitud. Por esta razón en la Figura 4.11 se muestra únicamente un valor medio de
deformación para el PEBD.
El PP se deforma de manera continua durante la vida a fatiga de 30.000 ciclos, como se
observa en la Figura 4.12. También se puede apreciar que la deformación plástica durante un
ciclo no es tan ancha como la presentada por el PEBD en la Figura 4.10.
En la Figura 4.13 se muestran, para el PP, los valores medios de deformación con respecto al
número de ciclos y la variación de ángulo en el ciclo de histéresis, para los dos porcentajes de
esfuerzo medio de interés. En relación al ángulo, se puede observar que disminuye a lo largo
de la vida a fatiga. Este comportamiento está relacionado con daño interno del material.
67
a)
b)
0,010
83,00
Esfuerzo medio 70% Sy
Angulo (Grados)
∆ε /2
Esfuerzo medio 70% Sy
82,50
0,008
0,006
0,004
0,002
82,00
81,50
81,00
80,50
80,00
0,000
0
10000
20000
0
30000
10000
20000
30000
Ciclos de vida N
Ciclos de vida N
Fig. 4.11.- Valores obtenidos en el ciclo de histéresis para el PEBD; a) deformación media con
respecto a los ciclos de vida; b) ángulo del ciclo medido en el transcurso de los ciclos de
vida.
25
Esfuerzo (MPa)
20
15
10
N 5000
N 10000
N 15000
N 20000
N 25000
N 30000
5
0
0,03
0,045
0,06
0,075
0,09
0,105
0,12
Deformación
Deformación
(mm/mm)
Fig. 4.12.- Ciclo de histéresis para el PP (esfuerzo medio: 60% Sy, esfuerzo amplitud 21% Sy).
68
a)
b)
0,0012
89,30
Esfuerzo medio 60%Sy
Esfuerzo medio 70%Sy
Esfuerzo medio 60% Sy
Esfuerzo medio 70% Sy
Angulo (Grados)
∆ε /2
0,0010
0,0008
0,0006
0,0004
0,0002
89,15
89,00
88,85
88,70
0
10000 20000 30000 40000
0
Ciclos de vida N
10000 20000 30000 40000
Ciclos de vida N
Fig. 4.13.- Valores obtenidos en el ciclo de histéresis para el PP; a) deformación media con respecto
los ciclos de vida; b) ángulo del ciclo medido en el transcurso de los ciclos de vida.
Para el PSAI, se observa en la Figura 4.14, que la deformación del material disminuye a
medida que se realiza el ensayo, aunque la deformación durante un ciclo tiende a ser
constante.
En la Figura 4.15 se muestran, para el PSAI, los valores medios de deformación con respecto
al número de ciclos y la variación de ángulo en el ciclo de histéresis, para los dos porcentajes
de esfuerzo medio. En relación al ángulo, se puede observar que disminuye a lo largo de la
vida a fatiga. Como se dijo anteriormente, este comportamiento está relacionado con daño
interno del material al cambiar la rigidez general de la probeta.
Del comportamiento de los polímeros ante los ciclos de histéresis se puede decir que la
deformación del material a lo largo del ensayo de fatiga es diferente para cada polímero, y
comparando los 5 polímeros se tiene:
ABS < MABS < PEBD < PP < PSAI
De igual forma la deformación plástica o inelástica (zona interna del ciclo) del material varia
para cada polímero de la siguiente forma:
69
ABS < MABS < PSAI < PP < PEBD
De lo expuesto anteriormente se puede decir que la deformación plástica del material durante
un ciclo, no es igual a la deformación de la probeta a lo largo del ensayo de fatiga, y el ABS es
el más rígido.
25
Esfuerzo (MPa)
20
15
N 5000
N 10000
N 15000
10
N 20000
N 25000
N 30000
5
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
Deformación
(mm/mm)
Deformacion
Fig. 4.14.- Ciclo de histéresis para el PSAI (esfuerzo medio: 60% Sy, esfuerzo amplitud 25% Sy).
a)
b)
0,002
Esfuerzo medio 60%Sy
Esfuerzo medio 80%Sy
Angulo (Grados)
0,0016
∆ε /2
89,5
Esfuerzo medio 60%Sy
0,0012
0,0008
0,0004
Esfuerzo medio 80%Sy
89,3
89,1
88,9
88,7
0
0
10000 20000 30000 40000
Ciclos de vida N
0
10000 20000 30000 40000
Ciclos de vida N
Fig. 4.9.- Valores obtenidos en el ciclo de histéresis para el PSAI; a) deformación media con respecto
los ciclos de vida; b) ángulo del ciclo medido en el transcurso de los ciclos de vida.
70
De los valores medios de deformación con respecto al número de ciclos obtenidos en el ciclo
de histéresis, para todos los materiales, no se puede llegar a una conclusión sobre el fenómeno
de ablandamiento o endurecimiento cíclico, pues los mecanismos de deformación del material
son producto de los cambios internos del mismo. Respecto al ángulo en el ciclo de histéresis,
se observa que tiende a disminuir a lo largo de la vida a fatiga. Este comportamiento está
relacionado con daño interno del material al cambiar la rigidez general de la probeta.
4.6 Variación de temperaturas
Se realizaron una serie de mediciones de la temperatura en las probetas con un termómetro
infrarrojo con la finalidad de describir el cambio de temperatura en condiciones de ensayo
para la obtención de las curvas S-N y otras condiciones bajo las cuales el material fractura tras
transcurrir pocos ciclos de vida.
Para el ABS, como se muestra en la Figura 4.16, la temperatura a lo largo de la probeta no
varía más de 2 ºC con respecto a la temperatura ambiente, para la condición de esfuerzo medio
del 50% Sy y esfuerzo amplitud del 22% Sy, en contraste con lo indicado en la Tabla 4.3;
donde la temperatura en condiciones extremas de esfuerzo medio y esfuerzo amplitud varía
hasta unos 10 ºC para esfuerzo medio del 50% Sy y esfuerzo amplitud del 33% Sy , con
respecto a la temperatura ambiente. Esta variación disminuye a medida que se reduce el
esfuerzo amplitud, con lo cual se aumenta el tiempo de vida de la probeta.
En la figura 4.17 se muestra la variación de temperatura para el MABS a un esfuerzo medio
de 50% Sy y 70% Sy, respectivamente. Se observa que la variación de temperatura no excede
los 3 ºC. En los resultados de la tabla 4.4 se tiene que para condiciones de trabajo en donde la
probeta fractura en pocos ciclos, la temperatura al inicio del ensayo presenta una diferencia
con respecto a la temperatura ambiente de 2 ºC a 4ºC. Esta diferencia aumenta ligeramente
hasta culminar el ensayo.
71
28
Temperatura (ºC)
26
24
22
Prueba 1
Prueba 2
Tambiente
20
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
Ciclos de vida N
Fig. 4.16.- Variación de temperatura para el ABS (esfuerzo medio 50% Sy; esfuerzo amplitud 22% Sy).
Tabla 4.3.- Cambio de temperatura para el ABS a ciclos de vida cortos.
Material
ABS
σm
(% Sy)
σa
(% Sy)
Tamb
(ºC)
Tinicio
(ºC)
Tpromedio
(ºC)
Tfractura
(ºC)
Número de
ciclos (N)
50
33
28
24,8
24,5
27,7
26,3
29,3
26,9
34,2
28,5
5.112
13.134
70
22
25,4
26,6
26,64
27,1
15.100
a)
30
28
28
Temperatura (ºC)
Temperatura (ºC)
b)
30
26
24
Prueba 1
22
Prueba 2
Tambiente
20
0
10000
20000
Ciclos de vida N
26
24
Prueba 1
Prueba 2
Tambiente
22
20
30000
0
10000
20000
30000
Ciclos de vida N
Fig. 4.17.- Variación de temperatura para el MABS: a) esfuerzo medio 50% Sy; esfuerzo amplitud 25%
Sy; b) esfuerzo medio 70% Sy; esfuerzo amplitud 13% Sy.
72
Tabla 4.4.- Cambio de temperatura para el MABS a ciclos de vida cortos.
Material
MABS
σm
(% Sy)
σa
(% Sy)
Tamb
(ºC)
Tinicio
(ºC)
Tpromedio
(ºC)
Tfractura
(ºC)
Número de
ciclos (N)
50
31
24,8
28,2
28,4
28,6
9.656
70
25
19
25
24,8
27,3
26,8
28,2
27,2
29,2
28
2.897
12.342
En el caso del PEBD, cuando se empiezan a aplicar cargas cíclicas se presenta una diferencia
de 3 ºC con respecto a la temperatura ambiente. Esta diferencia aumenta a lo largo del ensayo
hasta alcanzar aproximadamente 8 ºC, como se muestra en la Figura 4.18.
En la Figura 4.19 se observa que para el PP, la variación de temperatura del material no
excede los 2 ºC para un tiempo de vida del material cercano a 30.000 ciclos. En cambio,
cuando el esfuerzo medio y el esfuerzo amplitud es tal que el material presenta una vida a
fatiga corta, como se muestra en la Tabla 4.5, el material incrementa su temperatura llegando a
alcanzar diferencias de hasta 30 ºC con respecto a la temperatura ambiente. Este incremento se
produce instantes antes de producirse la fractura y se debe a los cambios internos del material.
Temperatura (ºC)
34
31
28
25
Prueba 1
Prueba 2
Tambiente
22
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
Ciclos de vida N
Fig. 4.18.- Variación de temperatura para el PEBD (esf. medio 70% Sy, esf. amplitud 25% Sy).
73
Temperatura (ºC)
30
28
26
Prueba 1
Prueba 2
Tambiente
24
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
Ciclos de vida N
Fig. 4.19.- Variación de temperatura para el PP (esfuerzo medio 60% Sy; esfuerzo amplitud 21% Sy).
Tabla 4.5.- Cambio de temperatura para el PP a vida a fatiga corta.
Material
σm
(% Sy)
60
PP
80
σa
(% Sy)
Tamb
(ºC)
Tinicio
(ºC)
Tpromedio
(ºC)
Tfractura
(ºC)
Número de
ciclos (N)
32
24,8
26,5
28,2
49,4
5818
26
21
11
25,5
25,8
24,8
27,0
26,8
26,3
28,1
28,4
26,1
55,3
49,9
52,3
26680
969
2717
En la figura 4.20, se observa la variación de temperatura para el PSAI a un esfuerzo medio de
60% Sy y 80% Sy, respectivamente. La variación de temperatura en la zona calibrada de la
probeta no excede los 3 ºC a lo largo del ensayo de fatiga. En los resultados de la tabla 4.6 se
tiene que el incremento de temperatura es superior para mayores valores de esfuerzo amplitud,
independientemente del esfuerzo medio que se tenga.
74
b)
30
28
Temperatua (ºC)
Temperatura (ºC)
a)
26
24
Prueba 1
Prueba 2
30
28
26
24
Prueba 1
Tambiente
22
Prueba 2
Tambiente
22
0
10000
20000
30000
0
Ciclos de vida N
10000
20000
30000
Ciclos de vida N
Fig. 4.20.- Variación de temperatura para el PSAI. a) esfuerzo medio 60% Sy; esfuerzo amplitud 25%
Sy; esfuerzo medio 80% Sy; esfuerzo amplitud 10% Sy.
Tabla 4.6.- Cambio de temperatura para el PSAI a ciclos de vida cortos.
Material
σm
(% Sy)
60
PSAI
80
σa
(% Sy)
35
30
20
15
Tamb
(ºC)
Tinicio
(ºC)
Tpromedio
(ºC)
Tfractura
(ºC)
Número de
ciclos (N)
25,6
25,8
25,5
25,8
27,4
28,7
28,1
27,4
31,3
30,3
27,7
27,7
36,7
32,4
27,2
27,7
1.602
7.123
4.429
18.260
Los materiales en estudio exhiben un comportamiento similar en cuanto a la variación de
temperatura durante el ensayo de fatiga. Para condiciones de esfuerzo medio y esfuerzo
amplitud en donde el polímero alcanza los 30.000 ciclos de vida, la temperatura tiende a
estabilizarse y su incremento no es mayor a 4 ºC, pero para esfuerzos mayores y menor vida a
fatiga la temperatura llega a aumentar en un rango de 3 ºC hasta 20 ºC, dependiendo del
material y del esfuerzo. El PP es el que mayor incremento de temperatura presenta, siendo el
más susceptible a fallo térmico. Los resultados observados concuerdan con las investigaciones
de Herman y colaboradores [13], quienes deducen que a altos niveles de esfuerzo es más
probable que ocurra falla térmica debido al calentamiento por histéresis.
75
4.7 Pruebas de tracción post-fatiga
Con la finalidad de evaluar los cambios en las propiedades mecánicas ocurridos durante las
cargas de fatiga en las probetas, a las que no fracturaron se les realizaron ensayos de tracción.
En la Figura 4.21 se muestran las curvas esfuerzo-deformación para el ABS antes y después de
someter a fatiga el material. Se puede observar en la Tabla 4.7 que las propiedades mecánicas
de los polímeros no sufrieron modificaciones significativas. Estos resultados están acordes con
los obtenidos en el estudio de histéresis, en donde se determinó que el material se deforma
poco durante el ensayo. En las propiedades sólo se presenta una diferencia en el porcentaje de
alargamiento a rotura.
60
Esfuerzo (MPa)
50
40
30
20
Patrón
Prueba1 70%Sy
Prueba2 70%Sy
10
Prueba1 50%Sy
Prueba2 50%SY
0
0
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
0,18
Deformación (mm)
Fig. 4.21.- Curvas esfuerzo-deformación antes y después de fatiga para el ABS.
Tabla 4.7.- Propiedades del ABS antes y después de fatiga.
Condición de trabajo
Módulo de
Elasticidad
E (MPa)
Límite elástico
(MPa)
Sy (MPa)
Deformación a
rotura
εr (mm/mm)
Patrón
2183 + 48
43,94 + 0,17
0,14 + 0,02
Fatigada (50, 22)
2299 + 46
43,20 + 0,13
0,05 + 0,03
Fatigada (70, 17)
2105 + 41
43,39 + 0,15
0,11 + 0,02
(σm (%Sy),
σa (%Sy))
76
En la Figura 4.22 se aprecia el comportamiento del MABS. Se percibe una pequeña diferencia
entre el material sometido a fatiga a 50% Sy y a 70% Sy de carga media, con respecto a la
probeta patrón. En la Tabla 4.8 se observa que existe una ligera variación en el módulo de
elasticidad, pero debido a la desviación estándar no se puede decir que sea significativa en el
caso del esfuerzo medio 50% Sy; para el esfuerzo medio mayor esta variación es menor
al 15%.
40
35
Esfuerzo (MPa)
30
25
20
15
Patrón
Prueba1 70%Sy
10
Prueba2 70%Sy
Prueba1 50%Sy
5
Prueba2 50%SY
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
Deformación
(mm/mm)
Deformación
Fig. 4.22.- Curvas esfuerzo-deformación antes y después de fatiga para el MABS.
Tabla 4.8.- Propiedades del MABS antes y después de fatiga.
Condición de trabajo
Módulo de
Elasticidad
E (MPa)
Resistencia a
fluencia
Sy (MPa)
Deformación a
rotura
εr (mm/mm)
Patrón
1.128 + 33
31,82 + 0,17
0,16 + 0,04
Fatigada (50, 25)
1.211 + 126
32,92 + 1,69
0,29 + 0,20
Fatigada (70, 13)
972 + 96
31,61 + 1,42
0,14 + 0,01
(σm (%Sy),
σa (%Sy))
77
En el PEBD existen cambios en la curva esfuerzo-deformación de la probeta patrón y el
material ensayado como se muestra en la Figura 4.23. En la Tabla 4.9 se observa que para el
esfuerzo medio de 70% Sy, el PEBD presenta una disminución en la resistencia a la fluencia.
Para un esfuerzo medio de 100% Sy, se evidencia en la Figura 4.24, un cambio de pendiente a
lo largo de la curva en comparación con la probeta patrón, esto implica una variación del
módulo de elasticidad como se muestra en la Tabla 4.9. El valor de esfuerzo amplitud es igual
para ambos casos de esfuerzo medio y es de 25% Sy. Aunque existe una variación en el
comportamiento del PEBD, los resultados no son suficientes para determinar si hubo
endurecimiento o ablandamiento del material.
12
Esfuerzo (MPa)
10
8
6
4
PEBD1 100% Sy
PEBD2 100% Sy
PEBD1 70% Sy
2
PEBD2 70% Sy
Patrón
0
0
0,1
0,2
Deformación
(mm/mm)
Deformacion
0,3
0,4
Fig. 4.23.- Curvas esfuerzo-deformación antes y después de fatiga para el PEBD.
Tabla 4.9.- Propiedades del PEBD antes y después de fatiga.
Condición de trabajo
Módulo de
Elasticidad
E (MPa)
Resistencia a
fluencia
Sy (MPa)
Patrón
111 + 10
5,16 + 0,56
Fatigada (100, 25)
116 + 4
5,67 + 0,21
Fatigada (70, 25)
99 + 1
4,04 + 0,67
(σm (% Sy),
σa (% Sy))
78
Como se observa en la Figura 4.24, la curva esfuerzo-deformación para el PP se desplaza
hacia arriba una vez fatigado el material. El módulo de elasticidad disminuye como se aprecia
en la Tabla 4.10, y se incrementa en un 15% aproximadamente el límite elástico.
30
Esfuerzo (MPa)
25
20
15
10
Prueba1 70% Sy
Prueba1 60% Sy
5
Prueba2 60% Sy
Patrón
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
Deformacion (mm/mm)
Fig. 4.24.- Curvas esfuerzo-deformación antes y después de fatiga para el PP.
Tabla 4.10.- Propiedades del PP antes y después de fatiga.
Condición de trabajo
Módulo de
Elasticidad
E (MPa)
Límite elástico
(MPa)
Sy (MPa)
Patrón
1374 + 66
21,63 + 0,10
Fatigada (60, 21)
1206 + 45
24,36 + 0,44
Fatigada (70, 11)
1250 + 14
25,32 + 0,61
(σm (%Sy),
σa (%Sy))
El comportamiento del PSAI, que se grafica en la Figura 4.25, muestra una gran variación en
la curva esfuerzo-deformación, y en la Tabla 4.11 se observa una disminución en las
propiedades mecánicas cerca al 50% con respecto al material sin ser sometido a fatiga.
Probablemente, ocurren una serie de daños internos que cambian el módulo de elasticidad. Por
79
otra parte, parece haber un ligero efecto de endurecimiento por deformación plástica que
disminuye la deformación a la rotura.
30
Esfuerzo (MPa)
25
20
15
10
Patrón
Prueba1 80% Sy
5
Prueba2 80% Sy
Prueba1 60% Sy
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
Deformación (mm/mm)
Fig. 4.25.- Curvas esfuerzo-deformación antes y después de fatiga para el PSAI.
Tabla 4.11.- Propiedades del PSAI antes y después de fatiga.
Condición de trabajo
Módulo de
Elasticidad
E (MPa)
Resistencia a
fluencia
Sy (MPa)
Deformación a
rotura
εr (mm/mm)
Patrón
1846 + 207
20,82 + 2,53
0,35 + 0,15
Fatigada (60, 25)
925 + 57
7,12 + 1,85
0,22 + 0,08
Fatigada (80, 10)
1068 + 39
6,52 + 0,15
0,21 + 0,01
(σm (%Sy),
σa (%Sy))
4.8 Pruebas de dureza post-fatiga
Se realizó una medición de la dureza de los materiales poliméricos sometidos a los diferentes
ensayos de fatiga, y se compararon los datos obtenidos con un valor de dureza patrón producto
del promedio de 5 mediciones realizadas en una probeta sin fatigar.
80
En los ensayos realizados en el ABS, a diferente frecuencia, la probeta presenta diferentes
características en la zona calibrada, o zona de estudio, como se muestra en la Figura 4.26. En donde se
observa, cerca del cambio de sección, una zona decolorada (zona blanca), inmediatamente viene una
zona donde el material presenta su color característico (zona amarilla), y finalmente se encuentra la
zona donde se produce la fractura (zona de fractura). Las medidas de dureza se tomaron en cada una
de las zonas descritas.
Zona Blanca
Zona Amarilla
Zona de Fractura
Fig. 4.26.- Diferentes zonas tomadas para la medida de dureza en probetas de ABS, fatigadas a
diferente frecuencia.
En la Tabla 4.12 se observa que en la zona amarilla, el ABS presenta aproximadamente el mismo valor
de dureza que el material antes de ser sometido a fatiga, esto se debe a que esta zona no se deformó
durante el ensayo. En la zona blanca y en la zona de fractura, el valor de dureza disminuyó entre un
5% y un 10%, mostrando un valor menor en la zona de fractura.
También se tomaron mediciones de dureza en los ensayos realizados a una frecuencia
constante de 3 Hz, y a diferentes valores de esfuerzo medio y esfuerzo amplitud. Las
mediciones se realizaron en la zona media de la probeta, como se indica en la Figura 4.27.
81
Tabla 4.12.- Durezas medidas a probetas de ABS, fatigadas a diferentes frecuencias.
Esfuerzo medio σm (80% Sy);
σa amplitud de esfuerzo (8% Sy)
Frecuencia Dureza
(Hz)
(Shore D)
2
3
4
5
66
74
63
69
72
68
70
74
65
68
74
71
Observación
zona blanca
zona amarilla
zona de fractura
zona blanca
zona amarilla
zona de fractura
zona blanca
zona amarilla
zona de fractura
zona blanca
zona amarilla
zona de fractura
Dureza de la probeta patrón (Shore D): 74 + 1
Mordazas
a
b
c
Fig. 4.27.- Posición de medidas de dureza.
Las medidas de dureza para los diferentes polímeros se muestran en las Tablas 4.13 a 4.17.
En la Tabla 4.13 se observa que para el ABS, después de fatiga, las variaciones de dureza en la
probeta están cercanas al valor de dureza que presenta la probeta patrón.
82
Tabla 4.13.- Durezas Shore D medidas en el ABS.
Esfuerzo medio
(% Sy)
Esfuerzo de amplitud σa (% Sy)
σm
22
Posición
17
75
74
72
75
74
70
74
69
72
74
Dureza de la probeta patrón (Shore D): 74 + 1
_
50
a
b
c
a
b
c
En el MABS, para un esfuerzo medio de 50% Sy, los valores de dureza no varían con respecto a la
probeta patrón, como se muestra en la Tabla 4.14. Para un esfuerzo medio de 70% Sy, la dureza
disminuye a lo largo de la zona media hasta alcanzar el menor valor en la zona de fractura, la reducción
de dureza en esta zona es cercana al 10%.
Tabla 4.14.- Durezas Shore D medidas en el MABS.
Esfuerzo de amplitud σa (% Sy)
Esfuerzo medio
σm (% Sy)
6
13
19
25
74
50
_
73
74
74
70
_
71
74
67
Posición
25
31
38
74
74
74
a
72
73
75
b
74
74
c
74
70
a
_
68
66
68
Dureza de la probeta patrón (Shore D): 74 + 1
b
c
En la Tabla 4.15 se muestra que la dureza para el PEBD se encuentra dentro del rango de desviación
estándar de la probeta patrón, para todas las combinaciones de esfuerzo medio y esfuerzo amplitud.
83
Tabla 4.15.- Durezas Shore D medidas en el PEBD.
Esfuerzo de amplitud σa (% Sy)
Esfuerzo medio
σm (% Sy)
70
25
25
42
_
Posición
a
40
100
b
43
44
a
39
39
b
38
c
44
a
_
110
39
b
38
c
Dureza de la probeta patrón (Shore D): 40 + 3
Para el PP, no existe una diferencia significativa entre el material sometido a fatiga, y el material sin
ensayar, como se muestra en la Tabla 4.16.
Tabla 4.16.- Durezas Shore D medidas en el PP.
Esfuerzo de amplitud σa (% Sy)
Esfuerzo medio
σm (% Sy)
5
21
_
60
80
10
60
59
60
Posición
21
26
32
42
42
62
61
_
62
62
60
62
61
61
_
62
60
_
62
61
61
_
62
59
61
61
60
60
Dureza de la probeta patrón (Shore D): 61 + 1
_
a
b
c
a
b
c
Los resultados de dureza para el PSAI, que se muestran en la Tabla 4.17, presentan una disminución a
lo largo de la zona media cercana al 15%, este comportamiento es similar para todas las combinaciones
de esfuerzo medio y esfuerzo amplitud.
84
Tabla 4.17.- Durezas Shore D medidas en el PSAI.
Esfuerzo de amplitud σa (% Sy)
Esfuerzo medio
σm (% Sy)
5
60
80
74
63
10
10
15
20
Posición
25
30
35
_
73
65
64
74
68
64
71
66
62
74
68
70
65
61
61
61
60
Dureza de la probeta patrón
71
_
66
64
(Shore D): 70 + 3
a
b
c
a
b
c
No se percibe una variación significativa de dureza en los materiales, antes y después de los
ensayos de fatiga. La mayor variación se observa en el PSAI, que presenta una disminución
cercana al 15 %, y el ABS ensayado a diferentes frecuencias, con una disminución entre el 5%
y el 10%.
CAPÍTULO V
CONCLUSIONES
Del trabajo realizado, incluyendo los diferentes ensayos como son dureza, tracción y fatiga, se
pueden extraer las siguientes conclusiones:
1.
La máquina universal de ensayos MTS 10 Ton fue adaptada para la realización de ensayos
tanto de tracción como de fatiga de materiales poliméricos. Se pone de relieve que se ha
logrado poner a punto y optimizar los parámetros de operación de la misma mediante la
interacción software-hardware-sistema de comunicación con el usuario.
2.
Se han podido obtener datos importantes para el diseño de piezas poliméricas a partir de
un procedimiento que es utilizado comúnmente para materiales metálicos. La realización
de curvas S-N, curvas de Goodmam y la obtención de ciclos de histéresis concretan la
información ingenieril referente a la vida a fatiga de los materiales que han servido como
base para el presente trabajo.
3.
Para los polímeros estudiados se obtuvo que a mayor esfuerzo amplitud y mayor esfuerzo
medio, se obtiene menor vida a fatiga.
4.
El material que presenta mejor comportamiento a fatiga es el ABS, el cual presentó una
baja sensibilidad ante los valores de esfuerzo medio aplicado.
86
5.
Entre los materiales estudiados, se puede establecer un orden decreciente en cuanto al
desempeño general ante cargas de fatiga:
ABS > MABS > PSAI > PP
6.
De las curvas de histéresis obtenidas para cada material, no se pudo establecer ninguna
conclusión sobre los fenómenos de ablandamiento o endurecimiento por deformación
cíclica, por falta de reproducibilidad en los ensayos.
7.
De las curvas de histéresis obtenidas para cada material, no se pudo establecer ninguna
conclusión sobre los fenómenos de ablandamiento o endurecimiento por deformación
cíclica, por falta de reproducibilidad en los ensayos.
8.
En general, para todos los materiales se obtuvo una disminución del ángulo en el ciclo de
histéresis para los dos porcentajes de esfuerzo medio aplicado, lo cual está relacionado
con daño interno del material.
9.
En el proceso de fatiga, bajo condiciones de ensayo, donde los polímeros alcanzan los
30.000 ciclos de vida, no se producen incrementos de temperatura superiores a unos 3 ºC.
Ello significa que el efecto de termofluencia no parece tener relevancia en tales
condiciones y, según los resultados obtenidos, existen mecanismos de fatiga en polímeros,
los cuales pueden, a partir de los ensayos realizados, ser estudiados con mayor
profundidad utilizando técnicas adicionales como microscopía electrónica de barrido,
entre otras. Sin embargo, al incrementar el esfuerzo las variaciones en temperatura pueden
alcanzar hasta 20 ºC, dependiendo del polímero.
10. La dureza de los materiales no sufrió cambios significativos antes y después de los ensayos de
fatiga, para las condiciones de esfuerzo empleadas.
CAPÍTULO VI
PERSPECTIVAS A FUTURO
El trabajo realizado ha servido para establecer una metodología para caracterizar el
comportamiento mecánico de materiales poliméricos de una manera reproducible y confiable.
En general, se pueden indicar algunos puntos que podrían servir para el mejoramiento de la
metodología y para caracterizar a los materiales, por lo menos los estudiados hasta los
momentos, en un mayor rango de esfuerzos medio y amplitud:
1. Mejorar el sistema de adquisición de datos y control en cuanto a la frecuencia de muestreo
y el lazo de control para la carga.
2. Desarrollar un programa para medir la deformación media y el ángulo de ciclo de forma
automatizada para tener información más rápidamente.
3. Completar los ensayos necesarios para corroborar la linealidad de la “línea de Goodmam”
y obtener la misma para otros niveles de vida a fatiga.
4. Realizar estudios en cuanto a crecimiento de grietas y superficies de fractura para
complementar el conocimiento del comportamiento ante cargas de fatiga de los materiales
estudiados, además de otros materiales de interés, y hacer estudios más detallados para
cada polímero.
5. Ensayar mayor número de probetas por condición de trabajo, y ampliar los estudios del
ablandamiento y/o endurecimiento que se da en el ciclo de histéresis, y de los cambios en
las propiedades de los polímeros.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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diseño de piezas, II. Selección del material por comportamiento frente a esfuerzos de
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89
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475-483.
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Tensile Properties of Plastics (2002)
[16]
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Tesis U.S.B., (2004).
[17]
ASTM D 2240. American Society for Testing and Material Standard Test Method for
Rubber Property—Durometer Hardness (2002)
APENDICES
92
93
Venelene FA-0240
PEBD
Hoja Técnica del Producto
Índice de fluidez 1,85 dg/min
densidad 0,9200 g/cm3
Polietileno de baja densidad grado Películas
Aplicaciones Típicas: Sacos y bolsas semindustriales, bobinas para empaque automático de
alimentos, bolsas para boutique, bolsas de uso general. Este material contiene antioxidantes, antibloqueantes y agentes deslizantes.
ASTM(1)
Unidades
Valor Típico(3)
Indice de fluidez (190°C - 2.16 Kg.)
D 1238
dg/min
1,85
Densidad
D 792
g/cm3
0,9200
Propiedades
Propiedades de la película (50 µm)
Propiedades Mecánicas en tensión
DE
DT
Tenacidad
D 882
MPa
30
54
Esfuerzo en ruptura
D 882
MPa
24
15
Deformación hasta la ruptura
D 882
%
150
500
Desgarre Elmendorf
D 1922
g
400
140
Resistencia al impacto
D 1709
KJ/m
28
-
g
1050
Transmisión luminosa
D 1003
%
80
Turbidez
D 1003
%
13
Resistencia a la penetración
Propiedades Opticas(2)
(1) Las normas COVENIN equivalentes a las ASTM utilizadas son las siguientes: Densidad Covenin 461-96; Indice de fluidez
Covenin 1152-93; Propiedades mecánicas Covenin 1357-79.
(2) Las propiedades ópticas dependen de las condiciones de procesamiento, de la velocidad de enfriamiento de la película
y del espesor de la misma.
(3) Los valores típicos son resultados promedio obtenidos en laboratorio, se muestran aquí solo como guías y en ningún
momento como especificaciones.
94
PROPILVEN J440
GRADO DE INYECCIÓN
HOJA TÉCNICA DEL PRODUCTO
APLICACIONES
El grado PROPILVEN J440 es un copolímero en bloque de polipropileno comúnmente
utilizado para inyección de piezas industriales, cestas para transporte de pan, frutas y
verduras, mobiliario (sillas, mesas), caja de herramientas, envases varios.
CARACTERÍSTICAS ESPECIALES
Muy alta resistencia la impacto
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS
Unidades
Normas
Propiedades
ASTM
Indice de Fluidez
D1238
Módulo Flexural
D790
Resistencia tensil a la ruptura
D638
Resistencia al Impacto IZOD (23°C)
D256
Temperatura de deflexión (4,6 Kg/cm2 )
D648
Valores
COVENIN
1152
típicos
5,0
dg/min
1200
MPa
1357
20
MPa
822
145
J/m
100
°C
El grado PROPILVEN J440 ha sido formulado de acuerdo a regulaciones existentes
para materiales que estarán en contacto con alimentos.
95
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