mecanismos de deformación en policarbonato fotoelasticidad

CONAMET/SAM-SIMPOSIO MATERIA 2002
MECANISMOS DE DEFORMACIÓN EN POLICARBONATO:
FOTOELASTICIDAD Y MICROESTRUCTURA
É. B. Hermida 1,2 y E. Brandaleze3
1. CONICET. DM, CAC, CNEA.
2. Instituto de Tecnología, UNSAM-CNEA.
Av. Gral. Paz 1499, B1650KNA San Martín, Prov. Buenos Aires
3. Instituto Argentino de Siderurgia
Av. Central y 19 Oeste – Barrio Somisa – San Nicolás (2900) – Buenos Aires – Argentina
e- mail: [email protected], [email protected]
RESUMEN
Entre las características fundamentales que convierten al policarbonato (PC) en un polímero de uso
generalizado se destacan su facilidad para moldearse a geometrías complejas en tiempos muy cortos, su
transparencia y su resistencia a la intemperie.
Las propiedades mecánicas del PC caracterizan su respuesta frente a diferentes solicitaciones y a la falla
del mismo en condiciones de uso. La literatura da cuenta de numerosos trabajos referentes al
comportamiento mecánico del PC y de la fotoelasticidad que se manifiesta al deformarlo, pero aún no se
ha logrado correlacionar estas propiedades con los cambios estructurales que los producen.
En este trabajo el objetivo es interpretar los mecanismos de deformación que operan en el policarbonato
sometido a esfuerzos de tracción uniaxial y curvado a temperatura ambiente, y determinar el tipo de falla
del mismo. Los resultados de la respuesta mecánica se correlacionan con observaciones de la
microestructura por microscopía óptica con luz polarizada y microscopía electrónica de barrido.
En particular, se destaca la presencia de esferulitas y microgrietas. Estas microgrietas se manifiestan en
las regiones amorfas junto a las porciones cristalinas. En la estructura, las porciones amorfas son las que
ceden en primer luga r ante los esfuerzos. Las esferulitas, por su parte, pierden su morfología característica
cuando el material se encuentra próximo a la rotura. Los campos de tensiones observados sobre muestras
deformadas, utilizando polarizadores cruzados, permite estudiar la evolución de los campos de tensiones
en todo rango de deformaciones.
Palabras claves: Policabonato, microestructura, fotoelasticidad, deformación.
1.
INTRODUCCION
Los polímeros representan una clase importante
dentro de los materiales, dada sus innumerables
aplicaciones en la vida moderna. Su alta
resistencia, su baja densidad y su claridad
óptica, los ubica en sitios importantes frente a
otros materiales más tradicionales. Se sabe que
los
polímeros
presentan
comportamientos
mecánicos dentro de los cuales podemos
mencionar el viscoelástico, siendo el mismo un
comportamiento
intermedio
entre
los
correspondientes a sólidos elásticos y líquidos
viscosos. Se recuerda que las propiedades de los
polímeros se especifican mediante parámetros
tales como módulo de elasticidad, resistencia a
la tracción, impacto, fatiga, etc. Existen
diferentes tipos de ensayos para determinar
estos
parámetros
e
interpretar
los
micromecanismos que rigen el comportamiento
mecánico de los distintos materiales. Dos
técnicas que pueden ser utilizadas para este fin
son la relajación de tensiones uniaxial y la
relajación de tensiones por curvado, descriptas
en trabajos previos, [1]. Cabe mencionar que la
cinética de la relajación es gobernada por los
procesos microscópicos de deformación que
ocurren en el material.
En este trabajo se identifican los mecanismos de
deformación que operan en el policarbonato
sometido a tracción y relajación de tensiones
por curvado, tanto como los mecanismos de
fractura y los campos de tensiones residuales de
acuerdo al porcentaje de deformación, mediante
técnicas ópticas fotoelásticas. Todo contribuya
la comprensión de la influencia de las fases
cristalina y amorfa en el comportamiento
mecánico
del
policarbonato.
Estos
conocimientos representan un aporte que puede
ser extensible a otros polímeros, permitiendo a
estos materiales nuevos usos ingenieriles y la
predicción de respuestas en las diferentes
aplicaciones.
2.
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
2.1. Materiales
Para correlacionar los cambios estructurales con
las diferentes etapas de deformación se emplea
el policarbonato comercial Lexan® producido
2.2 Mecanismos
polica rbonato.
de
deformación
en
Figura 1. Curvas tensión – deformación a
temperatura ambiente y diferentes niveles de
50
40
30
rango elástico
aσ f_max
a σ f_min
20
a rotura
a rotura doble "neck"
10
0
0,00
0,10
0,15
0,20
deformación
PC12
PC13
Condición
de la
tracción
En la zona
elástica
Hasta
fluencia
máxima
PC17
Hasta
fluencia
máxima +
recarga
PC11
Hasta
fluencia
mínima
PC5
PC7
A rotura
PC9
A rotura con
doble
estrangulamiento
el
Las muestras de policarbonato, maquinadas con
la geometría requerida tanto para el ensayo de
tracción, como
para el de curvado
(rectangulares de 100 mm x10 mm), se
sometieron a un tratamiento de recocido a
100°C durante 1 hora para aliviar posibles
tensiones generadas por el proceso de
fabricación.
Los ensayos de tracción se realizan a
temperatura ambiente en muestras normalizadas
(longitud útil 25 mm, ancho 4 mm, espesor
1.45mm). Las muestras se someten a distintos
porcentajes de deformación, a fin de obtener
estructuras representativas de cada una de las
etapas de la curva tensión - deformación. Se
emplea una máquina de ensayos servomecánica
modelo Instron 1122. Las curvas obtenidas se
presentan en la Figura. En la tabla I se detallan
las condi ciones de esfuerzos y las características
de los mecanismos de deformación observados
mediante microscopía óptica utilizando luz
polarizada. Se analiza, además, el nivel de
tensiones residuales resultante de ambos tipos
de ensayos, tracción y de relajación de tensiones
por curvado.
0,05
ε
Muestra
σ [MPa]
por General Electric . Tiene un peso molecular
de 254,3 g/mol, el volumen molar es 136,21
cm3 y su densidad es 1,20 g/cm3. La estructura
presenta dos grupos benceno, de la misma
manera que el nylon y las resinas poliéster.
Es transparente y autoextinguible [2], aislante
eléctrico y térmico, se caracteriza por tener
buena
respuesta
mecánica
y
excelentes
propiedades ópticas. El índice de refracción
promedio del policarbonato es 1,60. Presenta
una
fluencia
apreciable
a
temperaturas
superiores a los 50°C, mantiene una buena
estabilidad dimensional hasta los 100°C. Se
caracteriza por presentar una baja absorción de
agua y alta resistencia a la corrosión química.
Es muy resistente al impacto y dúctil.
Para ser conformado, este polímero requiere
calor y luego un tiempo adecuado de
enfriamiento. Si es necesario, puede ser
reformado con un nuevo calentamiento sin que
se degraden sus propiedades generales, lo que
permite considerarlo como reciclable.
El policarbonato, de igual manera que todos los
polímeros
termoplásticos
y
termoestables,
experimenta una notable disminución del
módulo elástico a la temperatura de transición
vítrea, T g. El valor de esta temperatura es 277°C
y la temperatura de fusión Tf es de 372°C. El
coeficiente de dilatación térmica lineal α t es 66
x10-6 ºC-1 [3].
Es un material muy utilizado en la construcción,
para elementos de seguridad tales como cascos
y lentes, globos de alumbrado, como partes de
máquinas y bases para películas fotográficas.
Observaciones
*Puntos de concentración
de tensiones
*Campos a 45º, sin fisuras
en el borde.
*Microgrietas localizadas.
*Campos
de
tensiones
(diferentes colores,
a
45º).
*Fisuras arborescentes.
*Microgrietas.
*Deslizamiento a 45º.
*Campos de tensiones.
*Fisuras y mayor cantidad
de microgrietas.
*Deslizamiento a 45º.
*Campos de tensiones.
*Fisuras en bordes.
*Microgrietas (morfología
hexagonal).
*Campos de tensiones .
*Mayor deslizamiento.
*Microgrietas entre líneas
de deslizamiento (estructura hexagonal).
Tabla I. Condiciones de ensayo tracción sobre
muestras de policarbonato (espesor: 1,45 mm)
y mecanismos de deformación observados por
microscopía óptica con luz polarizada.
En la figura 2 se observan los cambios
geométricos generados en la zona sometida a
esfuerzo de tracción en algunas de las muestras.
PC 13
PC 17
PC 11
PC 9
los estudios para materiales vítreos [4]. Las
microgrietas se localizan en una región de la
muestra, próxima al cuello cerca de uno de los
extremos. Además, presentan una distribución
al azar y distintos tamaños, como se aprecia en
la Figura 4 (b).
Figura 2. Cambios geométricos generados en la
zona sometida a esfuerzo de tracción frente a
distintos porcentajes de deformación.
La respuesta mecánica del policarbonato está
dada por la estructura interna del material, que
posee dos fases: amorfa y cristalina. Mediante
estudios realizados por microscopía óptica y
electrónica se determina que el policarbonato en
su porción cristalina posee dos morfologías
diferentes: esferulitas de diversos tamaños y
cristales poliédricos.
2.2.1. Microscopía óptica con luz polarizada.
Tal como se desprende de la tabla I, los
mecanismos de deformación en el rango elástico
no involucran ni el mecanismo de deformación
por microgrietas ni el de deslizamiento
característico en la zona plástica. Sin embargo,
con luz polarizada se pueden observar campos
blancos correspondientes a altos niveles de
tensiones, tal como se ilustra en la Figura 3. En
estos puntos se podrían llegar a generar fisuras
en el borde de la muestra si el material se
sometieron a esfuerzos mayores.
Puntos de
concentración
de tensiones
Figura 3. Puntos de concentración de tensiones
observados mediante microscopía óptica con luz
polarizada sobre la muestra PC12. [M25x]
Cabe aclarar que los campos de tensiones hacia
el interior de la muestra resultan homogéneos y
mantienen un mismo color, verde azulado. Se
deduce a partir de los estudios fotoelásticos, que
el nivel de tensión es constante.
En la muestra PC13, deformada hasta fluencia
máxima, se pueden observar deslizamientos a
45° desde el borde de la misma, con ausencia de
fisuras, tal como se ilustra en la Figura 4(a).
Esto indica que para este espesor las tensiones
en el policarbonato son elevadas de acuerdo a
(a) Deslizamientos a
45 ° en el borde de la
muestra sin presencia
de fisuras.
(b)Microgrietas
localizadas en una región
de la muestra, de tamaños
diferentes.
Figura 4. Deslizamientos a 45° y presencia de
microgrietas en la muestra PC13. [M256x]
Las observaciones realizadas tanto sobre las
muestras sometidas a fluencia máxima (PC13,
PC17, PC11, PC5 y PC7) como sobre aquellas
deformadas
hasta
la
rotura
con
doble
estrangulamiento (PC9), permiten deducir que
los mecanismos de deformación presentes son
dos: microgrietas y deslizamientos que dan
lugar a la formación de bandas de corte.
Se observa que a medida que el esfuerzo es
mayor, el deslizamiento se acentúa y las
microgrietas
van
adquiriendo
disposiciones
diferentes. Cuando la muestra alcanza la tensión
de rotura, las microgrietas se ubican entre las
bandas de deslizamiento adquiriendo una
apariencia
que
puede
describirse
como
hexagonal o forma de panal. Figura 5.
(a) Bandas de corte
próximos a la zona de
rotura.
(b)Estructura de
microgrietas
localizadas con
morfología hexagonal
o de panal.
Figura 5. Deslizamientos y microgrietas con
morfología hexagonal generados durante la
rotura o doble estrangulamiento. [M256x]
Además, mediante la observación con luz
polarizada se determinó la distribución de
campos de tensiones generados sobre cada una
de las muestras. Estos campos indican distintos
niveles de tensión debido al color que presentan
en cada caso. En una etapa posterior se
realizarán los cálculos de valor es de tensiones
remanentes en el material para cada una de las
condiciones de ensayo.
En las probetas ensayadas a relajación de
tensiones por curvado a distintas tensiones no se
observan microgrietas ni presencia de bandas de
deslizamiento.
Los
campos
de tensiones
residuales son homogéneos. El mecanismo de
deformación sólo parece ser de desplazamientos
de tramos de cadena.
2.2.2. Determinación de cantidad y tamaño
de microgrietas mediante microscopía óptica
sobre las muestras sometidas a tracción.
Se mide la cantidad de microgrietas y tamaños
de las mismas sobre tres campos de cada
muestra utilizando microscopía óptica con luz
polarizada. En la figura 6 se indican los campos
de medición.
2
1
3
Figura 6. Ubicación de los campos 1, 2 y 3
donde se realizaron mediciones de tamaño y
cantidad de microgrietas.
Las mediciones se realizan sobre toda la zona de
la muestra sometida a esfuerzo de tracción. Los
resultados de cada campo son promedio de
mediciones realizadas sobre áreas de 149 µm2,
con una magnificación de 256x.
La distribución de microgrietas en los tres
campos de medición se puede deducir de la
Figura 7.
2.2.2. Microscopía electrónica.
Se
han
observado
mediante
microscopía
electrónica tanto las muestras ensayadas en
tracción como las sometidas a relajación de
tensiones por curvado. Las muestras relajadas
por curvado no mostraron alteraciones en el
tamaño y ni morfología de las esferulitas y
cristales poliédricos.
En cambio, en las muestras sometidas a
tracción, y en particular en aquellas en que se
alcanzó la rotura y doble es trangulamiento, se
pudo determinar que con esfuerzos elevados el
proceso de deformación evoluciona a través de
la separación de las porciones cristalinas y
amorfas. Esto se traduce en que las microgrietas
asociadas a las esferulitas crecieron en ancho;
además y dentro de las mismas esferulitas
comienza a notarse la separación de porciones
cristalinas y amorfas adquiriendo una forma
más ovalada que coincide con el sentido del
esfuerzo, tal como se aprecia en la Figura 8.
(a) M2500x
(b) M2300x
(c) M2300x
Figura 8. Evolución del proceso de deformación
en la interfase entre esferulita y parte amorfa.
En las muestras sometidas a rotura observadas
luego de un ataque con permanganato de
potasio, se distinguen esferulitas más pequeñas
alineadas en el sentido de la deformación. En la
Figura 9 se evidencia lo mencionado junto a la
presencia de cristales poliédricos y esferulitas
grandes.
campo 3
PC9
PC5/PC7
PC11
PC17
PC13
campo 2
campo 1
PC12
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Cabe aclarar que las muestras sometidas a
relajación de tensiones por curvado no
presentan microgrietas.
Figura 7. Distribución de microgrietas en los
campos 1, 2 y 3 de las muestras.
Tal como se desprende del gráfico, la mayor
tendencia a la formación de microgrietas se
presenta en el campo 1 que corresponde al
centro de la muestra y en segundo término en el
campo 3. Ambos campos representan las zonas
donde la muestra puede alcanzar la rotura.
Figura 9. Esferulitas pequeñas alineadas,
esferulita de mayor tamaño y cristales
poliédricos. [M 1100x]
3.ANÁLISIS DE RESULTADOS
Los
mecanismos de deformación que operan
sobre el policarbonato sometido a esfuerzos de
tracción son:
Desplazamientos de tramos de cadena
Cuando las temperaturas son menores que la Tg,
durante el período elástico, en la estructura del
policarbonato sólo ocurrirán desplazamientos
pequeños de tramos de cadenas. Es decir, no se
producirán cambios apreciables de la estructura.
aplicada es más elevada, la propagación puede
adoptar ángulos mayores a 45º. En la figura 10,
se presentan los esquemas de las fracturas
típicas de vidrios mencionadas. [4]
45
90º
90 º
Mecanismo de deformación por “Microgrietas”
Durante la etapa de fluencia, el mecanismo de
deformación que preval ece es el de microgrietas
por fluencia localizada. Estas microgrietas, que
presentan apariencia de rajadura, se generan a
partir de los defectos y otras heterogeneidades
de la estructura del material. Las microgrietas
dilatacionales crecen en sentido normal a la
tensión aplicada y pueden estar asociadas a
fragilidad. La coalescencia de este tipo de
fisuras contribuye a la falla del material.
Este
mecanismo
mantiene
las
mismas
características que en los vidrios y materiales
amorfos. La fluencia ocurre por ac umulación de
deformaciones irreversibles y la generación de
estas microfisuras da lugar al fenómeno
conocido como “blanqueado por tensión”. La
expansión de las fisuras es a través de los
campos de tensiones hidrostáticas y se ve
favorecida por el desbandado de las fases menos
plásticas que la matriz, frente a las
solicitaciones
mecánicas
proporcionadas.
Además ocurren en las máximas direcciones de
corte. [5]
Cuando se produce deformación plástica, en una
zona ancha próxima a la cabeza de la fisura se
desarr ollan tensiones locales. La onda de
fractura se propaga inicialmente en un plano
perpendicular al eje de tracción uniaxial. Si la
energía cedida al cuerpo es elevada, la onda de
fractura se bifurca una o más veces
compensando dicha energía con la creación de
nuevas superficies. La fractura avanza mediante
la rotura de enlaces químicos y sólo se detiene
cuando se ha consumido toda la energía
disponible.
El análisis de fractura en materiales vítreos
explica lo que ocurre en el policarbonato, se
basa en reglas sencillas:
a) la dirección de propagación es siempre
perpendicular a la dirección del esfuerzo
de tracción.
b) si la superficie fracturada es perpendicular
a la superficie del polímero la fractura es
rectilínea,
salvo
con
tensiones
inhomogéneas donde la superficie resulta
curva.
c) si
la
energía
del
esfuerzo
es
suficientemente elevada, la fractura se
bifurca en forma simétrica.
Cuanto mayor es el esfuerzo aplicado mayor
será la bifurcación, pudiéndose producir incluso
bifurcaciones múltiples y se nota una
disminución de la longitud de la fractura
respecto del borde de la probeta. Si la tensión
90 º
σ
σ
(a)
Propagación
normal a la
dirección del
esfuerzo.
(b)
Propagación en
ausencia de
tensiones a 45º.
σ
(c)
Propagación
para altas
tensiones de
tracción, mayor
ángulo
Figura 10. Fracturas típicas en materiales
vítreos amorfos.
Mecanismos
corte
de
deformación
por
bandas
de
Luego de la fluencia, cuando se inicia la
deformación
plástica,
el
mecanismo
que
prevalece es el de bandas de corte. Las bandas
de corte están localizadas en la zona de
estricción.
Durante
este
período,
las
microgrietas continúan formándose, aunque en
menor proporción, y cambian su distribución y
morfología de acuerdo a lo mencionado
previamente.
Los mecanismos de formación de microgrietas
y bandas de corte compiten durante la
deformación a la tracción de un polímero.
Existen
distintas
opiniones
sobre
los
mecanismos que causan la deformación plástica
durante el proceso de fluencia en estos
materiales. Algunos autores suponen que las
cadenas lineales de las moléculas se desenrollan
y deslizan unas sobre otras, alineándose en la
dirección del esfuerzo. Cuando el esfuerzo es
demasiado alto, los enlaces covalentes de las
cadenas principales se rompen y ocurre la
fractura del material. [4]
Otros autores justifican el comportamiento de
polímeros, tales como el PMMA, PVC, PC y PS
en el estado de fluencia, por medio de
transiciones a un estado similar al vítreo frente
a cargas aproximadas al punto de fluencia del
material [5, 6, 7, 8].
A partir de los resultados obtenidos para el
policarbonato, los mecanismos de deformación
que operan durante la tracción, se podrían
interpretar en términos de las interacciones entre
porciones cristalinas y amorfas del material. Se
entiende por estas interacciones tanto las que se
generan entre laminillas y parte amorfa en el
interior de las esferulitas y cristales poliédricos,
como las que intervienen entre las porciones
cristalinas y la matriz amorfa del material. [8]
A
estos
niveles
de
tensiones,
los
entrecruzamientos de las moléculas y los
enlaces secundarios que vinculan las porciones
cristalinas con la matriz ceden, hasta romperse,
generándose
las
microgrietas.
Estas
microfisuras,
nuclean
preferentemente
en
puntos de concentración de tensiones triaxiales,
dadas las diferentes propiedades de las
porciones cristalina y amorfa. La rotura de
tramos de cadena y enlaces secundarios facilita
la deformación dilatacional. La propagación
ocurre por fluencia local y orientación de las
cadenas en el extremo de la microfisura.
Posiblemente, el tamaño de las fisuras esté
relacionado con el correspondiente al cristal o
esferulita asociada.
Cuando los niveles de tensiones superan la
fluencia plástica, comienzan a producirse
deslizamientos en planos a 45 ° permitiendo la
propagación de fisuras en borde de la muestra.
Además, la longitud de las fisuras está
determinada por el nivel de tensión. Incluso
puede llegar a no desarrollarse la fisura y sólo
notarse deslizamientos.
La formación de microgrietas se detiene por
presencia de tensiones compresivas localizadas.
Algunos autores sostienen que en la fluencia
máxima puede existir fluencia viscosa siendo
esta una causa de frenado en la propagación de
las mismas. [8]
Si se continua exigiendo el material, se orientan
las pequeñas porciones cristalinas en el sentido
del esfuerzo. Posiblemente, estos agrupamientos
ordenados se mueven de modo cooperativo e
independiente, favorecidos por el estiramiento
de las cadenas de la porción amorfa. Esto junto
a los deslizamientos que generan bandas en la
zona de estricción, permiten el reordenamiento
de las microgrietas en las regiones intermedias.
Cuando los esfuerzos son más elevados, las
esferulitas de mayor tamaño, comienzan a sufrir
desplazamientos internos entre las láminas
cristalinas. Esto se acentúa cada vez más y
pierden finalmente la forma esférica, tornándose
ovaladas y alineadas coincidentes con el eje de
tracción. Cuando el material alcanza la tensión
de rotura, se rompe presentando una rotura
concoidea típica de los materiales amorfos.
La aparición de microfisuras indica la respuesta
de la parte amorfa en el material y esto justifica
la similitud con los vidrios en los mecanismos
de propagación de fisuras y la fractura.
El reordenamiento final de la estructura en
pequeñas zonas es completo, existen cambios de
volumen en pequeños elementos y esto conlleva
a cambios bruscos en la geometría de la probeta.
El parámetro clave del mecanismo de fractura
es la velocidad de deformación directamente
ligada a cambios estructurales.
Tanto las muestras de policarbonato sometidas a
diferentes esfuerzos de tracción como aquellas
ensayadas a relajación de tensiones por curvado
a diferentes condiciones, mantienen cierto nivel
de tensiones residuales posterior a la descarga.
Estos campos, observados mediante técnicas
fotoelásticas, presentan colores y distribuciones
diferente. En el caso de las muestras de tracción
en período elástico como en las correpondientes
a relajación de tensiones, los campos de
tensiones denotan una distribución homogénea
en toda la muestra.
4. CONCLUSIONES
A partir de los resultados obtenidos en este
trabajo se puede inferir que los mecanismos de
deformación que operan en el policarbonato
sometido a tracción son:
• Desplazamientos cortos de cadenas durante
el período elástico.
• Generación de microgrietas durante todo el
rango
de
deformaciones,
siendo
predominante en el período de fluencia
hasta el adelgazamiento plástico, también
conocido como trabajado en frío.
• Formación de bandas de corte durante el
período de estricción hasta rotura y doble
estrangulamiento.
La falla del material se produce por la
propagación de fisuras a causa del desorden de
las regiones cristalinas y amorfas, con un
mecanismo de propagación similar al que
presentan los materiales vítreos.
El policarbonato sometido a relajación de
tensiones por curvado a distintas tensiones, no
presenta mecanismos de deformación por
microgrietas ni bandas de corte. Se supone que
sólo ocurren desplazamientos de cadenas en la
porción amorfa.
Las
técnicas
de
fotoelasticidad
permiten
determinar los campos de tensiones residuales
generados como consecuencia de esfuerzo de
tracción y curvado.
REFERENCIAS
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
F. Povolo, É.B. Hermida, G. Mansilla y E.
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