Problemas con los datos a una sola temperatura, parte 3: límite de fluencia

El mes pasado ilustramos el valor de disponer de una curva de esfuerzo-deformación a la tracción en comparación con tener una hoja de datos que sólo proporciona las coordenadas de uno o dos puntos de esa curva. Este mismo principio se aplica a las curvas de esfuerzo-deformación generadas en otros modos, tales como flexión y compresión.

Pero limitemos nuestra discusión a las curvas que se generan a temperatura ambiente. Es importante que entendamos que las propiedades de los polímeros no son constantes en función de la temperatura y que cambios de temperatura relativamente pequeños pueden generar cambios significativos en las propiedades mecánicas. Con las propiedades como resistencia y el módulo, la principal preocupación está en los efectos del aumento de temperatura, ya que esta es la dirección en la que podemos esperar que decaigan estas propiedades.

Podemos seleccionar cualquier polímero para ilustrar este efecto. La figura 1 muestra una comparación del comportamiento del esfuerzo-deformación a la tracción de un copolímero de acetal a temperatura ambiente y a 80°C. En estas gráficas es evidente que incluso los datos individuales que vienen en las hojas de datos están influenciados significativamente por este aumento de temperatura. La resistencia a la fluencia y el módulo del material se reducen en aproximadamente un 40% y la deformación a la fluencia también cambia. Aunque no se muestra, si tuviéramos que ilustrar la curva completa hasta el punto de fractura, también veríamos que la elongación a la fractura aumentará con el aumento de la temperatura.

Esto es todo coherente con lo que sabemos sobre el comportamiento de los polímeros; el aumento de temperatura reduce propiedades de carga, tales como resistencia y rigidez, mientras mejora la ductilidad, que es capturada por propiedades como la resistencia al impacto y elongación a la rotura. El problema con nuestros métodos actuales de presentación de propiedades de los materiales es que no cuantificamos estos cambios para los diseñadores y los ingenieros responsables de la selección de materiales.

Existe la impresión entre algunos que agregar rellenos inorgánicos y refuerzos de fibra de vidrio elimina esta respuesta dependiente de la temperatura. La figura 2 muestra las curvas de esfuerzo-deformación a la tracción a varias temperaturas para un polipropileno con 15% de refuerzo de fibra vidrio y la figura 3 presenta datos similares para un nylon 66 con un nivel muy superior de refuerzo de 43%. En ambos casos, los aumentos de temperaturas ilustrados son relativamente pequeños y dentro del rango de temperatura donde se puede esperar que funcionen estos polímeros. Pero es muy evidente que estos cambios de temperatura producen cambios significativos en las propiedades a pesar de la presencia de la fibra de vidrio.

Incluso si las hojas de datos empezaran a publicar los marcadores tradicionales de la curva asociada con el esfuerzo y deformación últimos y en el punto de fluencia, es evidente que esto todavía es poco orientativo para los ingenieros de diseño en comparación con el acceso a la curva completa o al archivo que contiene la tabla asociada de coordenadas x-y. Los cambios de temperatura hacen más que solo alterar los números que nos hemos acostumbrado a mirar, cambian la forma fundamental de las curvas.

Hay un punto relacionado que tiene que considerarse con respecto a otra variable asociada con las pruebas de propiedades de resistencia a la tracción de los polímeros. Esto se ilustra en la figura 4. En este gráfico se ha caracterizado un polipropileno sin relleno a temperatura ambiente, utilizando tres velocidades transversales diferentes. A pesar de que la temperatura de las pruebas es constante, el cambio en la velocidad transversal produce resultados que parecen como si las pruebas se hubieran realizado a diferentes temperaturas. La velocidad transversal más rápida produce una curva esfuerzo-deformación que corresponde a una prueba a baja temperatura, mientras que las velocidades transversales más lentas muestran los efectos de temperaturas más altas. Esto ilustra la dependencia de los polímeros a la velocidad de deformación y demuestra que el cambio de la velocidad de esfuerzo y la temperatura de la prueba tiene efectos equivalentes.

Esta equivalencia de temperatura y la velocidad de deformación es un principio subyacente de la viscoelasticidad que tiene un significado práctico. Cuando los materiales son probados con el fin de publicar propiedades mecánicas, se realizarán pruebas en todos los materiales en las mismas condiciones. Este es un detalle que a menudo se pasa por alto en esta era de bases de datos electrónicos que permite una rápida creación de comparaciones directas. A menudo un examen no crítico de los valores numéricos para una propiedad determinada puede llevar a la conclusión de que un material es superior a otro cuando las diferencias publicadas son simplemente una cuestión de métodos de ensayo diferentes.

Recuerdo una conversación que tuve hace años con un representante técnico de una empresa que vendía un material que era un competidor directo de un compuesto que estábamos moldeando en volúmenes significativos. La hoja de datos para el material en cuestión presentaba una resistencia al esfuerzo en el punto de fluencia de 8800 psi y el material alternativo daba un valor de 9430 psi. Cuando le pregunté por la razón de la diferencia recibí un discurso elaborado sobre el hecho de que el nuevo material fue formulado de una manera especial que producía una estructura más cristalina. Sonaba bien, pero un análisis de los dos materiales demostró que eso no tenía sentido.

La diferencia esencial se basaba en el hecho de que el material que estábamos moldeando había sido probado a una velocidad transversal de 0.2 pulg./min, y con el nuevo material se utilizó una velocidad transversal de 2 pulg./min. Por regla general, el aumento de un orden de magnitud de la velocidad transversal de la prueba de resistencia a la tracción aumentará la resistencia en el punto de fluencia de un material en aproximadamente 7%. Esto fue casi exactamente el cambio que observamos. Esto nos ayudó a diferenciar la realidad de la ficción. Pero estas trampas están en todas partes en los datos publicados hoy, y el problema se ha agudizado más ahora que estamos presentando resultados de pruebas utilizando diferentes normas como ASTM e ISO en la misma hoja de datos.