Resistencia a la fatiga - Polímeros termoplásticos, elastómeros y aditivos

Un método convencional y el más antiguo para medir la resistencia de un material a la fatiga es el ensayo de viga giratoria de voladizo. Un extremo de un espécimen cilíndrico, maquinado, se monta en unas mordazas accionadas por un motor. Del extremo opuesto se cuelga una masa. Al principio, el espécimen manifiesta una fuerza de tensión que actúa sobre la superficie superior, mientras que la superficie inferior está a compresión. Después de que el espécimen gira 90°, los lugares que originalmente estaban en tensión y comprensión, no están sometido a esfuerzo alguno. Después de media vuelta, a los 180°, el material que originalmente estaba en tensión, ahora está en comprensión y viceversa. Así, el esfuerzo en cualquier punto pasa por un ciclo senoidal completo, desde el esfuerzo máximo de tensión hasta el esfuerzo máximo de compresión.  A diferencia de la prueba de fatiga fl exural, que utiliza el principio de deflexión constante (deformación), la prueba de fatiga por tracción se realiza en condiciones de carga constante (tensión). Aquí, la carga cíclica se aplica a un extremo de la muestra de prueba a través de una palanca calibrada en deflexión que es impulsada por una manivela de tiro variable. Se aplican cargas estáticas y dinámicas a los extremos opuestos de la muestra, lo que permite mantener una carga constante en la muestra independientemente del cambio dimensional causado por la fatiga de la muestra. Cuando se usa, la prueba se realiza a una velocidad de prueba muy baja para evitar fallas prematuras debido a la acumulación de calor. La prueba se realiza montando ambos extremos de la muestra con mancuernas en la máquina de prueba. La muestra se gira entre dos husillos y se aplica tensión en forma de tensión y compresión. La muestra se somete al número de ciclos de tensión especificados o hasta que se produce la fractura.

La carga dinámica de cualquier material que produzca fallas después de un cierto número de ciclos se denomina fatiga o fatiga dinámica. La fatiga dinámica es de extrema importancia ya que una carga cíclica o fluctuante hará que un componente falle a esfuerzos mucho más bajos que bajo cargas monótonas. Los resultados de las pruebas de fatiga se representan como amplitud de tensión frente al número de ciclos hasta la falla. Estos gráficos generalmente se denominan curvas S-N, un término heredado de las pruebas de fatiga del metal. Debemos señalar aquí, que la mayoría de los datos de fatiga presentados en la literatura y en las hojas de datos de los proveedores de resina no presentan la frecuencia, la geometría de la muestra o las condiciones ambientales en las que se realizaron las pruebas. Por lo tanto, estos datos no son adecuados para su uso en diseño. Los datos que presentamos en esta sección solo están destinados a ilustrar los diversos problemas que surgen al medir la vida útil a la fatiga de un polímero. La información también debe servir para reflejar tendencias y como comparación entre varios materiales y condiciones. La fatiga en los plásticos depende en gran medida del entorno, la temperatura, la frecuencia de carga, la superficie, etc. Por ejemplo, debido a las irregularidades de la superficie y los rayones, la iniciación de grietas en la superficie es más probable en un componente de polímero que ha sido mecanizado que en uno. que fue moldeado por inyección. Un artículo moldeado por inyección está formado por varias capas de diferente orientación. En tales partes, las capas externas actúan como una piel protectora que inhibe la iniciación de grietas. En un artículo moldeado por inyección, es más probable que se inicien grietas dentro del componente por defectos como líneas de soldadura y partículas de relleno. La región de la puerta también es un iniciador principal de las fisuras por fatiga. Los ambientes corrosivos también aceleran la iniciación de grietas y fallas por fatiga. Los ambientes corrosivos y la intemperie se discutirán con más detalle más adelante en este capítulo. Los polímeros termoendurecibles muestran una mayor resistencia a la fatiga que los termoplásticos. Una causa obvia de esto es su mayor rigidez. Sin embargo, es más importante la menor fricción o amortiguación interna, que reduce el aumento de temperatura durante la prueba. El aumento de temperatura durante la prueba es uno de los principales factores que conducen a fallas cuando se prueban de manera experimental polímeros termoplásticos bajo cargas cíclicas. La generación de calor durante la prueba es causada por la combinación de calentamiento interno por fricción o histéresis y baja conductividad térmica. A baja frecuencia y bajo nivel de estrés, la temperatura dentro de la muestra de polímero aumentará y finalmente alcanzará el equilibrio térmico cuando el calor generado por el calentamiento histerético es igual al calor eliminado de la muestra por conducción. A medida que aumenta la frecuencia, el calor viscoso se genera más rápidamente, lo que hace que la temperatura aumente aún más.  Una vez que se ha alcanzado el equilibrio térmico, una muestra finalmente falla por fatiga frágil convencional, asumiendo que la tensión está por encima del límite de resistencia. Sin embargo, si la frecuencia o el nivel de tensión aumentan aún más, la temperatura aumentará hasta el punto en que la muestra de prueba se ablande y se rompa antes de alcanzar el equilibrio térmico. Este modo de falla generalmente se conoce como fatiga térmica.  Los puntos marcados con T denotan aquellas probetas que fallaron debido a la fatiga térmica. Los otros puntos representan las probetas que fallaron por fatiga mecánica convencional. Una mejor imagen de cómo la frecuencia juega un papel importante en las pruebas de fatiga de los materiales poliméricos se genera al graficar resultado. El aumento de temperatura en el componente depende de la geometría y el tamaño de la muestra de prueba. Por ejemplo, las muestras más gruesas se enfriarán más lentamente y es menos probable que alcancen el equilibrio térmico. De manera similar, el material alrededor de un concentrador de tensiones estará sujeto a tensiones más altas, lo que dará como resultado temperaturas más altas que el resto de la muestra, lo que provocará la iniciación de grietas causadas por fatiga térmica localizada. Para descuidar el efecto de la fatiga térmica, los ensayos cíclicos con polímeros deben realizarse a frecuencias muy bajas que los hacen mucho más prolongados que los que se realizan con metales y otros materiales de alta conductividad térmica. Es importante comprender que, aunque la mayoría de las curvas de datos de fatiga indican la temperatura de prueba, los puntos de datos resultantes tienen todos su temperatura correspondiente en el momento de la falla.