220017 Ciencia de materiales Propiedades mecánicas (I): Ensayos

220017 Ciencia de materiales
Propiedades mecánicas (I): Ensayos de tracción
1. Introducción
En general, las características más importantes de los materiales son aquellas
relacionadas con su uso final. En este sentido el estudio de las propiedades
mecánicas de los materiales plásticos resulta de lo más interesante, ya que una de las
grandes dificultades que presentan, desde un punto de vista mecánico, es la gran
dependencia de sus propiedades en relación a la temperatura y a la velocidad de
deformación. Lo anterior se debe al comportamiento viscoelástico de estos materiales,
que en primera aproximación resulta de los elevados tiempos de relajación de los
procesos microscópicos debido a su elevado peso molecular. De esta manera, la
velocidad a la que se realice el ensayo influirá notoriamente en las propiedades de los
materiales plásticos. A velocidades moderadas, las moléculas pueden sufrir cambios
estructurales, pudiendo orientarse en la dirección del esfuerzo aplicado, presentando
una mayor tenacidad y ductilidad que a velocidades de ensayo más altas (Figura 1).
Figura 1. Efecto de la velocidad de ensayo en el comportamiento mecánico a tracción de un material
termoplástico.
Asimismo, las propiedades mecánicas de los plásticos cambian rápidamente con
pequeñas variaciones de la temperatura. Cuando la temperatura aumenta, se produce
una expansión gradual del material, lo que resulta en un aumento del volumen libre y
en un debilitamiento de las fuerzas de cohesión del mismo. En términos generales, al
aumentar la temperatura la resistencia y el módulo disminuyen, mientras que la
elongación aumenta (Figura 2).
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
Figura 2. Efecto de la temperatura sobre un material termoplástico; v=25 mm/min.
El estudio de las propiedades mecánicas se refiere básicamente a la respuesta de
un material cuando se le aplica un estímulo mecánico externo. De los diferentes
ensayos existentes a baja velocidad (< 500 mm/min), como por ejemplo tracción,
flexión o compresión, el más empleado es el ensayo de tracción uniaxial, con el cual
se puede obtener información sobre la rigidez, la resistencia y la ductilidad del
material.
Este tipo de ensayo consiste en someter al material (moldeado en una forma
estandarizada llamada probeta) a una velocidad de deformación constante, y medir la
fuerza necesaria para cada valor de deformación. Esto se realiza generalmente hasta
que el material rompe. Posteriormente, se traza una curva donde el eje de las abscisas
muestra la deformación del material y el eje de las ordenadas la tensión. Es importante
señalar que para independizarse de las dimensiones particulares de cada probeta, en
vez de trabajar con la fuerza (F) se utiliza la tensión aplicada (σ) la cual se define
como la fuerza aplicada dividida por el área (A) de la sección transversal a la dirección
de aplicación de dicha fuerza:

F
A
Generalmente se suele trabajar con la sección inicial de la probeta, por lo que a la
tensión se le denomina tensión nominal o tensión ingenieril. Con la deformación ( )
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ocurre algo similar, y se trabaja generalmente con el porcentaje de deformación
nominal o ingenieril (generalmente en %):
 % 
L  L0
 100
L0
siendo L0 es la longitud inicial de la zona normalizada de la probeta y L su longitud en
cada instante.
Las probetas que se emplean en los ensayos mecánicos deben de tener
dimensiones normalizadas (ISO 527 o bien ASTM D638), y se preparan a través de
métodos de transformación como la inyección o mecanizando las probetas en el caso
de placas y películas o láminas.
Además de los ensayos a bajas velocidades de deformación, existen otros a más
altas velocidades (> 500 mm/min) que permiten conocer la respuesta mecánica de los
materiales frente al impacto. De entre estos, los más aplicados a materiales plásticos
son los ensayos de impacto pendular (tipo Izod o Charpy con o sin entalla,
dependiendo de la disposición de la probeta durante el ensayo y de si esta presenta o
no una entalla en la zona de impacto) y los ensayos de caída de dardo. Dichos
ensayos permiten conocer el comportamiento a impacto de los materiales y cuantificar
su resistencia al impacto (comúnmente en unidades de energía por volumen de
muestra).
2. Objetivos
Evaluar el comportamiento mecánico de dos materiales termoplásticos a distintas
velocidades y temperaturas de ensayo.
3. Materiales
Se utilizarán probetas halterio y prismáticas de los siguientes materiales:
- Polipropileno (PP).
- Polipropileno reciclado (PPrec).
- Poliestireno (PS).
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4. Equipos experimentales
- Máquina de ensayos universales con célula de carga de 10 kN.
- Mordazas de tracción.
4. Desarrollo de la práctica
a) Seminario
Explicación del comportamiento mecánico de los materiales plásticos y de los
diferentes mecanismos de deformación.
b) Ensayos de tracción
-Colocar las probetas correctamente, siguiendo las indicaciones del profesor.
-Ensayar el PP a 5 mm/min.
-Ensayar el PP a 100 mm/min.
-Ensayar el PPrec a 5 mm/min.
-Ensayar el PS a 5 mm/min y 100 mm/min.
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Cuestiones
1.- En los ensayos de tracción, se representará la curva tensión-deformación y se
determinarán los siguientes parámetros mecánicos: Módulo de Young €, tensión de
cedencia (y), tensión de rotura (r), deformación a rotura (r) y energía absorbida
durante el ensayo (U), utilizando los archivos de tipo .xls (Excel) que podrán ser
descargados desde el portal virtual Atenea.
2.- Identificar el mecanismo de deformación observado en cada caso y describir la
evolución del ensayo.