Fatiga En Plasticos

COMPORTAMIENTO EN FATIGA DE MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMÉRICA

Según la norma ASTM-D-883-92d [18] de la American Society for Testing and Materials, un relleno es un material relativamente inerte que se incorpora al plástico para modificar sus resistencia mecánica, estabilidad, propiedades de uso, u otras características, o para reducir su precio, mientras que un plástico reforzado es un plástico con propiedades de resistencia muy superiores a la de la resina básica (matriz), que resultan de la presencia de rellenos de alta resistencia embebidos en la composición.

En efecto, la adición de fibras a los materiales poliméricos termoplásticos introduce significativas mejoras en sus propiedades mecánicas. Los valores de rigidez y de resistencia son mucho mas altos que los correspondientes a los del polímero sin reforzar. Asimismo, la resistencia ante los fenómenos de fluencia es mayor y su estabilidad dimensional es, generalmente, mejor. También la incorporación de fibras al polímero puede, a menudo, dotarle de un beneficioso incremento de la temperatura máxima de servicio.

Estas mejoras se obtienen sin sacrificar la procesabilidad de los materiales y pueden ser empleados en máquinas de moldeo por inyección convencionales, diseñadas para los termoplásticos no reforzados. Para ello, durante el procesado de los compuestos de fibra corta o discontinua no se controla el posicionamiento del elemento reforzante por lo que su orientación no es completamente ideal. Con todo la distribución global es, generalmente, favorable y el moldeo por inyección, para este tipo de materiales, permite velocidades de producción altas, ofreciendo la posibilidad de fabricar piezas reforzadas con formas complejas para destinarlas a una gran variedad de aplicaciones.

El fallo de materiales estructurales bajo aplicaciones cíclicas de tensión o deformación es conocido como fallo por fatiga. El análisis macroscópico del comportamiento en fatiga de los materiales de naturaleza polimérica se realiza atendiendo a las metodologías establecidas para los materiales metálicos, a través de diferentes tipos de estudios mecánicos: determinación del límite de endurancia por medio de la técnica de Wöhler [20], comúnmente aceptada como curva S-N, que define la relación entre el rango de la variación de tensión y el número de ciclos hasta el fallo final, o la caracterización de las condiciones, globales o locales, de propagación de fisuras.

Las heterogeneidades inherentes en la microestructura de la mayoría de los materiales, incluso sus propios elementos reforzantes, constituyen un campo de defectos aleatorio, tanto por su geometría como por su tamaño y orientación. La aleatoriedad de los defectos influenciada por la tensión impuesta provoca un complejo proceso de crecimiento e interacción de los mismos, que, finalmente, conduce a la formación de fisuras macroscópicas. Estas fisuras propagan durante un tiempo de un modo estable hasta alcanzar unas condiciones o un estado crítico en el que el crecimiento progresa de un modo inestable o incontrolado, produciendo la rotura del material. El tiempo de vida de un componente material está compuesto, por lo tanto, de dos estados: iniciación o formación de fisuras y su posterior propagación hasta rotura.

El estudio del comportamiento en fatiga de estos materiales se debe basar en los factores propios de este tipo de solicitación, como son la frecuencia de aplicación de la carga, límites tensionales superior e inferior y forma de la onda de carga, es decir, aquéllos relacionados con la evolución en el tiempo de la solicitación, que afectan a este comportamiento. Además, debe tenerse en cuenta que la naturaleza disipativa de los polímeros establece altas histéresis mecánicas. Debido a su baja conductividad térmica una elevada proporción del trabajo mecánico realizado se convierte en calor, lo cual complica en grado elevado el análisis de la fatiga, particularmente a elevadas frecuencias. Así, el comportamiento en fluencia de estos materiales, en función de su temperatura, aporta una información importante para el conocimiento de los fenómenos de fatiga.

MECANISMOS DE FALLO POR FATIGA DE LOS MATERIALES POLIMÉRICOS

Comportamiento macroscópico

La fatiga en diversos polímeros de ingeniería fue analizada por Herman y sus colaboradores en 1990. Las muestras poliméricas ensayadas presentaron roturas debidas a fallos térmicos cuando fueron sometidas a fuertes niveles tensionales al provocar un elevado calentamiento de histéresis. Asimismo, estudios realizados por Pétrault et al en 1993 acerca del comportamiento en fatiga sobre la poliamida (PA) ponen de manifiesto un fuerte calentamiento térmico de histéresis, cuyos efectos son gobernados por la amplitud de las tensiones impuestas y por la frecuencia a la que son aplicadas. La rotura obtenida puede considerarse, por lo tanto, de origen termodinámico.

Cuando progresa el número de ciclos de carga variable aplicada sobre un material polimérico, su temperatura aumenta y se aproxima a una crítica de ablandamiento, característica de cada polímero termoplástico. En estas condiciones, que se alcanzan a partir de un determinado nivel de esfuerzos, dependiente de la frecuencia utilizada, el material se torna demasiado débil y blando, pudiendo la solicitación aplicada superar la resistencia del material y producir su rotura. Sin embargo, cuando se aplican niveles de esfuerzos inferiores, la rotura de los materiales se produce tras un proceso de propagación estable de fisuras por fatiga, no habiéndose registrado en esta ocasión elevadas temperaturas en el seno de los mismos.

Este mecanismo requiere la aplicación de grandes amplitudes de tensión en un rango particular de frecuencias. A más baja amplitud de tensiones, en la segunda vía, se observa una propagación de la fisura por fatiga convencional. Al disminuir la frecuencia de la solicitación de esfuerzos se produce una mayor tendencia a la rotura por fatiga mediante la propagación de fisura convencional aún a elevados niveles tensionales. De esta forma, cada material va a establecer unos rangos de variación de los parámetros frecuencia y amplitud de carga en los que se establecen por separado cada uno de los dos mecanismos de rotura por fatiga descritos. El efecto de ambos parámetros, amplitud de tensión y frecuencia en el tipo de rotura, para el POM (poliacetal), se muestra en la Figura 2.1 En ella se observa cómo a una frecuencia dada, por encima de una amplitud de tensiones crítica,

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