Crazing
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Crazing
Agrietamiento en plásticos Cuando se aplica una tensión de tracción a un plástico amorfo (vítreo), como el poliestireno, se pueden observar grietas antes de la fractura. Las locuras son como grietas en el sentido de que tienen forma de cuña y se forman perpendiculares a la tensión aplicada. Sin embargo, pueden diferenciarse de las grietas por el hecho de que contienen material polimérico que se estira de una manera muy orientada perpendicular al plano de la fisura, es decir, paralelo a la dirección de la tensión aplicada. Otra característica distintiva importante es que, a diferencia de las grietas, pueden soportar tensiones. Bajo carga estática, la deformación a la que comienzan a formarse las fisuras, disminuye a medida que disminuye la tensión aplicada. En las pruebas de velocidad de deformación constante, las fisuras siempre comienzan a formarse a un nivel de tensión bien definido. Por supuesto, como ocurre con todos los aspectos del comportamiento de los plásticos, otros factores, como la temperatura, influirán en los niveles de tensión y deformación implicados. Incluso una tensión relativamente baja puede inducir grietas después de un período de tiempo, aunque en algunos plásticos vítreos existe un límite de tensión inferior por debajo del cual nunca se producirán grietas. Este es claramente un énfasis importante para las consideraciones de diseño. Sin embargo, la presencia de ciertos líquidos (disolventes orgánicos) puede iniciar el agrietamiento en tensiones muy por debajo de este límite de tensión inferior. Este fenómeno de agrietamiento por solvente ha sido la causa de muchos fallos de servicio porque normalmente es imposible prever todos los entornos en los que se utilizará un artículo de plástico. Hay pruebas considerables que demuestran que existe una estrecha relación entre el agrietamiento y la formación de grietas en los plásticos amorfos. A ciertos niveles de tensión, se formarán fisuras y los estudios han demostrado que las fisuras pueden nuclearse en las fisuras y luego propagarse a través de la materia preformada de las fisuras. En el poliestireno, se sabe que se forman grietas a tensiones relativamente bajas y esto tiene un efecto significativo sobre los mecanismos de crecimiento de grietas en el material. En particular, durante la prueba de tenacidad a la fractura, a menos que se tenga mucho cuidado, el material puede parecer tener una tenacidad mayor que el acrílico al que se sabe que es inferior en la práctica. La razón es que el poliestireno puede formar fácilmente haces de fisuras en la punta de la grieta y estas tienden a embotar la grieta. Si se ha mecanizado un artículo de plástico, es probable que se formen grietas en la superficie. En los componentes moldeados, la nucleación interna es común debido a la presencia de tensiones residuales localizadas.
Grietas
La falla en la tensión de todos los polímeros termoplásticos implica la formación de una grieta (de inglés "Craze") a través de la cual luego crece una grieta. Las grietas son más evidentes en polímeros vítreos (es decir, polímeros amorfos por debajo de su temperatura de transición vítrea). Son una etapa intermedia entre la fluencia y la fractura. Las grietas se pueden observar visualmente como un blanqueamiento del polímero que se produce bajo tensión. Este blanqueamiento es causado por múltiples reflejos de luz de las interfaces polímero/vacío en las fisuras. El agrietamiento es la primera etapa de fractura en polímeros vítreos. El craze ha sido identificada por regiones de materia porosa, plásticamente deshuesada. Es posible considerar las grietas como microgrietas unidas por fibrillas y su defonación se acompaña de un aumento en el volumen de la muestra. Bajo una tensión suficientemente alta, la estructura fibrilar de la craze se rompe y se forma una verdadera grieta. El diseño de piezas de plástico requiere evitar fallas sin un diseño excesivo de la pieza, lo que conduce a un mayor peso de la pieza. El tipo de falla puede depender de temperaturas, tasas y materiales. Se puede obtener cierta información sobre la resistencia del material a partir de un comportamiento simple de tensión-deformación. Se puede considerar que los materiales que fallan a alargamientos bastante bajos (tensión del 1% o menos) han sufrido una falla frágil. La falla generalmente comienza en un defecto donde se concentran las tensiones. Cuando se estira el poliestireno o el policarbonato, a veces es visible una línea , perpendicular a la fuerza aplicada. En algunos casos, pueden ir acompañados de blanqueamiento. La formación de grieta y el agrietamiento pueden ser inducidos por el estrés o el estrés combinado y la acción del solvente. Para los polímeros generales muestran problemas de formación de grieta y agrietamiento. Parecen ser una red fina y microscópica de grietas que generalmente avanzan en una dirección en angulos rectos a la máxima tensión principal. La supresión de la producción de estrés se ha observado para algunos polímeros por imposición de alta presión.Agrietamiento
La fractura frágil suele estar precedida por agrietamiento, es decir, una grieta corrida está precedida por una zona de material agrietado. Al igual que las grietas, las grietas en los materiales isotrópicos crecen en ángulo recto con el esfuerzo de tracción principal y solo se propagan si el esfuerzo en su punta excede un cierto valor. La locura puede describirse como una "espuma de celda abierta" con huecos del orden de 10 a 20 nm de diámetro y distancias de centro a centro de 50 a 100 nm. Las grietas generalmente se forman bajo tensión de tracción cuando se supera una deformación crítica; no ocurren bajo tensión compresiva; la aplicación de presión hidrostática durante la deformación por tracción puede incluso inhibir su desarrollo. Las locuras siempre se nucleaban preferentemente en puntos de concentración de tensión triaxial. Es la tensión de dilatación la que inicia las locuras y grietas. Se considera que la formación de grietas es un modo de deformación plástica peculiar de los polímeros vítreos (o de las regiones vítreas del polímero) que compite con la ductilidad de cizallamiento para reducir la tensión. La resistencia de las muestras que están completamente agrietadas a través de sus secciones transversales es una manifestación del grado de integridad mecánica residual del polímero en la manía. La formación de grietas parece ser una deformación plástica en la dirección del esfuerzo de tracción sin contracción lateral. A este respecto, es interesante el comportamiento del caucho natural vulcanizado, preorientado por encima de la Tg y templado rápidamente. A temperaturas inmediatamente por debajo de Tg, se puede observar un estrechamiento. A temperaturas ligeramente más bajas, el material se vuelve quebradizo. Pero a medida que la temperatura se reduce aún más, se encuentra una nueva región de ductilidad, la deformación plástica ahora tiene lugar por cavitaciones, comenzando como grietas estrechas pero desarrollándose por el crecimiento lateral de la locura para dar un vacío homogéneo en un gran volumen.
Polímeros vítreos
Las grietas se observan con mayor frecuencia en polímeros vítreos, pero también ocurren en polímeros semicristalinos, aunque, dado que estos materiales se utilizan a menudo por encima de su temperatura de transición vítrea, la agrietamiento es menos distintiva porque la deformación plástica macroscópica es el modo de deformación predominante. En los polímeros semicristalinos, las fisuras tienden a ser más gruesas y cortas que en los polímeros vítreos, pero esencialmente tienen la misma estructura de huecos y fibrillas orientadas y atraviesan las regiones cristalinas y amorfas del material. El espesor y la longitud del agrietamiento aumentan en función del tiempo de carga y este proceso eventualmente conduce a la fractura. En general, el crecimiento se produce en la dirección normal al esfuerzo principal máximo.
Formación de grietas
Las grietas solo se forman cuando el polímero está en tensión, el cizallamiento se produce en compresión. Las grietas se forman perpendiculares a la tensión aplicada y consisten en regiones de polímero en las que una grieta incipiente está cubierta por material altamente orientado en una dirección perpendicular a la dirección de la grieta. Las grietas ocurren tanto en la superficie como en el interior de un polímero y su aparición está fuertemente relacionada con la combinación de la presencia de defectos y el estado de tensión. La iniciación de fisuras es un proceso estadístico que puede describirse mediante una distribución de Weibull de la misma manera que la formación de fisuras en materiales cerámicos. Los efectos ambientales tienen una fuerte influencia en la formación y el crecimiento de grietas superficiales y la presencia de líquidos orgánicos generalmente acelerará en gran medida la formación de grietas. Las grietas generalmente tienen un espesor (paralelo a la dirección de la tensión de tracción) de unas pocas décimas de μm a unas pocas μm y longitudes que pueden variar desde decenas de μm a muchos mm. Su tercera dimensión también puede variar desde micrones hasta decenas de mm. Las grietas superficiales a menudo adquieren la apariencia de una serie de grietas superficiales paralelas y se forman como resultado del ataque ambiental en combinación con las tensiones residuales causadas por el proceso de moldeo. Dado que las fisuras consisten en fibrillas que unen una grieta incipiente, contienen una gran fracción de huecos, porcentajes de hasta el 80% son posibles pero del orden del 50 al 60% más comunes. Excepto en la punta de la locura, los huecos están interconectados y esto proporciona una vía para que las moléculas pequeñas se difundan a la punta de la locura y promuevan un mayor crecimiento de la grieta. Las fibrillas de agrietamiento generalmente tienen diámetros en el rango de 5 a 50 nm.
Las grietas se estabilizan y pueden soportar una carga porque las fibrillas que unen la zona de las grietas pueden soportar una tensión de manera similar y con un módulo similar a las fibras de polímero. Sin embargo, las fibrillas se deslizarán bajo carga y para que una locura sea estable debe haber enredos de cadena. El número posible de entrelazamientos dependerá de la longitud de la cadena y, por tanto, del peso molecular (consulte Distribución de peso molecular y efectos mecánicos). Si el peso molecular entre los entrelazamientos ME es mayor que aproximadamente el doble de Mn (el peso molecular promedio en número), no se produce agrietamiento. Si el Mn es mayor que aproximadamente el doble de ME, se produce un agrietamiento sin que el peso molecular dependa de la formación del agrietamiento. ME puede estimarse a partir del módulo gomoso de alta temperatura.
Líneas
Las "líneas" cuando se examinan bajo un gran número de huecos muy pequeños, ocupan hasta el 50% del volumen afectado. Los vacíos dispersan la luz. Crazing (agrietamiento) es la formación de zonas que contienen pequeños huecos, a menudo reunidos en una serie de bandas, dando la apariencia a simple vista de una serie de líneas paralelas débiles. Figura 1
Las moléculas poliméricas largas forman haces o fibrillas orientadas que se extienden sobre la región enloquecida, mientras que a altas tensiones de tracción, una o dos de las fibrillas pueden romperse, comenzando a agrietarse. El craze se convertirá en "grieta", pero la resistencia al impacto aumenta. Cualquier orientación preexistente de las moléculas de polímero afectará la tendencia al craze, ya que la dirección de una tensión aplicada puede ser paralela a la orientación predominante (inhibir el agrietamiento) o normal (fomentando el agrietamiento). Los crazes aumentan el volumen de la parte afectada, sin cambiar la sección transversal. Esto distingue el agrietamiento del cizallamiento (shear), donde ocurre lo contrario. La resistencia a la fatiga generalmente aumenta con la dureza, mientras que la aparición de grietas (o delirios) aumenta el peligro de una fractura por fatiga. Un efecto secundario que puede aparecer durante una prueba cíclica es el calentamiento del material (como se manifiesta por la histéresis en la curva de tensión-deformación cíclica), lo que finalmente causa una falla prematura.
Una vez que se forma una grieta, crecerá como resultado de las concentraciones de tensión en la punta de la grieta. Muchos polímeros amorfos también exhibirán lo que se llaman crazes. Las La formación de grieta parecen agrietamiento , pero soportan la carga, con fibrillas de material que unen las dos superficies. El agrietamiento es una forma de ceder que, cuando está presente, puede mejorar la tenacidad de un material. La falla dúctil de los polímeros se exhibe al ceder el polímero o el deslizamiento de las cadenas moleculares entre sí. Esto se indica con mayor frecuencia mediante un máximo en la prueba de tensión-deformación por tracción o lo que se denomina el límite elástico. Por encima de este punto, el material puede exhibir una contracción lateral tras una extensión adicional, denominado cuello. Las moléculas en la región del cuello se orientan y resultan en una mayor rigidez local. De este modo, el material en las regiones adyacentes al cuello se deforma preferentemente y la región del cuello se propaga. Este proceso se conoce como dibujo en frío. El estirado en frío da como resultado alargamientos de varios cientos por ciento. Bajo una carga cíclica repetida, un material puede fallar con tensiones muy por debajo de la tensión de falla de ciclo único que se encuentra en una prueba de tracción típica. Este proceso se llama fatiga y generalmente se representa trazando la tensión máxima frente al número de ciclos hasta el fracaso. Las pruebas de fatiga se pueden realizar bajo una variedad de condiciones de carga según lo especificado por los requisitos del servicio. Los efectos térmicos y la presencia o ausencia de grietas son otras variables a considerar cuando se evalúa la vida de fatiga de un material.Tensión
El agrietamiento por corrosión por tensión (SCC) en los termoplásticos de ingeniería se observa comúnmente en forma de una colonia de microcrack dentro de una capa superficial de polímero degradado expuesto a una acción combinada de tensiones mecánicas y un entorno químicamente agresivo. El agrietamiento por tensión se ve afectado por el tiempo, la carga y la temperatura. Debe definir la vida útil esperada para el producto y reconocer las fuerzas que ocurren. Los picos ocasionales en la carga o la temperatura no son peligrosos: constante, a largo plazo La exposición química también activa fácilmente el efecto.
Estrés y tornillos
El estrés interno también puede romper el componente. Los tornillos, las inserciones de metal y los broches de presión mal diseñados son todas características que generalmente fallan en el agrietamiento por tensión. Causas de estrés interno y agrietamiento.
Soluciones acuosas
Las soluciones acuosas de materiales tensio activos, como los detergentes, pueden producir grietas frágiles, particularmente en materiales estresados. El término agrietamiento por estrés ambiental (ESC) se introdujo para describir tales situaciones. La ESC ahora se aplica más ampliamente para describir la promoción de fallas lentas y frágiles en materiales estresados por sustancias orgánicas. La sujeción de materiales poliméricos a líquidos orgánicos y gases también puede promover la formación de redes de pequeños vacíos (locuras), particularmente en polímeros amorfos donde los vacíos pueden estar vacíos u ocupados por moléculas más pequeñas, que se eliminan fácilmente. Estos vacíos son sitios de oportunidad para que los materiales orgánicos se exploten aún más. Tanto en el ESC como en el ataque al medio ambiente, el ataque químico directo sobre la cadena del polímero es menor o no está involucrado. Parece que el líquido orgánico y otra sustancia promotora se absorbe o se disuelve localmente en los defectos para ayudar a una falla adicional, posiblemente mediante la plastificación del material estresado o la modificación de la energía de la superficie. Diferencia en las propiedades ópticas
Los tres mecanismos dan como resultado una diferencia en las propiedades ópticas de los materiales poliméricos debido a la reorientación preferencial, con la realineación de las cadenas de polímeros que resulta en un cambio en las propiedades ópticas, como el índice de refracción, que permite la detección a través de varios métodos ópticos, incluyendo examen visual y microscopía , y espectroscopia infrarroja de películas. Por lo tanto, los sitios enloquecidos y agrietados de materiales ópticamente transparentes parecen opacos, mientras que los sitios de cizallamiento pueden parecer "ondulados" cuando se ven correctamente a simple vista y se emplea luz incluso parcialmente refractada.
Materiales más sensibles
El fenómeno de ESC es típico del polietileno. Es una combinación de carga en presencia de un medio activo (principalmente líquidos polares como alcohol o soluciones acuosas de detergentes) que no sirve como solvente. Bajo la influencia del líquido polar, la energía de la superficie cae y la muestra se puede agrietar durante una prueba de ESC, lo que lleva a una fractura bajo un esfuerzo inferior a la resistencia a la rotura. En estas condiciones, la fractura se vuelve frágil. Un fenómeno similar (pero diferente en mecanismo) es la "agrietamiento" de los polímeros vítreos (como el poliestireno o los acrílicos) bajo la influencia de varios solventes y químicos, o el agrietamiento térmico bajo carga. Todo esto ocurre con el tiempo. Los materiales amorfos como ABS, PS, PMMA o PC son más sensibles a la carga continua, así como a los químicos que a los plásticos / polímeros semicristalinos. Si la transparencia no es un tema clave, aléjese de ellas en aplicaciones que impliquen una carga continua. Las fallas de grietas por tensión son probablemente comunes porque los diseñadores no son consciencias de su existencia. Cuando se estira el poliestireno o el policarbonato, a veces se hacen visibles líneas o bandas débiles, perpendiculares a la fuerza aplicada. En algunos casos, especialmente el poliestireno endurecido que contiene un modificador de impacto, puede ir acompañado de blanqueamiento. Las "líneas" cuando se examinan con gran aumento son tiras o regiones que contienen una gran cantidad de huecos muy pequeños, que ocupan hasta el 50% del volumen afectado. Las moléculas de polímero largas forman haces orientados o fibrillas que se extienden a horcajadas sobre la región enloquecida, manteniéndola unida, aunque a altas tensiones de tensión, una o dos de las fibrillas pueden romperse, comenzando una grieta. Entonces, la locura probablemente se convertirá completamente en una grieta, pero se ha gastado energía en la formación de la locura, por lo que la fuerza del impacto aumenta. Se deduce que para que se produzca la formación de grietas, el polímero debe ser capaz de organizarse en fibrillas, y esto requiere moléculas largas. Por lo tanto, los polímeros de muy bajo peso molecular no son adecuados para el desarrollo de la moda, y los ramificados también están lejos de ser ideales. Cualquier orientación preexistente de las moléculas de polímero afectará la tendencia a la formación de grietas, ya que la dirección de una tensión aplicada puede ser paralela a la orientación predominante (inhibir la formación de grietas) o normal (alentar la formación de grietas). 
Las grietas aumentan el volumen de la parte afectada, sin cambiar mucho la sección transversal. Esto distingue el agrietamiento del rendimiento de corte, donde sucede lo contrario. En estos casos, es habitual referirse a una tensión crítica que puede servir como criterio para la aparición de grietas que conducen a una fractura frágil del cuerpo. Para minimizar la aparición de grietas, es importante reducir el estrés interno (principalmente por relajación).