CIENCIA DE LOS MATERIALES

“Comportamiento dúctil-fragil de aceros y polímeros”

OBJETIVOS
* Analizar el comportamiento dúctil-fragil de aceros ensayados al impacto a temperaturas diferentes.
* Analizar el comportamiento dúctil-fragil de polímeros ensayados al impacto a temperaturas diferentes.

INTRODUCCION TEORICA

Los aceros y los polímeros (también conocidos como plasticos), son materiales que poseen una gran importancia, tanto mecanica como industrialmente, debido a las propiedades características que estos poseen.

Los polímeros son compuestos formados por enormes cadenas de moléculas pequeñas (monómeros). Los materiales polímeros pueden ser

a. Polímeros naturales: provenientes directamente del reino vegetal o animal. Por ejemplo: celulosa, almidón, proteínas, caucho natural, acidos nucleicos, etc
b. Polímeros artificiales: son el resultado de modificaciones mediante procesos químicos, de ciertos polímeros naturales. Ejemplo: nitrocelulosa, etonita, etc
c. Polímeros sintéticos: son los que se obtienen por procesos de polimerización controlados por el hombre a partir de materias primas de bajo peso molecular. Ejemplo: nylon, polietileno, cloruro de polivinilo, polimetano, etc.

Pero vistos desde una manera mas general y desde el punto de vista físico los polímeros son:

* Elastómeros
* Termoplasticos
* Termoestables.

Los elastómeros y termoplasticos estan constituidos por moléculas que forman largas cadenas con poco entrecruzamiento entre sí. Cuando se calientan, se ablandan sin descomposición y pueden ser moldeados.

Lostermoestables se preparan generalmente a partir de sustancias semifluidas de peso molecular relativamente bajo, las cuales alcanzan, cuando se someten a procesos adecuados, un alto grado de entrecruzamiento molecular formando materiales duros, que funden con descomposición o no funden y son generalmente insolubles en los solventes mas usuales.

La temperatura es uno de los factores mas influyentes en las propiedades de estos materiales, así podemos someter a cada tipo de polímero a temperaturas de transición de estado vítreo y a temperaturas en las cuales se producen deformaciones inaceptables por métodos estandarizados, cada polímetro reacciona diferente al ser sometido a estas temperaturas. A continuación se muestra esos comportamientos que estos materiales presentan bajo estas condiciones:

* Temperatura de transición de estado vítreo (Tg)

Los termoplasticos, por debajo de esta temperatura son rígidos y deformables por encima de ella.

Los termoestables como el grado de entrecruzamiento de las cadenas es tan alto, por encima de Tg la estructura permanece rígida y solo se produce movimiento cuando los enlaces químicos han desaparecido, es decir, hay que destruir el polímero para que este fluya.

En los elastómeros, su aplicación ha de ser a temperaturas superiores a Tg para que sigan siendo elasticos.

* Temperatura en la que se producen deformaciones inaceptables por métodos estandarizados (Tde)

Elastómeros: la temperatura de uso debe estar por encima de Tg con el objeto de que retengan la movilidad molecular necesaria para obtener elasticidad.

Polímetrosamorfos: (PMMA) se usan por su rigidez, por lo que hay que usarlos por debajo de Tg.

Polímetros cristalinos: se usan por debajo de su temperatura de reblandecimiento para que no haya riesgo de producirse cambios estructurales. Tg no es importante ya que solo representa un cambio menor en el comportamiento.

Los materiales polímeros presentan una gran ventaja frente a los metales, ya que estos se no corroen; frente al vidrio, por poseer mejores características mecanicas, y frente a la ceramica a la hora de usarse como envases o recipientes.

Químicamente solo se ven afectados por

- Disolventes que producen hinchamiento
- Los acidos y bases fuertes hidrolizan los grupos ester o amida
- Los oxidantes fuertes producen oxidación y fisión de las moléculas poliméricas.
- Ozono y rayos UV.

El acero por su parte es una aleación de hierro con una serie de elementos que mejoran sus propiedades mecanicas, principalmente esta combinado con atomos de carbono, pero este se encuentra en menor porcentaje que el hierro.

Es un poco difícil establecer con certeza las propiedades físicas y mecanicas de los aceros, ya que estas dependen de la composición química de cada acero y de los tratamientos a los que se hayan sometido. Pero de una manera general podemos mencionar

- Su densidad media es de 7850 kg/m³.

- En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.

- El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de elementos aleantes. Sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1375 °C, y engeneral la tempera necesaria para la fusión aumenta a medida que se funde (excepto las aleaciones eutécticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rapido funde a 1650 °C.

- Su punto de ebullición es de alrededor de 3000 °C.18

- Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas.

- Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres.

- Es maleable. Se pueden obtener laminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lamina de acero, de entre 0 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.

- Permite una buena mecanización en maquinas herramientas antes de recibir un tratamiento térmico.

- La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los cuales quiza el mas conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas fragiles.

- La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como los aceros de construcción «corten» aptos para intemperie (en ciertos ambientes) o los acerosinoxidables.

- Posee una alta conductividad eléctrica. Aunque depende de su composición es aproximadamente de19 3 · 106 S/m.

- El acero se dilata y se contrae según un coeficiente de dilatación similar al coeficiente de dilatación del hormigón, por lo que resulta muy útil su uso simultaneo en la construcción, formando un material compuesto que se denomina hormigón armado.20 El acero da una falsa sensación de seguridad al ser incombustible, pero sus propiedades mecanicas fundamentales se ven gravemente afectadas por las altas temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio.

Como podemos observar las propiedades que poseen los materiales antes mencionados son muy beneficiosas para trabajos industriales, es por esto que consideramos importante el conocimiento de cada uno de ellos.

COMPORTAMIENTO DUCTIL FRAGIL DE LOS POLIMEROS Y ACEROS
La fractura es la separación de un sólido bajo tensión en dos o mas piezas. En general, la fractura puede clasificarse en dúctil y fragil. La fractura dúctil ocurre después de una intensa deformación plastica y se caracteriza por una lenta propagación de la grieta. La fractura fragil se produce a lo largo de planos cristalograficos llamados planos de fractura y tiene una rapida propagación de la grieta.

Fractura dúctil
Esta fractura ocurre bajo una intensa deformación plastica. 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 direcciónperpendicular 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 fragil
La fractura fragil es una característica muy peculiar en materiales que tienen estructura cristalina BCC. Estos materiales tienen una muy buena ductilidad alrededor de la temperatura ambiente, pero se vuelven tan fragiles como un vidrio o incluso un ceramico a temperaturas bajas. La fractura fragil tiene lugar sin una apreciable deformación y debido a una rapida propagación de una grieta. Normalmente ocurre a lo largo de planos cristalograficos específicos denominados planos de fractura que son perpendiculares a la tensión aplicada. Existe un gran número de materiales que a temperaturas altas o velocidades de deformación pequeñas se deforman plastica o visco-plasticamente, pero que a bajas temperaturas o velocidades de deformación elevadas muestran fractura fragil. Este comportamiento es exhibido por metales con estructura cristalina BCC, polímeros en estado vítreo, vidrios y sales iónicas.
La mayoría de las fracturas fragiles son transgranulares o sea que se propagan a través de los granos. Pero si los límites de grano constituyen una zona de debilidad, es posible que la fractura se propague intergranularmente. Las bajas temperaturas y las altas deformaciones favorecen la fractura fragil.

Fractura Dúctil.
Superficies dejadas por diferentes tipos de fractura. a) Fractura dúctil b) Fractura moderadamente dúctil, c) Fractura fragil sin deformación plastica

Un acero de bajoporcentaje de carbono a la temperatura ambiente tiene fractura dúctil y al disminuir la cantidad de temperatura se vuelve fragil. Para poder determinar si un polímero tiene fractura fragil o dúctil también se relaciona con la temperatura. Los polímeros termoplasticos debajo de la temperatura de transición vítrea fallan en forma fragil. Cuando a los aceros o a los polímeros su comportamiento cambia de fragil a ductil esto se le llama transición dúctil-fragil. La energía de impacto, también conocida como tenacidad de la entalla, se usa para evaluar cuantitativamente esta transición.

Energía de fractura por impacto para un acero al carbono

Los ensayos de Charpy y el de Izod fueron creados para medir la energía de impacto. Ambos aun se utilizan y el ensayo Charpy es el mas común de ocupar. En la técnica de Charpy una carga es aplicada como un impacto de un martillo pendular con una cierta masa cuando se libera desde una posición determinada. Este ensayo es puesto a prueba en materiales con el objetivo de determinar las propiedades a la fractura del material. Los resultados que se obtienen son significativos al ser ocupados para realizar comparaciones, sus valores absolutos no son de tanta importancia. El ensayo se puede realizar a diferentes temperaturas deseadas, dando así igualmente diferente información sobre el material puesto a prueba. Cuando se ocupa una alta temperatura, la energía de Charpy es relativamente alta, y es aquí cuando el modo de fractura es dúctil. Si se decrece la cantidad de temperatura, la energía absorbida cae relativamente rapido en unrango de temperaturas estrechas. A menores temperaturas la energía absorbida tiene un valor pequeño y aproximadamente constante. Esta zona corresponde a la fractura fragil. A esta curva se le conoce como curva de transición dúctil-fragil.

La temperatura de transición dúctil-fragil puede analizarse mediante el diagrama de Davidenkov. En este diagrama se representan dos parametros en función de la temperatura: el límite elastico y la tensión crítica. El límite elastico disminuye al aumentar la temperatura. La tensión crítica se representa en función de la temperatura para la descohesión transgranular que es constante.

A pesar de que todos los factores que condicionan el modo de fractura de los materiales tienen una gran importancia, el efecto de la temperatura es tal vez, entre todos ellos, el mas conocido. El módulo elastico de los polímeros puede sufrir variaciones considerables con la temperatura, por lo cual los polímeros también pueden experimentar una transición dúctil-fragil al igual que determinados metales y aleaciones. Esto se debe a que algunas de las catastrofes estructurales mas divulgadas, ocurridas en el siglo pasado, estan relacionadas con la transición dúctil-fragil que experimentan algunos materiales al disminuir la temperatura.

En los materiales puros, la transición dúctil-fragil debe ocurrir a una temperatura determinada, sin embargo para muchos materiales esa transición ocurre en un rango amplio de temperaturas el cual esta dado por la composición específica de cada material.

En los polímeros, los monómeros son las estructuras encargadas de disipar laenergía absorbida en un impacto y lo hacen fundamentalmente mediante rotaciones que se producen en torno a determinados enlaces.

La temperatura vítrea de cada polímero delimita la frontera entre ambos comportamientos y la misma depende de la composición específica de las cadenas poliméricas. Por ejemplo, los polímeros termoplasticos debajo de la temperatura de transición vítrea fallan en forma fragil, muy parecido al comportamiento del vidrio. A los polímeros termofijos, que son caracterizados por ser duros, fallan por un mecanismo fragil.

El comportamiento dúctil de los polímeros viene como resultado del deslizamiento de las cadenas del polímero. Esto no es posible en polímeros termoplasticos o termofijos, por eso tienen comportamiento fragil. Los polímeros cuya estructura consiste en cadenas enredadas pero sin enlaces químicos cruzados, fallan en forma ductil arriba de la temperatura de transición vítrea, mostrando evidencias de extensas deformaciones y hasta formación de cuellos antes de la falla.

En el siguiente diagrama se puede observar los resultados de los ensayos realizados a tres diferentes polímeros: nylon, PVC y metacrilato. Para el caso del nylon y del PVC se observa que ambos tienen un comportamiento dúctil a temperatura ambiente(b y d) y al ser sumergidos en nitrógeno líquido se fracturan completamente(a y c). Sin embargo la rotura total del metacrilato ocurre a temperatura ambiente(e) mostrando un comportamiento fragil. Teóricamente para lograr observar un comportamiento dúctil y evitar la fractura de este material es necesario que la temperatura de la probetaesté por encima de los 50ºC(f) para lo cual se introdujo previamente en un horno en torno a los 150ºC.

EQUIPOS UTILIZADOS
* Medidor de impacto por caída de dardo
TABLA Mod. BMC-B1 |
 Método de Prueba |  Rango de Prueba |  Precisión |
A&B (opcional) | Método A: 50~2000g
Método B: 300~2000g | 0.1g (0.1J) |
 Condición de Prueba |  Agarre de Muestra |  Tamaño de muestra |
23 ºC 50%RH (standard) | neumatico | >150mm x 150mm |
 Poder |  Dimensión |  Peso neto |
AC 220V 50Hz / 60Hz | Método A: 500mm(L) x450mm(B) x1320mm(H)
Método B: 500mm(L) x 450mm(B) x 2160mm(H) | 70 kg |

* Medidor impacto film

 Energía de Impacto |  Resolución |  Tamaño de la punta del péndulo |
1J, 2J, 3J | 0.001J | 25.4mm, 19mm, 12.7mm |
 Dimensión de las abrazaderas |  Tamaño de la muestra |  Poder |
89mm, 60mm | 100 mm x 100 mm or 100mm | AC 220V 50Hz/60Hz |
 Dimensión |  Peso neto |
600mm(L) x 390mm(B) x 580mm(H) | 64 kg |

* Equipos para ensayos de impacto de baja energía.

“Tinius Olsen”, el líder especialista en manufactura y proveedor de tensión estatica de materiales de compresión en maquinas probadoras, fabrica una variedad de equipos para ensayos de impacto con péndulo que pueden cambiarse rapidamente de la configuración Charpy a la configuración Izod. Estos equipos vienen en un par de capacidades y estan diseñados específicamente para ensayos de impacto en plasticos.

Todo el hardware de Tinius Olsen se complementa con el software desarrollado para obtener un sistema sofisticado de analisis de calidad. Por motivos de seguridad, antes de empezara ocupar la maquinaria se debe de asegurar de revisar los productos de software para determinar que el paquete es el adecuado para la aplicación deseada.

* Probador de Impacto por caída de peso
Estas maquinas estan diseñadas para medir el rendimiento de un objeto bajo descargas de tasas de alto margen. La compañía Instrom ha creado tres diferentes series de maquinaria donde se pueden probar especímenes de materia prima y compuestos ya terminados. La serie 9200 es la maquinaria mas avanzada y versatil. El siguiente modelo es el único dentro de la serie y tiene la nomenclatura de 8200. La siguiente serie, 8100, son ocupadas para pruebas en general tales como para pruebas de especímenes o para pruebas que se necesita ocupar alta energía de impacto.

Dentro de la serie 8100, se encuentran los modelos 8120, 8140 y 8150, siendo el mejor el modelo con mayor numero. El modelo 8100 de la serie Dynatup esta diseñado para satisfacer las necesidades de ensayos de impacto de alta energía. Estos sistemas son especialmente efectivos para comprobar la resistencia de composites, piezas de acero y hierro fundido de gran tamaño, o la resistencia a la penetración de probetas de paneles de gran espesor. Su amplia superficie de trabajo permite introducir en estas maquinas probetas, componentes o estructuras de una amplia gama de tamaños y formas. Las características de estos modelos incluyen una energía de impacto hasta los 27,800 J; velocidad de impacto hasta 7 m/s; la altura maxima de caída de 2.4 m; una base de forma T para montar accesorios; panel de operación para control de cruceta, elregreso automatico de la cruceta a la altura de caída después de una prueba y frenos de seguridad para prevenir un desprendimiento accidental de cabezal.

El modelo 8200 es ideal para un instrumento de bajo peso y con la ventaja de tener un rango de ajustables energía y velocidades a ocupar. La mayoría de productos que se ponen a prueba son polímeros, ceramicos, compuestos y metales. En este instrumento se tiene la opción de poner a prueba un espécimen del material o el actual componente en sí. Las características incluyen que el cabezal llega a soportar una carga de 0.7 a 13.6 kg; la energía de impacto puede llegar a medir hasta los 136 J y su velocidad hasta los 14 pies/s.

En la serie 9200 se encuentran los mejores y mas avanzados modelos. Estos modelos estan diseñados para trabajar con ambos bajas y altas energías de impacto. Se pueden poner a prueba un espécimen del material o un compuesto terminado. Las características de este material es que son maquinas es de alto desempeño que trabajan con motor y con paredes transparentes y protectoras que permiten la visualización del proceso.





Serie 8100 Modelo 8200 Serie 9200

* Aparato de prueba de impacto MTS CHINA SANS

Aparato ocupado para poner a prueba a polímeros. Su energía maxima del impacto son varias para ocupar cada una en diversas pruebas. La cantidad mas pequeña es de 150J seguida por 300J, 450J, 600J, 750J y la ultima siendo de 3000J. El probador del impacto del péndulo de la serie del modelo ZBC2000 viene SIN de la familia de laserie de las maquinas de prueba de impacto del péndulo, diseño de moda y asamblea completa con SIN la alta tecnología satisfecha con las pruebas de resistencia de impacto del material del metal bajo cargamento dinamico, se aplica extensamente en las industrias siguientes: fabricante de material del metal, de control de calidad de productos, de los institutos y de las universidades, R&d.

* Aparato de prueba de impacto de Testing Machines Inc.
Diseñan a los probadores del impacto para determinar la energía del impacto requerida para romper una muestra. Esta información es crucial a los fabricantes, pues la fuerza y la durabilidad del producto determinaran a menudo características de funcionamiento y comerciabilidad. El sistema de prueba de impacto del TMI utiliza un codificador óptico de alta resolución y el de adquisición de datos para determinar la resistencia de impacto de materiales rígidos de acuerdo con una gran variedad los estandares de la prueba de ASTM y de la ISO. Los péndulos y los sostenedores permutables del espécimen estan disponibles medir la resistencia de impacto de una variedad de materiales. Los métodos comunes de la prueba incluyen Izod, Charpy, la tensión y la prueba laminada. Las camaras de atmósfera controlada estan también disponibles entregar el CO2 o el N2 permitiendo la caracterización de materiales en las temperaturas frías. Esencialmente la prueba de impacto es una prueba monopunto que mide una resistencia de los materiales al impacto de un péndulo de balanceo. La altura de la masa y de la gota entrega una energía cinética definible.

* Aparatode prueba de impacto de Imatek Ltd
Aparato de prueba para realizar una amplia gama de la energía media en los materiales, los especímenes y los productos finales de la varia geometría. Tiene la característica de una muy buena precisión en los resultados de la prueba. Tambien incluye un sistema total dirigido para asegurarse de que la geometría del impacto esta correcta a través de la prueba. La construcción muy robusta hace frente a los rigores de la prueba dinamica para proveer de alta confiabilidad un mínimo de tiempo muerto. Las piezas permutables del contacto simplifican facilmente mantenimiento y reducen el costo de la propiedad. La alta calidad, el control facil de utilizar y el software de analisis asegura consistencia y realza rendimiento de procesamiento. Los requisitos simples del servicio de la electricidad de las cañerías la monofasico y del aire comprimido reducen costes de la instalación. Trae consigo un segundo sistema opcional de la prevención del impacto para las pruebas no-penetrantes, opción opcional del impacto de la alta velocidad para las velocidades del impacto hasta 20m/s, un sistema video de alta velocidad completamente integrado opcional para proporcionar la visualización del modo de fallo del espécimen, compartimiento de condicionamiento de la temperatura opcional; -70°C a +150°C. La computadora opcional con control del software esta disponible para realizar la operación semiautomatica.

NORMAS ASTM

ASTM E23 - 07ae1 Métodos de prueba estandar para pruebas de impacto en barras muescas de materiales metalicos. Estos métodos de ensayo de las pruebas deimpacto se refieren específicamente a la conducta de los metales cuando se someten a una única aplicación de una fuerza resultante de múltiples esfuerzos axiales asociados con una muesca, junto con las altas tasas de carga y en algunos casos con temperaturas altas o bajas.
Normas relacionadas:
* B925 Practicas de producción y preparación de polvos de metalurgia (PM).
* E177 practica para uso de los términos de precisión y el sesgo en las normas ASTM.
* E399 Método de prueba para elasticidad lineal, deformación plana, resistencia a la fractura K Ic de Materiales Metalicos.
* E604 Método de prueba para el ensayo lagrima dinamica para materiales metalicos.

ASTM D256 - 06ae1 Métodos de prueba estandar para determinar el impacto del péndulo Izod; resistencia de los plasticos. Estos métodos de ensayo se refieren a la determinación de la resistencia de los plasticos para 'estandarizar' martillos de tipo péndulo, montado en maquinas estandarizadas, para romper las muestras estandar con un movimiento pendular.
Normas relacionadas:
* D3641 Practica para la prueba de moldeo por inyección de muestras de moldeo termoplastico y Materiales de extrusión.
* D4066 Sistema de clasificación para inyección de nylon y materiales de extrusión (PA).
* D5947 Métodos de prueba para las dimensiones físicas de muestras de plastico rígido.
* D618 Practicas para plasticos acondicionado para pruebas.
* D883 Terminología relacionada con plasticos.

ASTM D6110 - 08 Método de prueba estandar para determinar la resistencia al impacto Charpy con entalla de muestras de plasticos.La prueba de impacto del péndulo indica la energía para romper las pruebas de control estandar de tamaño especificado en las condiciones estipuladas de montaje de la muestra, entallado (concentración de tensiones), y la velocidad del péndulo en el impacto.
Normas relacionadas:
* D4000 Sistema de clasificación para especificar los materiales de plastico.
* D647 Practica para el diseño de moldes para las muestras de prueba de materiales de plastico moldeado.
* E691 practicas para la realización de un estudio ínterlaboratorio para determinar la precisión de un método de ensayo.

ASTM E-23 Charpy e Izod.
ASTM E-208 Ductilidad cero.
ASTM E-436 Ensayo dinamico de desgarramiento en 3 puntos.
ASTM E-604 Ensayo dinamico de desgarramiento en 3 puntos.
ASTM E-23
ASTM D-3763

BIBLIOGRAFIA

Askeland, Donald R. “Ciencia e Ingeniera de los Materiales” Cuarta Edición. Capitulo 6: Propiedades y Comportamiento Mecanico. México DF, México: International Thomson Editores, S.A de C.V, 2004.

Echeverria, Ricardo. “Fractura de Materiales” Laboratorio de Ensayos No destructivos. Capitulo 1:Fractura Fragil. Buenos Aires, Argentina: Editores Universidad Nacional del Comahue, 2003.

Alcala Cabrelles, Jorge y Llanes Pitarch, Luis Miguel. “Fractura de Materiales” Primera Edición. Capitulo 8: Fractura Fragil y Dúctil. Barcelona, España: Ediciones UPC, 2002.

“Impact Testing Machines” Instron. <https://www.instron.com.es/wa/products/impact/default.aspx>

¿Qué son los polímeros? Textos Cientificos. <https://www.textoscientificos.com/polimeros/introduccion>