Ensayos de impacto
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Pruebas de impacto
Las propiedades de impacto de los materiales poliméricos están directamente relacionadas con la tenacidad general del material. La tenacidad se define como la capacidad del polímero para absorber la energía aplicada. El área bajo la curva tensión-deformación es directamente proporcional a la tenacidad de un material. La energía de impacto es una medida de dureza. Cuanto mayor sea la energía de impacto de un material, mayor será la tenacidad y viceversa. La resistencia al impacto es la capacidad de un material para resistir la rotura bajo una carga de choque o la capacidad de resistir la fractura bajo tensión aplicada a alta velocidad. La teoría detrás de la tenacidad y la fragilidad de los polímeros es muy compleja y, por lo tanto, difícil de entender. La fl exibilidad molecular juega un papel importante en la determinación de la fragilidad o tenacidad relativa del material. Por ejemplo, en polímeros rígidos como poliestireno y acrílicos, los segmentos moleculares son incapaces de desenredarse y responder a la rápida aplicación de tensión mecánica y el impacto produce una rotura frágil. Por el contrario, los polímeros fl exibles como los vinilos plastificados tienen un comportamiento de alto impacto debido a la capacidad de los grandes segmentos de moléculas para desenredarse y responder rápidamente a la tensión mecánica. Las propiedades de impacto de los polímeros a menudo se modifican simplemente agregando un modificador de impacto como caucho de butadieno o ciertos polímeros acrílicos. La adición de un plastificante también mejora el comportamiento de impacto a costa de la rigidez. Un material como el nailon, que tiene una energía de impacto relativamente justa, se puede orientar alineando las cadenas de polímero para mejorar sustancialmente la energía de impacto. Otra forma de mejorar la energía del impacto es utilizar rellenos fibrosos que parecen actuar como agentes de transferencia de estrés. La mayoría de los polímeros, cuando se someten a la carga de impacto, parecen fracturarse de una manera característica. La grieta se inicia en una superficie de polímero debido a la carga de impacto. La energía para iniciar tal fisura se denomina energía de inicio de fisura. Si la carga excede la energía de iniciación de la grieta, la grieta continúa propagándose. Una falla completa ocurre cuando la carga ha excedido la energía de propagación de grietas. Por tanto, tanto la iniciación como la propagación de fisuras contribuyen a la energía de impacto medida. Básicamente, se encuentran cuatro tipos de fallas debido a la carga de impacto.
Prueba de impacto izod
La prueba es un tipo de ensayo destructivo dinámico
de resistencia al choque, se lleva a cabo para averiguar la tenacidad de un
material, ya que al realizar el golpe obtenemos su resiliencia, que es la energía de
deformación que puede ser recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa el
esfuerzo que causa la deformación. La cual es realizada con un péndulo, que
indica la energía para romper probetas estándar, con muescas en ella, siendo
rotas por un péndulo de velocidad a impacto.
Prueba realizada bajo la norma
ASTM D256A
Los resultados del método se informan en términos de energía absorbida por
unidad de anchura o por unidad de área de sección transversal debajo de la
muesca (Ib ft/in). La muesca produce una concentración de tensión que aumenta
la probabilidad de ser quebradizo, para concentrar el estrés, reducir al mínimo la
deformación plástica, y dirigir la fractura a la parte de la muestra de detrás de la
muesca. La longitud efectiva del péndulo deberá ser de entre 0,33 y 0,40 m [12.8 y
16.0 in] de manera que la elevación necesaria se puede obtener por el aumento
del péndulo a un ángulo entre 60° y 30° sobre la horizontal.
Fractura por fragilidad
En este tipo de falla, la pieza se fractura extensamente sin ceder. Se observa una falla mecánica catastrófica como la del poliestireno de uso general. Ligero agrietamiento. La pieza muestra evidencia de leve agrietamiento y deformación sin perder su forma o integridad. Flexible. De hecho, la pieza cede mostrando una deformación obvia y un blanqueamiento por tensión, pero no se produce agrietamiento. Este tipo de falla se caracteriza por una deformación definida del material junto con el agrietamiento. El policarbonato se considera un material dúctil. La distinción entre los cuatro tipos de fallas no es muy clara y es muy posible que se solapen. El comportamiento de impacto es una de las propiedades mecánicas más ampliamente especificadas de los materiales poliméricos. Sin embargo, también es una de las propiedades menos comprendidas. La predicción de la resistencia al impacto de los plásticos sigue siendo una de las áreas más problemáticas del diseño de productos. Uno de los problemas con algunas pruebas de impacto anteriores de Izod y Charpy fue que las pruebas fueron adoptadas por la industria del plástico de los metalúrgicos. Los principios de los mecanismos de impacto aplicados a los metales no parecen funcionar satisfactoriamente con los plásticos debido a su compleja estructura. Es bien sabido que los componentes plásticos a menudo son más propensos a fallar bajo impacto que bajo carga constante o aplicada lentamente. Esta tendencia se ve favorecida por las bajas temperaturas y la presencia de una muesca aguda, y es de particular preocupación para los termoplásticos cristalinos duros no reforzados, en los que un golpe repentino puede precipitar una fractura frágil más típica de un polímero vítreo como el PMMA. Las pruebas de impacto (generalmente Charpy o Izod; consulte Impacto y propagación rápida de grietas) se utilizan ampliamente para dichos materiales, y los datos de 'resistencia al impacto' se citan ampliamente en las especificaciones de los materiales. Esto se debe en parte a que dichos materiales se seleccionan a menudo para componentes como barras de parachoques o contenedores moldeados por soplado, que probablemente sufrirán impactos. Sin embargo, la popularidad de los datos de resistencia al impacto se debe más a la facilidad y velocidad con la que se pueden realizar las pruebas, y a la creencia generalizada (e incorrecta) de que el rendimiento al impacto caracteriza de alguna manera la susceptibilidad general de un polímero al comportamiento frágil. De hecho, es importante tratar los datos de fuerza de impacto con cautela incluso para su propósito principal.
Absorción de energía en el impacto
Ya sea que se mida con métodos Charpy, Izod o de impacto por tracción, la resistencia al impacto es principalmente un índice de resistencia a la fractura. El foco de atención es la transición en el comportamiento de 'duro' (donde el gasto de energía requerido para crear una superficie de fractura es grande) a 'frágil' (donde es pequeña), ver Transición dúctil-frágil. Dado que los primeros métodos de prueba de impacto no podían registrar una traza de carga / tiempo, fueron diseñados para estimar la energía total absorbida por la muestra durante una prueba, y se hizo común expresar la 'fuerza' como la relación entre la energía absorbida y la área de la superficie de la fractura. Esta definición de resistencia al impacto hace que sea muy difícil distinguir un material en el que la fractura se inicia con una carga alta pero se propaga con poca más absorción de energía, de uno en el que la fractura se inicia con una carga baja pero posteriormente requiere más energía impulsora. Dado que la ponderación entre los efectos de iniciación y propagación difiere de una geometría a otra, también lo hacen los resultados de la resistencia al impacto. Además, la energía absorbida por la superficie de fractura en un polímero puede ser realmente muy pequeña y puede perderse fácilmente entre otras pérdidas de energía dentro del sistema. Aunque se especifica la velocidad de impacto inicial (generalmente 2-5 m/s), la tasa de desplazamiento cambia de manera incontrolada durante la prueba y con ella cambia la energía cinética. Las diferencias en el tamaño y la geometría de la muestra también significan que una velocidad de impacto determinada puede producir una amplia gama de tasas de deformación o tasas de carga de muescas. El efecto general de estas y muchas otras incertidumbres es que los materiales se clasifican de manera diferente según los diferentes métodos de prueba, así como bajo diferentes factores externos.
Técnicas de impacto
Las técnicas de impacto utilizadas para evaluar el comportamiento al impacto de los materiales plásticos han desarrollado -paralelamente al diseño de nuevos equipos desde las conocidas técnicas clásicas hasta las técnicas recientes que utilizan equipos instrumentados, así como la teoría de la mecánica de la fractura. Entre éstas se tienen: las técnicas de ensayos analógicos de impacto, técnicas de impacto de baja y de alta energía, etc. Las técnicas de ensayos analógicos de impacto, al no ser instrumentados, sólo permiten medir la energía consumida por el impactor, que golpea el objeto, durante el evento de impacto. Es decir, la resistencia al impacto del objeto se evalúa en términos energéticos. Los datos recogidos en los ensayos analógicos de impacto son una pequeña ayuda para anticiparnos al comportamiento práctico de los objetos o artículos de plástico. En las técnicas de impacto de baja energía, la energía disponible en el impactor es -por lo general- menor que la absorbida en el proceso de rotura, posibilitando el análisis de los procesos de iniciación y propagación de grietas, así como la respuesta elástica de los materiales. Con las técnicas de impacto de alta energía, que generalmente se realizan a elevadas velocidades, se pretende minimizar las pérdidas viscoelásticas y la deformación en algunos materiales en los que se precisa estudiar su comportamiento a rotura. En los casos en los cuales no es posible alcanzar velocidades muy elevadas para una altura de un determinado equipo, por medio de la sola aceleración gravitacional, se han diseñado los “equipos de masa guiada” que aceleran el impactor por medio de sistemas mecánicos, neumáticos o hidráulicos. De esta manera, es posible el estudio de la fractura de materiales difíciles de romper.
Factores que afectan la resistencia al impacto
Los principales factores que afectan la resistencia al impacto son la temperatura, el espesor y el radio de la muesca. Considerando que la temperatura es un parámetro "extenso" genuino para el espesor del material y el radio de la muesca son características geométricas de la prueba. Sin embargo, la fuerza del impacto es un concepto demasiado burdo para permitir este tipo de distinción. Siendo fija la velocidad de impacto, el radio de la raíz de la muesca se convierte en el factor determinante de la tasa de deformación en la raíz de la muesca. La velocidad de deformación (así como la restricción, que depende del espesor) afectará fuertemente el límite elástico y, por lo tanto, la capacidad del material para desafilar la grieta durante la carga. Reducir el radio de la punta de la muesca y aumentar el grosor favorece la fractura frágil y tiende a reducir la resistencia al impacto. El efecto del aumento de la temperatura sobre la resistencia al impacto es a menudo decisivo. Una vez más, esto probablemente se deba en parte a la fuerte reducción del límite elástico y en parte a la reducción del módulo de tracción, que, para una velocidad de impacto determinada, reduce la tasa de carga. Los termoplásticos suelen mostrar una meseta independiente de la temperatura en la resistencia al impacto a bajas temperaturas (correspondiente a la fractura frágil) con un fuerte aumento a una temperatura que marca la transición a un comportamiento duro. Cuanto más afilada sea la muesca, menor será la resistencia de la meseta y mayor será la temperatura necesaria para inducir una transición quebradiza y dura (ver dúctil-frágil). Sin embargo, la sensibilidad a la muesca de los polímeros varía enormemente: los polímeros cristalinos resistentes, como los termoplásticos de ingeniería, generalmente tienen más que perder, aunque el endurecimiento del caucho o el refuerzo de fibras cortas aportan mejoras significativas.
Tasa de carga
La velocidad a la que la muestra o pieza se golpea con un objeto tiene un efecto significativo en el comportamiento del polímero bajo la carga de impacto. A bajas tasas de impacto, los materiales relativamente rígidos aún pueden tener una buena resistencia al impacto. Sin embargo, a altas tasas de impacto, incluso los materiales gomosos pueden presentar fallas por fragilidad. Todos los materiales parecen tener una velocidad crítica por encima de la cual se comportan como materiales vidriosos y quebradizos. Digamos que estamos obligados a diseñar un casco de fútbol. Es obvio que no podemos usar los resultados de la prueba de impacto Izod directamente para seleccionar nuestro material. La velocidad a la que se realiza la prueba de impacto Izod es aproximadamente 10 veces menor que la encontrada en el uso final. Se debe utilizar una prueba de impacto de caída más realista a una velocidad más cercana a la condición de uso real.
Sensibilidad de la muesca
Una muesca en una muestra de prueba o una esquina afilada en una pieza fabricada reduce drásticamente la energía del impacto. Una muesca crea una concentración de tensión localizada y, por lo tanto, la falla de la pieza bajo carga de impacto. Todos los plásticos son sensibles a las muescas. La tasa de sensibilidad varía según el tipo de plástico. Tanto la profundidad de la entalladura como el radio de la entalladura tienen un efecto sobre el comportamiento de impacto de los materiales. Por ejemplo, un radio de curvatura más grande en la base de la muesca tendrá una concentración de tensión más baja y, por lo tanto, una energía de impacto más alta del material base. Por lo tanto, es obvio de la discusión anterior que al diseñar una pieza de plástico, se deben evitar muescas, esquinas afiladas y otros factores que actúan como concentradores de tensión.
Temperatura
El comportamiento de impacto de los materiales plásticos depende en gran medida de la temperatura. A temperaturas más bajas, la resistencia al impacto se reduce drásticamente. La reducción del impacto es aún más espectacular cerca de la temperatura de transición vítrea. Por el contrario, a temperaturas de prueba más altas, la energía de impacto mejora significativamente.
Orientación
La manera en que las moléculas de polímero se orientan en una parte tendrá un efecto importante sobre el comportamiento de impacto del polímero. La orientación molecular introducida en películas y fibras estiradas puede proporcionar resistencia y tenacidad adicionales sobre el material isotrópico. Sin embargo, tal orientación direccional de las moléculas de polímero puede ser muy fatal en una pieza moldeada, ya que las tensiones de impacto suelen ser multiaxiales. La resistencia al impacto es siempre mayor en la dirección del flujo.
Condiciones y tipos de procesamiento
Las condiciones de procesamiento juegan un papel clave en la determinación del comportamiento de impacto de un material. Las condiciones de procesamiento inadecuadas pueden hacer que el material pierda su tenacidad inherente. Los huecos que actúan como concentradores de tensión se crean por malas condiciones de procesamiento. Las altas temperaturas de procesamiento también pueden causar degradación térmica y, por lo tanto, un comportamiento de impacto reducido. Las condiciones de procesamiento inadecuadas también crean una línea de soldadura débil que casi siempre reduce la energía de impacto general. La muestra moldeada por compresión generalmente muestra una menor resistencia al impacto que las muestras moldeadas por inyección.
Grado de cristalinidad, peso molecular
Aumentar el porcentaje de cristalinidad disminuye la resistencia al impacto y aumenta la probabilidad de rotura por fragilidad. Una reducción del peso molecular medio tiende a reducir el comportamiento de impacto y viceversa.
Método de carga
La manera en que se golpea la pieza con el dispositivo de carga de impacto afecta significativamente los resultados del impacto. Una carga de impacto de tipo péndulo producirá un resultado diferente al producido por la caída de peso o la carga de impacto de bola a alta velocidad.
Sujeción de la muestra
Una fuerza de sujeción excesiva puede pretensar la muestra, especialmente detrás de la muesca.
Tenacidad a la fractura por impacto
La sensibilidad de la resistencia al impacto a la nitidez de las muescas es uno de los argumentos más sólidos para utilizar un enfoque de mecánica de fractura elástica lineal (LEFM). Aunque el uso de un percutor instrumentado es una ventaja (ver Pruebas de impacto de caída de peso), se pueden usar configuraciones de Charpy e Izod, pero la muesca inicial se reemplaza por una grieta que se hace para que sea lo más afilada posible. La verdadera diferencia radica en el procesamiento de resultados. En esencia, la resistencia al impacto se multiplica por un factor que depende solo de la geometría y la longitud de la fisura para producir una resistencia a la fractura por impacto Gc (y, por lo tanto, una resistencia a la fractura por impacto kJ). Cada material debe mostrar el mismo Gc o Kc en cualquier geometría, lo que permite el uso de datos de impacto en los cálculos de diseño. Nunca ha sido posible utilizar datos de resistencia al impacto de esta manera. Sin embargo, en la práctica, los resultados recientes para polímeros tenaces vuelven a enfatizar la fuerte dependencia de la tenacidad a la fractura por impacto con la velocidad del impacto. (¡los datos podrían medirse estáticamente!), pero también reintroduce la dependencia de la geometría, ya que diferentes velocidades de impacto se traducen en diferentes tasas de carga de fisura 'efectivas' en diferentes geometrías. En resumen, aunque se ha avanzado en la identificación propiedades del material que caracterizan la resistencia al impacto, su uso en el diseño permanece sin desarrollar. Los datos convencionales de resistencia al impacto siguen siendo útiles para comparar grados o variantes s de un solo polímero especificado, pero diferentes polímeros solo se pueden comparar adecuadamente explorando un rango más amplio de temperatura, radio de muesca o espesor de la muestra.
Algunos plásticos que muestran una excelente ductilidad bajo cargas aplicadas lentamente pueden fallar de manera frágil bajo el impacto. Esta tendencia se ve reforzada por las bajas temperaturas y por la presencia de una muesca aguda, y es de particular interés para los termoplásticos cristalinos resistentes que se han ganado el mayor respeto como materiales de ingeniería. Por esta y otras razones (incluida su velocidad y facilidad de uso), las pruebas de impacto reciben un estado comparable a las pruebas de tracción en los datos de especificación para plásticos. Desafortunadamente, existe una brecha entre la información que se espera que brinden las pruebas de impacto y la que realmente brindan. Las pruebas de impacto de caída de peso simulan de manera realista los eventos de impacto del servicio, pero no proporcionan datos independientes de la geometría. Las pruebas Charpy e Izod, ampliamente utilizadas, afirman proporcionar una medida de "resistencia", pero es una geometría específica y no se puede utilizar para el diseño. Las versiones de mecánica de fracturas de estas pruebas proporcionan resultados que son más consistentes, pero aún parecen depender de la prueba. Finalmente, las pruebas de propagación rápida de grietas miden la resistencia del material al proceso de rotura rápida que a menudo sigue al inicio de la grieta por impacto, pero puede ser demasiado conservador como medida de resistencia al impacto.