Identificación de materiales plásticos

Ciencia de Materiales (GRETA)
Propiedades mecánicas II: Ensayo de impacto y medida de dureza
Propiedades mecánicas II: Ensayo de impacto y medida de
dureza.
1.1. Ensayos de impacto.
Además de los ensayos mecánicos estáticos, que aplican al material velocidades de
solicitación bajas (del orden de mm/min) bien sea por tracción, compresión, cizalla,
flexión, etc, existen otros, denominados ensayos de impacto, en donde se aplica al
material una solicitación a alta velocidad (del orden de m/s), y que se emplean para
analizar, por lo tanto, la respuesta de los materiales frente a golpes o choques
(impactos).
En general, los plásticos son más sensibles que los metales al impacto. La influencia
de la temperatura es muy acusada, por lo que se recomienda realizar los ensayos a
diferentes temperaturas, y así poder determinar la transición dúctil-frágil del material.
En los métodos normalizados comúnmente empleados (métodos pendulares) para
materiales plásticos, las cargas a impacto se aplican normalmente por flexión, puesto
que tal configuración supone el montaje más simple. Para ello, las probetas (con o sin
entalla lateral) se apoyan por sus dos extremos (ensayo Charpy según norma DIN. Ver
Figura 1) o se sujeta por uno de ellos (ensayo Izod según norma ISO. Ver Figura 2).
Los ensayos de impacto a tracción son menos frecuentes, al igual que los ensayos de
caída de dardo.
Los resultados correspondientes a ensayos de impacto Charpy e Izod no son
comparables, debido a las diferencias en cuanto a forma de la probeta, entalla y tipo
de esfuerzo aplicado.
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E p − E p '' =∆ E =Mg ( H 0 − H f
)
m
M péndulo
= mM +  b 
 3
E p = MgH 0
Péndulo
Conservación
de energía
Ec =
M ( vimpacto )
E p '' = MgH f
Probeta
2
2
vimpacto = 2 gH 0
Nota: Ep – Energía potencial; Ec – Energía cinética; Ep’’ – Energía potencial tras el impacto;
Mpéndulo – masa total del péndulo.
Figura 1. Esquema de un ensayo de impacto pendular Izod.
Los ensayos de impacto permiten observar el comportamiento a impacto de los
materiales y cuantificar su resistencia al impacto (RI), que representa la energía por
unidad de dimensión de pieza (volumen, sección o longitud) necesaria para romper el
material (en J/m3 ó J/m2 ó J/m, respectivamente) – véase Figura 2.
Figura 2. Determinación de la resistencia al impacto para una geometría de flexión.
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Para la realización de la práctica se empleará un equipo de impacto pendular
analógico (marca CESAT) en configuración Charpy, con un martillo de energía 2J,
distancia entre apoyos 62 mm, dimensiones nominales de probeta: 80x10x4 mm3, y
entalla tipo A (45º y radio de curvatura 0,25 mm), condiciones admitidas por la norma
ISO 179-1:2000.
En el procedimiento operatorio se determinan, en primer lugar, las pérdidas por
rozamiento, para poder corregir así la energía absorbida en cada ensayo. Después se
eleva y fija el péndulo a la altura especificada. Se coloca la probeta sobre los apoyos
de manera que el martillo golpee en el centro de la probeta. Se alinean las probetas
entalladas cuidadosamente, de forma que el centro de la entalla esté situado en el
plano del impacto. Entonces se libera el péndulo, registrando la energía absorbida por
la probeta, y se aplica la corrección para las pérdidas por rozamiento. Pueden
producirse cuatro tipos distintos de roturas:
a) Rotura completa, en la cual la probeta se separa en dos o más piezas.
b) Rotura en bisagra, de forma que las dos partes de la probeta quedan unidas por
una fina lámina periférica, en forma de bisagra, sin rigidez residual.
c) Rotura parcial o incompleta, que no corresponde a la definición de rotura en bisagra.
d) Sin rotura. La probeta queda solamente torcida o deformada en los soportes, con
posibilidad de zonas o líneas blanquecinas debidas a la tensión del golpe.
La resistencia al impacto (RI) Charpy de probetas no entalladas, acU, expresada en
kilojulios por metro cuadrado (kJ/m2), se calcula como:
acU= 103Ec/hb
donde Ec es la energía corregida absorbida en la rotura de la probeta, expresada en J,
h es el espesor de la probeta y b la anchura, ambas en mm.
La resistencia al impacto (RI) Charpy de probetas con entalla de tipo A, acU, expresada
en kilojulios por metro cuadrado (kJ/m2), se calcula como:
acN= 103Ec/hbN
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donde Ec es la energía corregida absorbida en la rotura de la probeta, expresada en J,
h es el espesor de la probeta y bN la anchura remanente, ambas en mm.
Tras los resultados, se comprobará que el péndulo empleado haya desarrollado como
máximo el 80% y como mínimo el 10% de su capacidad de trabajo.
Los parámetros obtenidos en los ensayos de impacto no son valores utilizables para el
cálculo o diseño de piezas. Sin embargo, permiten diferenciar entre plásticos a tenor
de su diferente sensibilidad frente al impacto con o sin entalla. Los valores obtenidos
no guardan ninguna relación directa con otros parámetros del material; y no se pueden
extrapolar a las piezas. Con todo, estos ensayos permiten un control sencillo de la
producción en el sentido de uniformidad de transformación.
1.2. Medidas de dureza.
La dureza representa la resistencia de un material a ser deformado plásticamente de
manera localizada. Esta característica se puede determinar con facilidad generando
una huella en el material mediante el uso de un cabezal indentador que presiona con
una fuerza determinada contra la superficie de la muestra. Se puede cuantificar a
través del cociente entre la carga aplicada y la sección de la huella permanente.
En el caso particular de aplicación a los materiales plásticos, la dureza (dureza Shore)
se determina como la resistencia a la indentación basada en la profundidad de
penetración de un indentador con geometría cónica. Así, y aunque existan diversos
tipos de dureza basados en indentadores con diferente geometría (Vickers Brinell,
etc.), las escalas de dureza Shore son las más empleadas para materiales plásticos,
sean rígidos o flexibles, a temperatura ambiente (consultar norma UNE-EN ISO 868 –
“Plásticos y ebonita. Determinación de la dureza de indentación por medio de un
durómetro -dureza Shore)”.
El durómetro Shore se basa en un indentador con punta cónica. Como se muestra en
la Tabla 1, en función de las características del material, se emplean dos puntas
diferentes. Así, se define la escala Shore A para materiales más flexibles y blandos y
la escala Shore D para materiales más duros y rígidos. En dichas escalas de dureza
los valores van desde 0 (penetración total) hasta 100 (sin penetración).
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Se recomienda emplear la escala Shore D cuando los resultados de la escala Shore A
resultan en valores mayores de 90, y emplear la escala Shore A cuando los resultados
del durómetro Shore D son inferiores a 20. Valores en la escala Shore A inferiores a
10 son imprecisos y no se consideran válidos.
Tabla 1. Características del indentador para determinación de la dureza Shore
Tipo de durómetro
Tipo de material
Shore A
Materiales plásticos flexibles
Shore D
Materiales plásticos menos flexibles
Indentador
Las probetas de materiales blandos deben ser por lo menos de 6 mm de espesor,
mientras que para los duros bastan con 3 mm. Las superficies de apoyo y de las
muestras deben tener un diámetro mínimo de 35 mm, ser lisas y de caras paralelas.
La fuerza aplicada para la medición debe ser de 12,5 N en la dureza Shore A y de 50N
en la Shore D. La dureza se mide (se lee sobre la escala del micrómetro) a los 3
segundos de ser aplicada la fuerza; es decir, a los 3s de la colocación del indentador
sobre la muestra. Las durezas Shore se expresan con cifras enteras y unidades de
Shore A o D (p.e. 92 Shore D).
2. Objetivos
a) Evaluar el comportamiento mecánico a alta velocidad de deformación de dos
polímeros termoplásticos, uno amorfo y otro semicristalino, a través de ensayos de
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impacto Charpy con y sin entalla, determinando en cada caso los valores de
resistencia al impacto.
b) Determinar la dureza Shore de dichos materiales plásticos.
3. Materiales.
Probetas de polipropileno (PP) y poliestireno (PS) obtenidas por moldeo por inyección.
4. Equipos.
Péndulo de impacto analógico en configuración geométrica Charpy, con martillo de 2J.
Durómetro en configuración Shore D.
5. Desarrollo de la práctica.
a) Seminario
Breve explicación sobre los ensayos de caracterización mecánica de materiales
plásticos a altas velocidades de solicitación y de los principales parámetros de dichos
ensayos, así como del concepto de dureza.
b) Experimental (ensayo de impacto)
En primer lugar, para determinar la energía perdida por fricción, se realizará un ensayo
en blanco, liberando el péndulo desde su posición inicial y anotando el valor de la
energía absorbida. Una vez medidas las dimensiones de la probeta, ésta será
colocada correctamente sobre los apoyos. Se dejará impactar el péndulo sobre la
misma desde la posición inicial, describiendo lo que ocurre en cada ensayo y anotando
el valor de la energía absorbida en los casos de rotura. Para cada probeta se
determinará la resistencia al impacto en kJ/m2.
c) Experimental (medida de dureza)
Una vez fijado el cero de la escala del micrómetro y la masa que equivale a una fuerza
de 50N sobre el indentador, se colocará la probeta en la base del durómetro y se
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medirá la dureza en la escala Shore D a los 3s, tal como establece la norma ISO 868.
Se anotará el estado de la superficie de las probetas si estuvieran curvadas, así como
las dimensiones de la misma si fueran inferiores a lo exigido por la norma.
Actividades.
1. Los estudiantes realizarán un informe de la práctica realizada. En el apartado de
resultados de dicho informe se incluirán obligatoriamente sendas tablas con los
resultados de RI y de dureza obtenidos para cada material, así como una discusión e
interpretación de los mismos en relación con las características de los polímeros
analizados y de los métodos de ensayo aplicados.
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