Ensayo de impacto

Las pruebas de impacto se utilizan en ingeniería de polímeros para estudiar la tenacidad de un material. Este material puede ser un polímero, un copolímero o un polímero reforzado.

Las pruebas mecánicas pertenecen al grupo de pruebas mecánicas dinámicas.

Generalidades

Existen de acuerdo a Charpy dos tipos de prueba de impacto:

Prueba de impacto con flexión Prueba de impacto con flexión y muesca

Ambas pruebas pueden realizarse con instrumentos o sin ellos, es decir, con una computadora que mide los diferentes parámetros implicados en la prueba.

Otras pruebas de impacto no incluidas en Charpy incluyen

Prueba a la caída Pruebas de impacto a alta velocidad

La tenacidad al impacto se mide en kJ/m2.

Debido a las características termoplásticas de los polímeros, las pruebas de impacto requieren cierta velocidad en su actuación, velocidades lentas producen más bien movimientos de deformación plástica o creep, permitiendo a los segmentos de las macromoléculas la relajación de esfuerzos. Las velocidades para impacto incluyen el rango de 10-1 - 100 s-1.

Ensayo de impacto: Prueba Charpy

El nombre de este ensayo se debe a su creador, el francés Augustin Georges Albert Charpy (1865-1945). A través del mismo se puede conocer el comportamiento que tienen los materiales al impacto, y consiste en golpear mediante una masa una probeta que se sitúa en el soporte S (ver Fig. 1). La masa M, la cual se encuentra acoplada al extremo del péndulo de longitud L, se deja caer desde una altura H, mediante la cual se controla la velocidad de aplicación de la carga en el momento del impacto. ASTM D 6110

FIGURA 1. Péndulo de Charpy a) antes del impacto y b) después del impacto.

La energía absorbida Eapor la probeta, para producir su fractura, se determina a través de la diferencia de energía potencial del péndulo antes y después del impacto. Una vez conocido el ángulo inicial de aplicación de la carga (α) y el ángulo final (β) al que se eleva el péndulo después de la rotura completa de la probeta, se puede calcular la energía Eamediante la expresión (1):

Ea=MgL [cos (β )−cos (α )]; (1)

Donde g representa la aceleración de la gravedad.

Péndulo de Charpy

El péndulo de Charpy se utiliza en ensayos para determinar la tenacidad de un material. El péndulo cae sobre el dorso de la probeta y la parte. La diferencia entre la altura inicial del péndulo (h) y la final tras el impacto (h') permite medir la energía absorbida en el proceso de

fracturar la probeta. En estricto rigor se mide la energía absorbida en el área debajo de la curva de carga, desplazamiento que se conoce como resiliencia. La tenacidad es la energía total que

absorbe un material antes de alcanzar la rotura, por acumulación de dislocaciones.

Cuando un material presenta mayor resiliencia que otro, generalmente presenta mayor tenacidad. Sin embargo, dicha relación no es lineal.

La tenacidad corresponde al área bajo la curva de un ensayo de tracción entre la deformación nula y la deformación correspondiente al límite de rotura.

La resiliencia es la capacidad de almacenar energía en el periodo elástico, y corresponde al área bajo la curva del ensayo de tracción entre la deformación nula y el límite de fluencia.

Ecuaciones para calcular los datos obtenidos en el ensayo de impacto Charpy

Energía totalE=PL(1−cosα )¿] Ecu. (2)

L: longitud del péndulo (distancia desde su eje al centro de gravedad).P: peso del martillo

Energía disponible total descontando las por pérdidas por fricción en los rodamientos y por la resistencia con el aire

Ef=PL(1−cos 0)[Joules] Ecu. (3)

Energía perdida por fricción ─en rodamientos y con el aire─ Edt=E−Ef=PL (cos β 0−cosα ) [Joules ] Ecu. (4)

β0= Ángulo final en vacío ─sin probeta─α= Ángulo de disparo

Energía residual: Energía no utilizada en la rotura de la probetaEr=PL(1−cos β)¿] Ecu. (5)

β= ángulo alcanzado por el péndulo después de golpear la probeta ─con probeta

Energía utilizada para romper la probeta:Eabs=Ef – Er [Joules ] Ecu. (6)

Porcentaje de fractura frágil y dúctil

% de fracturafr á gil :A fAt

∗100 Ecu. (7)

% de fracturafr á gil :[1− A fA t ]∗100Ecu. (8)

Resiliencia:

K=E|¿|

s¿ Ecu. (9)

Eabs: energía absorbida

S: sección de rotura de la probeta [mm2]

Ensayo de impacto: Prueba Izod

Se utiliza para materiales no metálicos, la probeta puede o no tener muesca en “V”, siendo que la que tiene la muesca mide mejor la resistencia del material. Fig. (2) ASTM D 256, ASTM D 4508

Fig. (2)

Fractura Dúctil y Fractura Frágil

Los modos de fractura que pueden experimentar los materiales se clasifican en dúctil o frágil, dependiendo de la capacidad que tienen los mismos de absorber energía durante este proceso. Actualmente no existe un criterio único para determinar cuantitativamente cuando una fractura es dúctil o frágil, pero todos coinciden en que el comportamiento dúctil está caracterizado por una absorción de energía mayor que la requerida para que un material fracture frágilmente. Por otra parte el comportamiento dúctil tiene asociado altos niveles de deformación plástica en los materiales.

FRACTURA DÚCTIL

Los mecanismos de fractura suelen clasificarse en frágiles o dúctiles según la deformación plástica que acompaña a la rotura: una gran cantidad de deformación plástica suele estar asociada con la fractura dúctil, mientras que lo opuesto es sinónimo de fractura frágil. En el caso de los metales la fractura ocurre comúnmente por uno de los siguientes mecanismos:

a)Fractura dúctilb)Descohesión transgranular (clivaje)c)Fractura intergranular

En la siguiente figura se muestran de forma esquemática estos mecanismos. En todos los casos, el proceso de fractura puede ser dividido en varias etapas: nucleación de microfisuras o de cavidades, crecimiento a nivel microestructural de las cavidades o de las microfisuras, coalescencia y localización de la deformación, y crecimiento de las microfisuras hasta la rotura final.

Fig. (3)

Esta fractura ocurre bajo una intensa deformación plástica.

Fig. (4)

Fractura dúctil

La fractura dúctil comienza con la formación de un cuello y la formación de cavidades dentro de la zona de estrangulamiento. Luego las cavidades se fusionan en una grieta en el centro de la muestra y se propaga hacia la superficie en dirección perpendicular a la tensión aplicada. Cuando se acerca a la superficie, la grieta cambia su dirección a 45° con respecto al eje de tensión y resulta una fractura de cono y embudo.

Fractura frágil

Los factores que promueven una fractura frágil de polímero incluyen:

Bajas temperaturas Estados de concentración de estrés multiaxiales Tensiones residuales Agujeros y muescas Esquinas y rajaduras Altas tasas de estiramiento o deformación

Algunos de estos factores que propician la ruptura frágil pueden ser simulados al fabricar una probeta con muescas o aplicando la prueba a bajas temperaturas.

Algunos factores del material afectan el comportamiento de fractura al impacto como son:

Morfología del material Orientación de las cadenas poliméricas en la muestra Grado de cristalinidad Tamaño de las esferulitas

La orientación de las cadenas puede influenciar un mejor desempeño en pruebas de impacto en polímeros amorfos, sin embargo, en polímeros semicristalinos, una alta orientación puede resultar en una fractura más frágil.

Existe un gran número de materiales que a temperaturas altas o velocidades de deformación pequeñas se deforman plástica o visco-plásticamente, pero que a bajas temperaturas o velocidades de deformación elevadas muestran fractura frágil. Este comportamiento es exhibido por metales con estructura cristalina BCC, polímeros en estado vítreo, vidrios y sales iónicas.En el caso de los metales BCC, por ejemplo, se encuentra que el límite elástico aumenta rápidamente al disminuir la temperatura, lo cual coincide con una transición en la fractura de dúctil a frágil. Este comportamiento suele ser descrito de forma tradicional por medio de la variación de la energía absorbida en el ensayo de resiliencia (Fig. 5). Para temperaturas superiores a la temperatura de transición, TR, la rotura se produce fundamentalmente por coalescencia de cavidades y la energía absorbida es elevada. Por el contrario, a temperaturas

inferiores a TR, la fractura viene dada por un mecanismo frágil (descohesión transgranular, usualmente denominado clivaje, o bien fractura intergranular) y la energía absorbida es pequeña.

TEMPERATURA DE TRANSICION DE DUCTIL A FRAGIL (DBTT, inglés)

La temperatura de transición de dúctil a frágil es aquella a la cual el modo de fractura en un material cambia de dúctil a frágil. Se puede definir esta temperatura mediante la energía promedio entre las regiones dúctil y frágil, o a cierta energía especifica absorbida, o mediante la aparición de alguna fractura característica. Un material que se somete a un golpe de impacto en servicio debe tener una temperatura de transición menor que la de su entorno.

No todos los materiales tienen una temperatura de transición definida. Los metales BCC tienen temperaturas de transición, pero la mayoría de los metales FCC no la tienen. Estos metales tienen grandes energías absorbidas que decrecen en forma gradual y a veces incluso aumentan, a medida que la temperatura disminuye. Como se mencionó antes, puede ser que esta transición haya contribuido a la falla del Titanic.

La temperatura de transición de dúctil a frágil se relaciona estrechamente con la temperatura de transición vítrea en los polímeros y, para fines prácticos, se maneja de la misma manera. Como se mencionó antes, la menor temperatura de transición de los polímeros que se usaron en los sellos “O” del cohete de impulsión, así como otros factores, causaron el desastre del Challenger.

USO DE LAS PROPIEDADES DE IMPACTO

La energía absorbida y la temperatura de transición de dúctil a frágil son muy sensibles a las condiciones de carga. Por ejemplo, la mayor rapidez de aplicación de energía al espécimen reduce la energía absorbida y aumenta la temperatura de transición de dúctil a frágil. El tamaño del espécimen también afecta los resultados, porque es más difícil que un material grueso se deforme; por consiguiente, se necesitan energías menores para romper materiales gruesos. Por último, la configuración de la muesca afecta el comportamiento: una grieta superficial en punta y aguda permite menores energías absorbidas que una muesca en V. ya que con frecuencia no se pueden predecir o controlar todas esas condiciones, el ensayo de impacto es una forma rápida, cómoda y poco costosa de comparar diversos materiales.

Probetas

A) Muesca en “V”

B) Muesca en forma de ojo de cerradura

C) Sin muesca

Tenacidad: La tenacidad es la energía total que absorbe un material antes de alcanzar la rotura, por acumulación de dislocaciones.

Propiedades de los materiales que no deben ser confundidas con la tenacidad:

Frágil (fragilidad): Cualidad de un material de romperse, al ser sometido a un esfuerzo, sin apenas sufrir deformaciones. *Material que no permite la deformación plástica, siendo nula o casi nula.

Maleable (maleabilidad): Cualidad de un mineral relativa a la facilidad de conformarse en hojas delgadas por percusión.

Resiliente (resiliencia): Cualidad de un material para absorber energía de deformación por unidad de volumen.

Séctil (sectilidad): Cualidad de un mineral relativa a la facilidad para cortar en virutas delgadas con un cuchillo.

Dúctil (ductilidad): Cualidad de un mineral relativa a la facilidad de estirarlo en forma de hilos. *Aquel material que permite la deformación plástica.

Flexible (flexibilidad): Cualidad de un mineral relativa a la facilidad para ser doblado, pero sin recuperar su forma original una vez que termina la carga que lo deformaba.

Elástico (elasticidad): Cualidad de un mineral relativa a la facilidad para recobrar su forma primitiva al cesar la fuerza que lo ha deformado.

Bibliografía

- Askeland, D.R., La Ciencia y la ingeniería de los materiales, México, Grupo Editorial Iberoamérica, (1987).

- American Society for Testing and Materials, Annual Book of ASTM Standards, Metals Test Methods and Analytical Procedure, Philadelphia PA., USA, (2000).