Introducción
Cuando un metal es sometido a una fuerza, suele deformarse inmediatamente y luego mantiene la misma forma incluso después de un largo periodo de tiempo. Si la carga no era demasiado elevada, el metal también volverá elásticamente a su estado original cuando se retire la carga. Cuando los polímeros se cargan con una fuerza, también se deforman inmediatamente; sin embargo, tras un periodo de tiempo más largo, a menudo se observa que el cuerpo se ha deformado aún más. Este comportamiento se denomina fluencia. Básicamente, los metales también se deforman, pero en el caso de los polímeros, este comportamiento es mucho más pronunciado y debe tenerse en cuenta al describir el comportamiento mecánico. Por esta razón, un diagrama de tensión-deformación cuasiestático suele ser suficiente para los metales; sin embargo, para los polímeros también debe tenerse en cuenta la deformación dependiente del tiempo.
En este caso, es importante distinguir básicamente entre fluencia y RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación: En la fluencia, una carga constante actúa sobre el cuerpo, que en consecuencia se deforma. En la RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación, la deformación de un cuerpo permanece constante, pero con el tiempo se reduce la fuerza requerida. La RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación es de gran interés para determinadas aplicaciones, como las juntas; pero para muchos componentes, lo que interesa es más bien la carga que es constante y el comportamiento temporal de la deformación.
En los ensayos de materiales, la medición de la fluencia propiamente dicha suele combinarse con una fase de recuperación (recuperación de la fluencia) en la que el material puede volver a obtener su forma original. De este modo, puede distinguirse entre fluencia elástica y fluencia irreversible. La deformación irreversible depende en large medida de la temperatura y del nivel de carga. Estas relaciones se investigarán con más detalle en esta publicación.
Medidas de recuperación de la fluencia en PE-HD
El comportamiento a la fluencia de los polímeros se investiga aquí utilizando el ejemplo del polietileno semicristalino de alta DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densidad (PE-HD). Las muestras con unas dimensiones de 55 x 5 x 2 mm se ensayan con ayuda del dinamomecánico de alta carga NETZSCH DMA GABO Eplexor® 500 N en el modo de tracción (figura 1).
Con el Eplexor®, se pueden aplicar fuerzas estáticas de hasta 1500 N en el rango de temperaturas de -160°C a +500°C.
En función del campo de aplicación, se dispone de diferentes portamuestras de tracción: Con el portamuestras de tracción estándar pueden aplicarse hasta 700 N, dependiendo de la muestra. Para fuerzas superiores, se dispone de una versión más resistente de hasta 1500 N.
Dado que debe investigarse en particular la dependencia de la fluencia con respecto a la fuerza, las mediciones individuales se comparan con cargas crecientes. De este modo, se pueden investigar diferentes niveles de carga en una única serie de mediciones sin necesidad de volver a sujetar la muestra.
Con este procedimiento, sin embargo, la muestra puede en principio deformarse antes del paso de carga real. Para evitar que las desviaciones respecto a la geometría de referencia sean demasiado grandes, una vez alcanzada una deformación del 10% no se vuelve a aumentar la carga. Las mediciones se realizan cada una a una temperatura de muestra definida. A 50°C, se realizan cinco pasos de carga de 2 a 6 MPa, con 2 horas de espera para garantizar que se pueda establecer una condición estable en cada caso.
A una temperatura elevada de 100°C, la carga sólo se aumenta a 4 MPa cuando se alcanza la deformación máxima.
Como se muestra en la figura 2, la fluencia suele constar de tres fases para cada paso de carga. En primer lugar, la muestra se estira de forma relativamente brusca, seguida de la fluencia viscoelástica. Estos dos procesos suelen ser reversibles. A continuación, la muestra se transforma más bien en un flujo viscoso (velocidad de deformación constante) y puede observarse claramente que este flujo es más pronunciado a tensiones y temperaturas más elevadas. Dado que este flujo viscoso no es reversible, se mantiene una deformación remanente incluso después de la fase de descarga posterior. Este comportamiento viscoplástico se produce con mayor intensidad a temperaturas y tensiones más elevadas.
En la norma DIN ISO 899 [4] se describe el ensayo de fluencia por tracción para determinar el comportamiento de fluencia. Aunque no se refiere específicamente a los experimentos de fluencia-recuperación empleados aquí, se presentan evaluaciones típicas que también pueden utilizarse para las respectivas fases de fluencia. Así, las figuras 3 a) y b) muestran los diagramas isócronos de tensión-deformación asociados a las mediciones anteriores. La deformación se anota para cada tensión después de un tiempo fijo y se introduce en el diagrama. Dado que en esta serie de ensayos se aplican diferentes cargas a una muestra, la deformación se refiere en cada caso al estado inmediatamente anterior al paso de carga. Esta presentación es de especial interés para el diseño de componentes, ya que la deformación resultante puede leerse de forma completamente análoga al diagrama clásico de tensión-deformación para una carga determinada. Normalmente, las deformaciones también son de interés tras periodos de tiempo mucho más largos que los registrados aquí. Como se ha visto anteriormente, principalmente el comportamiento viscoso domina para periodos de tiempo más largos, lo que se discutirá más adelante con más detalle.
Como otra presentación típica, la norma DIN ISO 899 describe el módulo de fluencia en función del tiempo (figuras 3 c y d). A menudo se utiliza en su lugar el valor recíproco del módulo, es decir, la conformidad de fluencia, pero aquí se muestra el módulo de fluencia de acuerdo con la norma. La presentación del módulo de fluencia es especialmente adecuada para investigar la no linealidad del material. Resulta evidente que las tensiones más elevadas conducen generalmente a un módulo de fluencia más bajo y, por tanto, a una mayor conformidad.
Descripción de los índices de fluencia según Eyring
La fluencia de los polímeros suele describirse mediante el modelo reológico de cuatro parámetros (figura 4). El modelo consta de un muelle y un elemento amortiguador (elemento de Maxwell) conectados en serie. El muelle puede utilizarse para ilustrar el salto de deformación instantáneo y el amortiguador para modelizar el flujo viscoso. El comportamiento viscoelástico se describe mediante el elemento paralelo muelle-amortiguador. Así, para cada experimento de fluencia-recuperación previamente realizado, puede identificarse un modelo correspondiente.
Como se ha mostrado anteriormente, el componente viscoplástico relevante para la fluencia a largo plazo está causado principalmente por el flujo viscoso. La dependencia del flujo viscoso de la temperatura y la tensión puede deducirse, basándose en modelos, a partir de las probabilidades de que una molécula supere un determinado obstáculo. Los detalles pueden encontrarse, por ejemplo, en [2]. Aquí se afirma como resultado que, según este modelo, la relación entre la tensión y la temperatura depende linealmente del logaritmo de la velocidad de deformación. En consecuencia, un aumento de la tensión conduce a un aumento exponencial de la velocidad de deformación.
En la figura 5 se muestran las velocidades de deformación determinadas para las tensiones respectivas. Junto con las mediciones ya presentadas anteriormente, el experimento se realizó adicionalmente a 110°C. A 50°C, el comportamiento entre la velocidad de deformación y la tensión está muy bien descrito por el modelo, es decir, existe una relación en gran medida lineal entre la tensión y la velocidad de deformación logarítmica. A temperaturas y tensiones más elevadas, es posible que se produzcan más procesos moleculares, lo que conduce a una curvatura de la velocidad de deformación logarítmica.
En el gráfico de Eyring [1], se registra una línea distinta para cada temperatura. A este respecto, el gráfico permite presentar la extrapolación de la velocidad de deformación para otras tensiones. No obstante, cabe señalar que también existen enfoques más avanzados para incluir una superposición adicional de tiempo y temperatura; véase, por ejemplo, [3].
Conclusión
El comportamiento de fluencia depende en gran medida de la temperatura y del nivel de carga. Aunque los componentes elásticos de la fluencia pueden medirse incluso con fuerzas menores, en muchas aplicaciones se producen fuerzas y tensiones mayores. El DMA GABO Eplexor® permite caracterizar la fluencia plástica dependiente de la carga en muchos casos relevantes en la práctica. De este modo se demuestra que el comportamiento de fluencia a largo plazo está determinado principalmente por el flujo viscoso del polímero. Exactamente esta dependencia de la velocidad de deformación en la tensión actuante puede ilustrarse claramente en un gráfico de Eyring.