Los ensayos de impacto son de gran importancia práctica en la mayoría de aplicaciones de los plásticos, los cuales condujeron al desarrollo de métodos normalizados como los ensayos Charpy e Izod y, más tarde, a la introducción de la mecánica de la fractura elástico lineal (LEFM), permitiendo obtener características de fractura independientes de la geometría de la muestra [Williams 1984]. Las aplicaciones de la mecánica de la fractura, sin embargo, tienen estrictas condiciones de tamaño, las cuales deben ser respetadas y revisadas. La validez de las condiciones de la LEFM se pueden verificar por cálculos o mediante ensayos de impacto instrumentado [Casiraghi 1988]. Además, la instrumentación de un péndulo de impacto tradicional ofrece información valiosa sobre el proceso de fractura, sobre el tipo de fractura y sobre la extensión de la deformación plástica [Casiraghi 1978]. La aceptación y uso de los ensayos de impacto instrumentado vienen incrementándose cada vez más [Bezerédi, 1997]. En la intención de dar a conocer el estado actual de esta evolución, a continuación se hace una revisión somera sobre los ensayos y técnicas de impacto utilizados en los materiales plásticos y compuestos, desde sus aspectos conceptuales hasta los más avanzados. Para una visión más amplia y profunda de este tema, véase: Martínez (1994a,b,c,d), Yee (1987), Bucknall (1992)
y Chivers (1990).
1.5.1 Ensayos de impacto
Un ensayo de impacto, según una definición heredada de las metodologías de prueba de los metales y adaptada para los materiales plásticos es: un método para determinar el comportamiento de un material sujeto a cargas de choque en flexión o tensión. Generalmente la cantidad medida es la energía absorbida en la fractura de la muestra de un solo golpe5 .
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Por tanto, y análogamente: La resistencia al impacto, es la energía requerida para fracturar una muestra sujeta a cargas de choque 5 [Martínez 1988].
Según una definición actualmente aceptada: los ensayos de impacto miden la habilidad (o capacidad) de un polímero para resistir las cargas que le son impuestas cuando es golpeado por un objeto a alta velocidad [Vicent en Freeman 1985]. Se entiende que un evento de impacto implica relativamente elevadas fuerzas de contacto entre dos cuerpos (impactor y polímero), actuando sobre una pequeña área, en un período de tiempo de muy corta duración.
Existe una gran variedad de métodos de ensayo de impacto, los que se clasifican según Turner en tres métodos básicos [Turner 1983] :
- Flexión de barras prismáticas (Izod, Charpy) - Impacto-tracción
- Flexión de discos, placas o piezas (caída de dardo).
Los ensayos de flexión de barras prismáticas consisten en someter a flexión probetas prismáticas del material en estudio. Estas probetas pueden estar simplemente apoyadas y recibir el impacto en su centro (Charpy), o pueden estar empotradas en un extremo y recibir el golpe por el otro (Izod). De todos los ensayos de impacto, los ensayos normalizados de uso más difundido y cuya aplicación es más generalizada, son los ensayos Charpy e Izod, los cuales emplean equipos del tipo pendular (figura 1.9) . Estos ensayos, al ser fundamentalmente uniaxiales, utilizan probetas normalizadas de material isotrópico, siendo ello una restricción (figura 1.10 ).
figura 1.10. Geometría y probeta de ensayos a) Charpy e b) Izod según ASTM D 256 (entalla: radio de curvatura ρ = 0.25mm y profundidad a = 2.54mm).
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En un ensayo de impacto-tracción se aplica, a una probeta diseñada para este fin (generalmente en forma de "halterio"), un esfuerzo impulsivo de tracción, es decir una fuerza de tracción (sobre la sección de la probeta) relativamente elevada en un intervalo de tiempo muy pequeño. El equipo de ensayo es un péndulo, que normalmente es el mismo utilizado para los ensayos Charpy e Izod, diferenciándose de éstos en el impactor y la base de apoyo de la probeta, diseñados de forma tal que se aplique dicho esfuerzo impulsivo de tracción sobre la probeta. Asimismo, el procedimiento de prueba -en sí mismo- es parecido al de las técnicas Charpy o Izod (figura 1.11 ).
Entre otras ventajas, mediante este ensayo se eliminan algunas variables que se presentan como limitaciones en los ensayos Charpy e Izod, como el espesor de la probeta y la sensibilidad de la entalla; obteniéndose resultados mucho más relacionados con las condiciones de rotura en servicio que en los casos Charpy e Izod. Asimismo, este tipo de ensayo permite hacer pruebas en materiales que no se podrían ensayar con las tradicionales técnicas pendulares, por ejemplo las películas y las láminas.
Respecto a los ensayos de flexión de discos, placas o piezas acabadas, el más conocido y representativo esel ensayo de caída de dardo; el cual, como su nombre lo indica, se basa en el principio físico de la caída libre de un dardo que impacta sobre una probeta ubicada en su trayectoria. Por tanto, el ensayo consiste normalmente en llevar el dardo (impactor o percutor) de masa conocida a una altura predeterminada para que, luego de dejarlo caer por gravedad, golpee la probeta con una velocidad y energía bien definidas en el momento del impacto (figura 1.12 , 1.13 y 1.14 ).
La ventaja de los ensayos del tipo flexión de discos respecto a los pendulares, en resumen, radica en que: a) por medio de este tipo de ensayo de impacto, se pueden reproducir condiciones semejantes a las reales (de servicio del producto), en tanto que los esfuerzos producidos en la probeta son multiaxiales (en comparación con los esfuerzos uniaxiales producidos por los otros métodos), siendo estas condiciones mucho más representativas a las del producto; b) este ensayo es aplicable a todos los materiales plásticos, desde las películas hasta los compuestos; y, c) finalmente, porque permiten (además de probetas) ensayar piezas enteras (figura 1.14b ).
Por otro lado, la nueva aproximación a este campo con los equipos instrumentados está permitiendo una mayor clarificación y ayudando a profundizar en los fenómenos físicos que subyacen en los ensayos de impacto.
Los equipos de impacto instrumentados llevan un "captador de fuerza" instalado en el impactor (o en las mordazas), que hace posible la obtención de una señal fuerza-tiempo (F-t), la cual se amplifica, se digitaliza en un conversor analógico y se almacena en un ordenador,
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figura 1.11. Probeta y dispositivo de apoyo para un ensayo de impacto-tracción. Tomado y modificado de [Mouzakis 1998 ].
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para luego ser procesada, representada y evaluada como una relación gráfica de la fuerza (F)
soportada por dicho impactor durante el tiempo (t) del impacto (figura 1.12 y 1.13 ).
Es muy importante destacar que, estrictamente, las fuerzas registradas son las fuerzas que actúan sobre el impactor, y que la energía calculada a partir de estas fuerzas es la energía perdida por el impactor. Por tanto, en estos equipos, es de gran importancia determinar si las fuerzas medidas en el impactor tienen una relación (igual, proporcional, etc.) con las que actúan sobre la probeta o, de otra manera, si los valores de la energía calculados a partir de las fuerzas sobre el impactor, corresponden a los valores de la energía ganada por la probeta. Además, un problema al evaluar las propiedades mecánicas por impacto -en polímeros- es que los resultados obtenidos son muy dependientes de las condiciones del ensayo, lo que hace que el valor reportado no sea una propiedad invariante del material, siendo difícil comparar resultados recogidos por procedimientos diferentes.
Parte de los inconvenientes citados se pueden resolver mediante la aplicación de la mecánica de la fractura [Broek 1982] [Williams 1984]. Uno de los objetivos de esta teoría es obtener criterios de fallo y parámetros de fractura independientes de la geometría de la probeta y del ensayo e idealmente de las condiciones de éste. Estos parámetros también se pueden obtener mediante la utilización de las técnicas y equipos de impacto de preferencia instrumentados [Platti 1975].
1.5.2 Técnicas de impacto
Las técnicas de impacto utilizadas para evaluar el comportamiento al impacto de los materiales plásticos han desarrollado -paralelamente al diseño de nuevos equipos- desde las conocidas técnicas clásicas hasta las técnicas recientes que utilizan equipos instrumentados, así como la teoría de la mecánica de la fractura. Entre éstas se tienen: las técnicas de ensayos analógicos de impacto, técnicas de impacto de baja y de alta energía, etc.
Las técnicas de ensayos analógicos de impacto, al no ser instrumentados, sólo permiten medir la energía consumida por el impactor, que golpea el objeto, durante el evento de impacto. Es decir, la resistencia al impacto del objeto se evalúa en términos energéticos. Los datos recogidos en los ensayos analógicos de impacto son una pequeña ayuda para anticiparnos al comportamiento práctico de los objetos o artículos de plástico.
En las técnicas de impacto de baja energía, la energía disponible en el impactor es -por lo general- menor que la absorbida en el proceso de rotura, posibilitando el análisis de los procesos de iniciación y propagación de grietas, así como la respuesta elástica de los materiales (ver 1.6 ).
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Con las técnicas de impacto de alta energía, que generalmente se realizan a elevadas velocidades, se pretende minimizar las pérdidas viscoelásticas y la deformación en algunos materiales en los que se precisa estudiar su comportamiento a rotura.
En los casos en los cuales no es posible alcanzar velocidades muy elevadas para una altura de un determinado equipo, por medio de la sola aceleración gravitacional, se han diseñado los “equipos de masa guiada” que aceleran el impactor por medio de sistemas mecánicos, neumáticos o hidráulicos. De esta manera, es posible el estudio de la fractura de materiales difíciles de romper (figura 1.12 y 1.13 ).
1.5.3 Modelos de impacto
En los ensayos instrumentados de impacto se generan y registran curvas de fuerza en función del tiempo que pueden ser oscilantes e incluso llegar a tomar valores negativos. Este carácter oscilante proviene de los efectos dinámicos asociados al choque.
Si la magnitud de los efectos dinámicos es pequeña se puede realizar un análisis estático o cuasiestático; pero a medida que aumenta la magnitud de los efectos dinámicos, las fuerzas y energías que actúan sobre la muestra son diferentes a las registradas y medidas sobre la cabeza del impactor y sería incorrecto aplicar el análisis estático. En este caso se debe analizar dinámicamente el fenómeno.
Actualmente existen varios modelos propuestos para las distintas condiciones de impacto: estáticos, cuasiestáticos y dinámicos.
Si el impactor siempre se mantiene en contacto con la muestra durante el impacto y si los efectos dinámicos son prácticamente nulos, se puede considerar el fenómeno como estático y analizarse como tal. En este caso las fuerzas medidas en el impactor serán las mismas que actúan sobre la probeta. Es decir, bastará con aplicar la 2º Ley de Newton al movimiento del impactor rígido de masa m , que impacta a la probeta con una fuerza F(t) y como consecuencia se mueve con una aceleración a(t) desde una velocidad de impacto vo.
La colisión de baja energía entre un impactor rígido y una probeta uniforme y elástica lineal, siempre que sea caracterizada como cuasiestática, se puede modelar reemplazando el sistema por una masa equivalente m y un resorte de constante K que represente la respuesta elástica de la probeta (figura 1.15 ). La solución de este modelo se obtiene aplicando al sistema las leyes de Newton, la conservación de la cantidad de movimiento e impulso y el primer principio de la termodinámica (ver: 4.4.1 ).
Si la magnitud de los efectos dinámicos producidos en el impacto es considerable, este fenómeno se debe analizar dinámicamente.
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figura 1.13. Esquema de un equipo neumático instrumentado de impacto por caída de dardo.
a b
figura 1.14. Detalle de a) el dardo en posición de ensayo y b) una pieza a ensayar en la cámara de acondicionamiento de un equipo instrumentado de impacto por caída de dardo.
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Un modelo muy valioso, en tanto que analiza la influencia de los efectos dinámicos y las variables que rigen la dinámica del proceso de impacto en geometría Charpy, es el propuesto por Williams (1984 y 1987) y Williams y Adams (1987), que más tarde se ha aplicado a otros ensayos [Dutton 1991] y [Mills 1989].
En este modelo, la probeta Charpy entallada se representa como un resorte de rigidez k2 y
masa equivalente m en serie con otro resorte k1 que modela la rigidez del contacto entre el
impactor y la probeta (factor importante que controla la dinámica del sistema) (figura 1.16 ).
Williams asume que la mayoría de vigas poliméricas tienen el mismo coeficiente de restitución, igual a 0.5 . Ahora, la colisión entre un impactor y una viga polimérica es un proceso inelástico, y el coeficiente de restitución puede variar. Entonces la energía total de los dos cuerpos no se conserva (a diferencia de lo asumido por Williams ), pero el momentum si es conservado. Un modelo que represente tanto la rigidez que ofrece la muestra como la rigidez de contacto en polímeros, que sea tan realístico como posible, debería tener las características del modelo propuesto por Mills y Zhang (1989); el cual difiere del modelo de Williams en dos amortiguadores n1 y n2 en paralelo a los resortes no lineales k1 y k2 que representan la
rigidez de contacto entre el impactor y la muestra, y la rigidez a la flexión de la muestra respectivamente. La justificación es que existe histéresis en la colisión entre el impactor y la muestra, y las vibraciones son amortiguadas ( figura 1.17 ).
m K F(t) IMPACTOR PROBETA
F
v
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