Introducción
El ensayo de tracción uniaxial cuasiestático es un método de ensayo destructivo de materiales y uno de los más empleados para caracterizar las propiedades mecánicas de los materiales [1]. En el caso más simple, una muestra se somete a carga a una velocidad definida hasta que se produce el fallo y la fuerza resultante, F, se registra en función del cambio de longitud, Δl. A partir de la sección transversal de la muestra, A0, y de la longitud de medición inicial, l0, se calcula la tensión que actúa sobre la muestra, σ, junto con la deformación resultante, ε (figura 1, derecha).
El resultado de un ensayo de tracción es el denominado diagrama técnico tensión-deformación (figura 1, izquierda). Los valores típicos que se derivan de él son el módulo de tracción o módulo de elasticidad,Et, que describe la relación entre la tensión y la deformación en el rango elástico, la tensión máxima que puede alcanzar el material (σmax, εmax), y los valores de tensión y deformación en el momento de la rotura (σmax, εbreak) y en la transición del flujo elásticamente reversible al flujo plástico (σyield, εyield). Los ensayos de tracción proporcionan además información sobre la contracción lateral, el endurecimiento por deformación, el necking y el comportamiento de fallo en curso. Además, al considerar las mediciones en diferentes orientaciones, también es posible caracterizar la anisotropía, es decir, la dependencia de las propiedades con respecto a la dirección. Los ensayos suelen realizarse en probadores electromecánicos de tracción y se normalizan en función del material, el producto semiacabado y la aplicación. Los ensayos de tracción se emplean en casi todas las etapas de la cadena de producción, desde el desarrollo del material y el control de calidad en la producción hasta el análisis de la resistencia en el componente final.
La serie DMA GABO Eplexor®
Los sistemas de la serie DMA GABO Eplexor® son instrumentos de ensayo especialmente diseñados para mediciones dinámico-mecánicas (abreviado, DMA) en el rango de alta carga. Durante un ensayo dinámico-mecánico, se aplica una fuerza sinusoidal a una probeta bajo un programa de temperatura definido. El resultado es una deformación sinusoidal. Mediante el análisis de los valores de tensión y deformación junto con el desfase puntual de ambos, se puede realizar una caracterización dependiente de la frecuencia y la temperatura de las propiedades viscoelásticas, como los módulos de almacenamiento y pérdida (E' y E"). Basándose en esto, se puede detectar, por ejemplo, la transición vítrea de un polímero.
Como se muestra en la figura 2a), se puede aplicar una fuerza estática a una muestra en el DMA GABO Eplexor® mediante un accionamiento superior. En la parte inferior del instrumento, un excitador de oscilación genera una carga dinámica con frecuencias de 0,01 Hz a 100 Hz (opcionalmente 0,0001 Hz y 200 Hz), así como fuerzas de hasta 500 N y amplitudes de hasta 6 mm. La cámara de temperatura permite realizar mediciones entre -160 °C y 500 °C, en función del sistema de refrigeración. Las mediciones pueden realizarse con ayuda de los respectivos portamuestras en los modos de cizalladura, flexión, tracción o compresión.
Sin embargo, debido a las fuerzas estáticas aplicables por separado de hasta 1,5 kN en la unidad de sobremesa (figura 2a), y de hasta 4,0 kN en el dispositivo de pie, junto con secuencias de medición configurables, los sistemas DMA GABO Eplexor® también son adecuados para ensayos cuasiestáticos, como los ensayos uniaxiales. En este caso, la unidad dinámica permanece desactivada. De este modo, los materiales pueden caracterizarse más allá de su comportamiento (visco)elástico hasta el punto de fractura. Dependiendo del material que se vaya a ensayar y de los requisitos de fuerza respectivos, se dispone de portamuestras mecánicos de tracción de máx. 700 N hasta máx. 5 kN (figura 2b).
El programa de ensayo "Ensayo universal", predefinido para la caracterización cuasiestática, permite realizar ensayos de tracción con un control definido del aumento de la tensión o la deformación en aproximación a las normas de ensayo como DIN EN ISO 6892-1 [2] o DIN EN ISO 527-1 [3]. En este caso, se trata de un modo de ensayo isotérmico en el que se puede aplicar un límite de fuerza o deformación como criterio de terminación. La carrera máxima de 60 mm se inicia a velocidades libremente seleccionables de hasta 150 mm/min, y el registro de la deformación de la muestra se basa en el movimiento transversal. En este contexto, debe tenerse en cuenta que -debido a la derivación de la deformación de la muestra basada en el movimiento transversal- el ensayo sólo puede realizarse de acuerdo con las normas de ensayo que prescriben un sistema de medición táctil u óptico a este respecto
Ensayo de tracción uniaxial en el DMA GABO Eplexor®
La figura 3 muestra el diagrama técnico de tensión-deformación de una lámina de material de espuma de PVC junto con los valores característicos derivados. La medición se realizó a temperatura ambiente con una velocidad de deformación del 1 %/min. La muestra corresponde a la geometría 5A según DIN EN ISO 527-2 [4] con una anchura de 4,0 mm, un espesor de 2,8 mm y una longitud de medición paralela de 20,0 mm, que primero se fresó y después se esmeriló.
Dependiendo del material a ensayar, de la velocidad de deformación y de la temperatura, varía la forma de la curva del diagrama técnico tensión-deformación. De acuerdo con la norma DIN EN ISO 527-1 [3], por ejemplo, es posible diferenciar entre cuatro tipos. La curva resultante del material de espuma de PVC puede dividirse a grandes rasgos en tres zonas. En primer lugar, está la zona casi lineal 1, que se expande hasta aproximadamente un 1,5% de deformación. A diferencia de los materiales metálicos de elasticidad lineal, los plásticos sólo presentan un rango lineal muy limitado, que cambia rápidamente a un comportamiento no lineal ya a baja deformación. De acuerdo con la norma DIN EN ISO 527-1 [3], la evaluación del módulo de tracción medido casi estáticamente en el intervalo de deformación de 0,05% a 0,25% se estipula, por tanto, mediante la determinación de la secante correspondiente o mediante regresión. En el caso de la espuma de PVC investigada, el módulo de tracciónEt, calculado por regresión, asciende a 0,3 GPa. Las posibles desviaciones del módulo de almacenamiento E' para una medición dinámico-mecánica se deben a que las mediciones dinámico-mecánicas se realizan selectivamente bajo una carga estática definida o una deformación resultante y se diferencia entre componentes puramente elásticos (E') y viscosos (E'').
En la siguiente sección dos, se produce el estiramiento del material de espuma porosa, el microdaño inicial y la deformación plástica irreversible. La tensión aumenta de forma no lineal con el incremento de la deformación. El valor máximo alcanzado por el material, σmax, es de 7,0 MPa. En la sección 3, la muestra sigue contrayéndose y se produce el fallo local del material hasta el punto de fractura. Esto se caracteriza por un alargamiento a la rotura, εb, del 20,3%.
Medición de materiales de diferentes clases de resistencia
Gracias a la posibilidad de intercambiar las células de carga de los instrumentos Eplexor® y también de escalar las dimensiones de las muestras, pueden caracterizarse materiales de diferentes clases de resistencia, como se ilustra en la figura 4. Además de la espuma de PVC ya mostrada, se presentan los resultados de una poliamida reforzada con fibra de vidrio (PA-GF) con un contenido de fibra del 30% y de un polietileno de alta DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densidad (PE-HD).
El relleno de plásticos es un procedimiento típico para mejorar las propiedades mecánicas, pero también se emplea para ajustar la conductividad eléctrica y térmica o modificar otras propiedades. Por ejemplo, la poliamida reforzada con fibra de vidrio con una resistencia a la tracción de σmax de 204,3 MPa y un módulo de tracción medio,Et, de 11,4 GPa es muchas veces más fuerte o rígida que la espuma de PVC (σmax = 7 MPa yEt = 0,3 GPa) y el polietileno (σmax = 20,8 MPa yEt = 1,0 GPa). El curso de las curvas tensión-deformación se caracteriza por un aumento casi lineal de la tensión con fractura casi inmediata a εb = 3,6%, lo que puede describirse como un comportamiento más bien frágil. Debido a las fibras de vidrio, que presentan por sí mismas una alta resistencia a la tracción (σmax > 2000 GPa) y rigidez (Et > 70 GPa) [5], el material es capaz de soportar altas tensiones. Si las fibras frágiles se rompen, se produce el fallo directo de la matriz de poliamida, menos resistente.
Junto con la medición de materiales comparativamente más resistentes, también pueden investigarse materiales con un elevado alargamiento a la rotura adaptando la longitud de medición paralela, si es necesario, no conforme a la norma. El polietileno de alta densidad (PE-HD) es un polímero termoplástico producido a partir del monómero etileno. La escasa ramificación de las cadenas poliméricas da lugar a una mayor densidad del material en comparación con los tipos de PE convencionales [6]. Teniendo en cuenta el desplazamiento máximo de 60 mm, la longitud de medición se acortó a 10 mm para medir el material. Con εb = 266,5%, el material presenta un elevado alargamiento a la rotura en relación tanto con la espuma de PVC como con la PA-GF. El curso de la curva también difiere significativamente del de los otros materiales poliméricos. Así, tras alcanzar la tensión máxima, σmax = 20,8 MPa -con un alargamiento aproximado del 8%- se produce una zona de reblandecimiento comparativamente larga hasta el punto de fractura.
Ensayos de tracción a baja y alta temperatura
En el diseño de componentes, la dependencia de las propiedades mecánicas de la temperatura es esencial para seleccionar un material adecuado. Los ensayos de tracción a temperaturas bajas y elevadas proporcionan información sobre cómo se comporta el material en diferentes entornos operativos. Por ejemplo, debe garantizarse que un componente estructural de un automóvil pueda soportar sin fallos las tensiones de su aplicación tanto a bajas temperaturas en invierno como a altas temperaturas en verano. Además de establecer una ventana de aplicación relevante, estas pruebas también aportan información importante para el procesado: por ejemplo, el rango de temperatura en el que una lámina de material se ablanda y puede moldearse mejor en caliente. En este caso, los datos sirven para generar una ventana de procesamiento.
Todos los instrumentos de la serie DMA GABO Eplexor® pueden equiparse con una cámara de temperatura y permiten -en función del sistema de refrigeración- realizar mediciones entre -160 °C y 500 °C. De este modo, los clientes que suelen realizar caracterizaciones dinámico-mecánicas con un DMA GABO Eplexor® también tienen la posibilidad de caracterizar sus materiales con ayuda de ensayos de tracción dependientes de la temperatura y, por tanto, pueden aprender mucho más sobre sus materiales que con las mediciones DMA clásicas.
La figura 5 muestra el comportamiento del material en función de la temperatura de una espuma de PVC en ensayos de tracción. Como puede observarse, la temperatura influye significativamente tanto en las propiedades mecánicas como en las características de la curva tensión-deformación. A temperaturas bajas de -100°C, el material muestra un comportamiento de fractura frágil. La muestra se comporta de forma elástica casi lineal y se rompe directamente con deformaciones inferiores al 1% tras alcanzar una tensión de aproximadamente 6 MPa. Al aumentar la temperatura a 26°C, que corresponde a la temperatura ambiente, la pendiente en el rango elástico lineal disminuye y también lo hace el módulo de tracción. Además, se hace evidente un claro rango plástico no lineal con fractura posterior. Un nuevo aumento de la temperatura hasta 40 °C provoca una disminución del módulo de tracción (que no se muestra explícitamente aquí) y una reducción de la tensión máxima alcanzable. El alargamiento a la rotura aumenta ligeramente. En el intervalo inicial de la transición vítrea a 60°C (temperatura de inicio de E' a partir de la medición DMA: 61,3°C), el alargamiento a la rotura casi se duplica (εb = 37%) y la resistencia (σmax = 3,5 MPa) se reduce a la mitad en comparación con la temperatura ambiente (εb = 20,3%; σmax = 7,0 MPa).
A 80°C -después de la transición vítrea- el material se encuentra en el llamado estado de entropía elástica. Las cadenas poliméricas pueden moverse libremente unas contra otras y el material se ablanda. En los ensayos de tracción, las tensiones se reducen a un nivel inferior a 0,3 MPa y el material puede estirarse -en el marco de las condiciones de medición- sin que se produzcan fracturas.
Resumen
Los instrumentos DMA GABO Eplexor® están especialmente diseñados para la medición de propiedades dinámico-mecánicas. Gracias a la capacidad de aplicar fuerzas estáticas de hasta 4 kN, así como a la gran flexibilidad en la definición del programa, también pueden emplearse como dispositivos para ensayos de tracción cuasiestáticos. Esto permite al usuario caracterizar sus materiales mucho más allá del rango viscoelástico lineal. Partiendo de los análisis de las características de endurecimiento y reblandecimiento, se puede obtener información sobre el comportamiento de cuarteo y fractura. Una funcionalidad importante del DMA GABO Eplexor® en este contexto es su control de temperatura de alta precisión regulado mediante la cámara de temperatura. El usuario puede determinar cómo se comportan los materiales sometidos a altas cargas tanto en el rango de baja temperatura que comienza en -160°C como a temperaturas de hasta 500°C, obteniendo así información importante sobre comparaciones de materiales, procedimientos de procesamiento y el uso posterior del componente.