La fractura está definida como una desintegración parcial del material por esfuerzo a causa de la formación de una nueva superficie dentro de un cuerpo. La fractura es sinónima de rotura o de la acción de quebrar pero no de falla. El último término es más general y también hace referencia al colapso no-mecánico por calor (falla térmica) o degradación medioambiental (ataque químico, irradiación). Para que ocurra la fractura, generalmente es necesario que una muestra esté sujeta a cargas mecánicas, que se deforme (viscoelásticamente), y que el desarrollo de algún daño conduzca a la desintegración del material.

Un proceso de fractura consiste como mínimo de dos etapas. En la primera, iniciación o activación de defectos, no existe un crecimiento de grieta visible. Es aun difícil separar claramente esta etapa de deformación localizada irreversible de la deformación reversible mecánicamente de una muestra. En la segunda etapa, una zona deformada o una grieta inician su crecimiento, y la velocidad de este crecimiento de grieta muy a menudo se incrementa considerablemente. La rotura final de la muestra ocurre de una manera inestable por una propagación rápida de la grieta. La fractura frágil, la más conspicua de las fracturas, ocurre en muestras a bajas temperaturas, altas velocidades de aplicación de carga, o elevadas energías de deformación; a menudo de forma inestable con una rápida propagación de grieta y una muy pequeña deformación adicional. Diferentes polímeros exhiben distintos comportamientos: A bajas temperaturas, las resinas termoestables y los polímeros termoplásticos muestran un incremento lineal del esfuerzo con la deformación poco perceptible, y la fractura ocurre a porcentajes de deformación muy pequeños sin deformación plástica perceptible, resultando superficies de fractura lisas –aparentemente- a escala macroscópica, sin embargo bajo microscopía electrónica se llega a apreciar pequeños surcos o marcas. Las redes elastoméricas, por otro lado, necesitan ser deformadas varios cientos de porcentaje antes de llegar a la energía de deformación suficiente para provocar una rápida e inestable propagación de grieta. Dicha ruptura también es clasificada como fractura frágil, puesto que la muestra no está sujeta a una perceptible deformación adicional entre el momento de la iniciación de la fractura, usualmente en algunas fisuras o defectos, y el final. Muchos polímeros amorfos, sometidos a esfuerzos muy por debajo de la rotura, desarrollan grandes cantidades de zonas plateadas rectas las cuales están atravesadas de materia fibrilardenominadas crazes. Una craze contiene fibrillas de moléculas fuertemente orientadas (material de la craze) separadas por regiones porosas. La densidad de una craze -en sí misma- es sólo 40% a 60% de la densidad de la matriz y las fibrillas moleculares son orientadas a lo largo de la dirección del máximo esfuerzo tensil.

Estas crazes, denominadas crazes extrínsecas o crazes I, se caracterizan por aparecer claramente separadas unas de otras. Frecuentemente los defectos superficiales pueden ser identificados como iniciadores de crazes. Crazes de este tipo también aparecen en otros polímeros amorfos, bajo circunstancias comparables, tales como el poliestireno (PS) o el polimetilmetacrilato (PMMA), y en polímeros semicristalinos como el polietileno (PE). A elevadas deformaciones muchos polímeros, como el PVC, PE y PP, tienden a deformar con la aparición de pequeños vacíos a lo largo de todo el volumen. Estas regiones deformadas son en apariencia blancas (blanqueado por esfuerzo). En PC este fenómeno es equivalente a un nuevo mecanismo de crazing. El crazing es grandemente acrecentado por los líquidos, grasas e incluso con gases. El agente de crazing debe ser capaz de difundirse dentro del polímero para efectuar la iniciación; por tanto, éste actúa mediante su presencia dentro de la matriz del polímero. Un incremento de la movilidad de las cadenas (decremento de la Tg) facilita la iniciación de crazes pero también el derrumbamiento de la craze. Por otro lado, muchos termoplásticos expuestos a bajos esfuerzos por períodos de tiempo extendidos fallan a causa de una zona de fractura aparentemente plana (en la curva tensióntiempo) , usualmente iniciada a partir de un defecto en su superficie. La fractura frágil a bajas velocidades de aplicación de carga y crazing por creep (a carga constante) conducen a patrones similares de superficie de fractura. Los polímeros son sensibles a la fatiga por cargado, es decir, a la aplicación repetida de cargas. Una muestra puede romper por el desarrollo de una grieta de fatiga a cargas menores que la resistencia quasi-estática. Como opuesto a la fractura frágil, un evento localizado, la fractura causada por la deformación dúctil generalmente involucra a una región más extendida, y ocasionalmente a toda la muestra. El fenómeno de deformación dúctil que conduce a la fractura del polímero incluye la fluencia con y sin formación de cuello, creep y flujo. Los dos últimos fenómenos ciertamente no cumplen con la definición de fractura dada al principio, puesto que ni el creep ni el flujo podrían dar origen a la formación de nuevas superficies dentro del cuerpo. Sin embargo, todos estos fenómenos deben discutirse en el contexto de la fractura de polímeros, porque en algunos casos la deformación dúctil homogénea sólo precede y modifica un subsiguiente evento de fractura frágil; en otros casos, ligeras modificaciones de los parámetros internos (estructura molecular o microscópica) o externos (temperatura, velocidad de aplicación de carga) causan el cambio de comportamiento frágil a dúctil. Por último, muestras en contacto, deslizando o rodando mutuamente una respecto a la otra, ejercen fuerzas sobre sus regiones superficiales que pueden fácilmente ir más allá de sus límites elásticos y conducir al daño y a la ruptura local. Pequeñas partículas pueden retornar a la superficie y de este modo producir el desgaste de la misma. Las crazes ocurren en polímeros amorfos, tales como poliestireno (PS), polimetilmetacrilato (PMMA), polisulfona (PSF) y en algunos otros semicristalinos como el polietileno (PE), polipropileno (PP), polietilenterephtalato (PET) y polioximetileno (POM). Cuando estos sólidos poliméricos son sometidos a esfuerzos tensiles a bajas temperaturas, aparecen rasgos semejantes a grietas finas las cuales en apariencia se asemejan a fisuras superficiales en cerámicos. Existe una continuidad de material a través de la craze, mientras que las caras de una grieta de Griffith en un sólido frágil están completamente separadas. Las crazes siempre están orientadas en dirección normal al máximo esfuerzo tensil principal, mientras que las grietas de Griffith, en un sólido frágil con una estructura de grano equiaxial, esencialmente tienen una distribución al azar. Sin embargo, las crazes pueden ser consideradas como un polímero análogo de transformaciones dilatantes (o expansivas) distribuidas en forma perpendicular al máximo esfuerzo tensil principal. En este sentido, las crazes conducen a deformaciones inelásticas en forma muy similar al corte y/o las transformaciones dilatantes en metales y cerámicos (como maclas mecánicas o una lamela martensítica). Además, recientemente el hecho de promover la formación de crazes con muy bajos niveles de esfuerzos, en un intento de desarrollar una apreciable dilatación plástica, fue considerado como un posible significado de endurecimiento de polímeros. Esta aproximación es conceptualmente similar al mecanismo de microgrietas o endurecimiento por deformación en sólidos frágiles. La deformación y la fractura, en muchos polímeros son gobernadas por la nucleación, crecimiento y rotura de crazes.

Polímeros termoplásticos. La formación de cadenas moleculares largas es la principal característica de la constitución estructural de los materiales poliméricos, que difieren de las celdas unitarias básicas para la construcción de los sólidos atómicos (tal como los metales y cerámicos) o de las redes espaciales (como es el caso de los vidrios). Los obstáculos para completar la cristalización en los sólidos poliméricos provienen de la abundante existencia de cadenas moleculares largas, así como de ramas y grupos laterales de dichas cadenas. Consecuentemente, la estructura de un polímero puede ser completamente amorfa o un arreglo semicristalino formado por cadenas moleculares plegadas en medio de una fase amorfa. Con excepción de ciertos modos de deformación, como la formación de crazes o la rotación de cadenas moleculares, los mecanismos básicos de deformación y falla en los sólidos poliméricos exhiben muchas semejanzas con aquellos correspondientes a los metales y cerámicos. Fue demostrado, en el contexto de la fatiga de metales y aleaciones y de los materiales cerámicos, que la irreversibilidad cinemática de la deformación microscópica es una importante razón para que se lleve a cabo el inicio y el crecimiento de una grieta efectiva. En sólidos poliméricos, tal deformación irreversible cinemáticamente puede ser manifestada como la formación de crazes, bandas de cizallamiento, rotación u otros cambios en la orientación de las cadenas moleculares, o una combinación de estos mecanismos. Los mecanismos de deformación inelástica que se producen en polímeros termoplásticos son producto de una combinación de procesos viscoelásticos y plásticos. La deformación en polímeros no modificados normalmente es consecuencia de la contribución de varios mecanismos, siendo la importancia relativa de cada mecanismo mayor o menor en función de la naturaleza del polímero y de las condiciones de ensayo. Los mecanismos de deformación en polímeros termoplásticos pueden clasificarse en dos grupos, por un lado están aquellos fenómenos que no ocasionan variación de volumen del sistema y por otro se encuentran los que producen un aumento volumétrico. Básicamente los primeros son procesos de cizalladura en los cuales no hay decohesión molecular en el material y el cambio de volumen es inapreciable. En el segundo caso el material pierde su continuidad molecular cambiando la densidad del sistema y aumentando el volumen. Son procesos cavitacionales en los que se da la formación de vacíos y el crazing. La deformación homogénea en polímeros amorfos es realizada por el desplazamiento de cadenas moleculares segmentadas y por la orientación gradual del eje longitudinal de las moléculas inicialmente no alineadas con el eje de carga tensil. La formación de crazes y el flujo por cizallamiento son los dos modos más comunes de deformación de polímeros. Generalmente la deformación por crazing tiene una connotación de falla frágil, mientras que la deformación por bandas de cizallamiento representa un proceso más dúctil. El relativo dominio de estos dos procesos durante la fractura es impuesto por muchos mecanismos mutuamente competitivos, los cuales dependen de la estructura molecular, geometría de la probeta, método de fabricación, temperatura del ensayo, velocidad de carga, estado de esfuerzos, refuerzo con fibras y del grado de plastificación.

El cizallamiento localizado es también una característica importante de la deformación y fractura en muchos polímeros. A niveles de esfuerzo más bajos que la resistencia tensil de polímeros amorfos, la deformación “plástica” puede ser iniciada por la formación de bandas de cizalladura. En polímeros susceptibles al cizallamiento por bandas, el inicio de la “fluencia” se asocia con la formación de bandas de cizallamiento. Las bandas de cizallamiento están siempre orientadas a lo largo de la dirección del máximo esfuerzo cortante. Cuando un polímero comienza a deformarse plásticamente bajo la acción de una carga se dice que ha alcanzado su punto de fluencia o de cedencia. La cedencia por cizalla conduce a un cambio en la forma de la probeta sin cambio en el volumen de la misma. En la práctica, todos los polímeros homogéneos de tenacidad elevada muestran como mecanismo principal de deformación la cedencia por cizalladura que se puede manifestar en zonas localizadas o bien en forma no definida o difusa a lo largo de todo el espécimen. En materiales termoplásticos semicristalinos, la deformación plástica tiene lugar como resultado de deslizamientos relativos de las macromoléculas en la dirección de la máxima tensión de corte siendo la deformación de tipo localizado.

La idea básica de este proceso es que las partículas inician y controlan el crecimiento de las crazes. Bajo la acción de una tensión de tracción las crazes se inician en los puntos de máxima tensión principal, esto es, en la vecindad de las partículas y se propagan en planos perpendiculares al de la máxima tensión aplicada.

La presencia de partículas rígidas puede incrementar la formación de bandas de cizalla en la matriz, puesto que inducen, un estado triaxial de tensiones que puede ser suficiente para activar la cedencia en bandas de cizalla. La cedencia por cizalla inducida por la presencia de las partículas se ha propuesto como el principal mecanismo de aumento de tenacidad en compuestos como el policarbonato cargado con microesferas de vidrio. Adicionalmente se ha visto que en compuestos en los que compiten tanto el crazing como la cedencia por cizalla, como el SAN cargado con microesferas, se promueve la aparición de esta última cuando las partículas no están adheridas a la matriz.

La cavitación o despegue de la partícula se presenta cuando como consecuencia del esfuerzo aplicado se sobrepasa la resistencia de la interface partícula-matriz, con la subsiguiente separación entre ambas. En el caso de partículas rígidas, el despegue es el resultado de la creación de vacíos durante el estirado del polímero bien a causa de una débil adhesión o bien como resultado de la rotura de agregados de partículas de baja resistencia. A medida que continua la elongación existe un incremento de volumen por crecimiento de los vacíos generados y normalmente decrecen de manera importante la resistencia a tracción y el módulo.

Cuando un frente de grieta avanza en el interior de un material frágil que está cargado con partículas puede quedar momentáneamente detenido en las posiciones ocupadas por las inhomogeneidades del material. Inicialmente el frente de grieta es recto. Con la aplicación de una tensión el frente de grieta comienza a moverse e interacciona con las posiciones que ocupan las partículas quedando momentáneamente anclada y frenada su propagación. Si la tensión que hace avanzar la fisura continua aplicándose, el frente de grieta se arquea entorno a la partícula hasta que la sobrepasa. Una vez sobrepasada la partícula, la grieta sigue propagándose dejando tras de la heterogeneidad una “cola” característica resultado de la unión de los dos brazos del frente de grieta que han avanzado por planos diferentes.