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 [1] Groover, M., “Fundamentos de manufactura moderna”, Editorial Prentice-Hall, (1997), p. 196-217. [2] Richardson, y Lokensgard., “Industria del plástico”, Editorial Paraninfo, Madrid España, (1997), p. 82-92. [3] Shigley, J.E. y Mischke, C.R., “Diseño en ingeniería mecánica”, Editorial McGrawHill, (2001), p. 302-312. 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American Society for Testing and Material Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics (2002) [16] Hernández, J.F., “Determinación de propiedades mecánicas asistida por computadora”, 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
