Post on 06-Aug-2021
PropiedadesmecánicasI:
Ensayodetracción
CampsCastellanos,Pere
MontllorRamoneda,Marcel
RomeroNogués,Guillermo
VeraPalou,Agustí
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Índice
Introducción..................................................................................................................................3
Objetivos.......................................................................................................................................5
Metodologíaexperimental...........................................................................................................5
Materialesyequipo..................................................................................................................5
Procedimiento...........................................................................................................................5
Resultados.....................................................................................................................................6
Conclusiones...............................................................................................................................11
Bibliografía..................................................................................................................................12
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Introducción
Laspropiedadesdelospolímerostienenunagrandependenciaconrelaciónalatemperaturayvelocidaddedeformación.Esoesdebidoaque lospolímerospresentanuncomportamientomecánicodetipoviscoelástico,queestáoriginadoporlanaturalezamacromoleculardeestos.Las conformaciones espaciales de lasmoléculas de los polímeros experimentan relajacionescausadaspor sugranpesomolecular y la velocidaddeestasdependede la temperatura. Lavelocidad a la que se realice un ensayo influirá notoriamente en las propiedades de losmateriales plásticos. A velocidades moderadas, las moléculas pueden sufrir cambiosestructuralesysepuedenorientarenladireccióndelesfuerzoaplicado,dandocomoresultadounamayortenacidadyductilidadqueavelocidadesdeensayomásaltas.
Además, las propiedades mecánicas de los plásticos cambian rápidamente con pequeñasvariacionesenlatemperatura.
Cuando la temperaturaaumenta,seexpandegradualmenteelmaterial, loqueresultaenunaumentodel volumen libreyenundebilitamientode las fuerzasdecohesióndelmismo.Esdecir,cuandoseaumentalatemperaturalaresistenciayelmódulodisminuyenmientrasquelaelongaciónaumenta.
El estudio de propiedades mecánicas se refiere básicamente a la respuesta de un materialcuando se le aplica un estímulo mecánico externo. El ensayo que se va a realizar en estapráctica (tracción o estiramiento uniaxial) se puede obtener información sobre la rigidez,resistencia, ductilidad y tenacidad del material, determinando el módulo de elasticidad,tensióndefluenciamáxima,alargamientohastaroturaydensidaddeenergíaabsorbidaenelproceso.Parahacerlo,lamáquinamesuraráelvalordelafuerzanecesariaparacadavalordedeformación.
Posteriormente con los datos proporcionados por el monitor podremos trazar una curvadondeelejedelasXmuestraladeformacióndelmaterialyelejedelasYlatensión.
Es importante tener en cuenta que no se trabaja directamente con la fuerza medida y eldesplazamientoacumulado.Setrabajacontensiónaplicadaydeformaciónproducida.
σ=F/A
dondeAeseláreadelaseccióntransversalenladireccióndelafuerza.
4
ε= 𝒍!𝒍𝟎𝒍𝟎𝒙𝟏𝟎𝟎
dondeεesladeformaciónen%,llalongitudencadainstanteyl0lalongitudinicial.
Conlosdatosproporcionados,podremoshacerlasgráficasdetensióndeformaciónparacadatipo de polímero y cada velocidad. El módulo elástico lo calcularemos mediante unaaproximaciónderectaa lapartelinealdelgráfico.Usaremoslaregresiónlineal.Elpendientedelarectaquehallemosseráelmóduloelástico.
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Objetivos
Evaluarelcomportamientomecánicodedospolímerostermoplásticosadistintasvelocidadesytemperaturasdeensayo.
Metodologíaexperimental
MaterialesyequipoParalacorrectarealizacióndeestaprácticasenecesitaran:probetasconlaformadehalteriodelossiguientesmateriales:
-Polipropileno(PP)
-Poliestireno(PS)
Losequiposnecesariosparapoderrealizarlaprácticason:
-Máquinadeensayosuniversalesconcéluladecargade10kN
-Mordazadetracción
-Piederey
ProcedimientoEnprimerlugar,ydespuésdeescucharelseminario,utilizaremoselpiedereyparamedirelespesor,longitudyanchuradelasprobetasqueposteriormentesesometeránalosesfuerzosdetracción.Seguidamentesecolocaranlasprobetasentrelasmordazasdelamáquinadetracción.Nosaseguraremosquequedenbiensujetasyverticales.
Serealizaranuntotalde4ensayos:
1.EnsayodelPPa5mm/min
2.EnsayodelPPa200mm/min
3.EnsayodelPSa5mm/min
4.EnsayodelPSa200mm/min
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Resultados:Primerovamosadefinirlascaracterísticasnecesariasdelasprobetas:
Longitud(mm) Anchura(mm) Espesor(mm)PP 80 10,3 4,4PS 80 10,4 4,5
Ennuestrocasolasáreasserán:
ÁreaPP:45,32mm3
ÁreaPS:46,8mm3
CalcularemoselmódulodeelasticidaddeYoung,latensióndefluencia(σy),latensiónmáxima(σmax),latensiónderotura,ladeformaciónhastarotura(εr)yladensidaddeenergíaabsorbidaduranteelensayo(U).
ParacalcularelmódulodeYong,calcularemoslapendientedelarectaderegresióndelazonaelástica.
Paracalcularlatensióndefluenciavisualizaremoselpuntoenque,despuésdellímiteelástico,conpequeñasvariacionesdelatracciónlaelongaciónaumentamucho.
Tambiénvisualizaremoslatensiónderoturayladeformaciónhastarotura.
Finalmente,paracalcular ladensidaddeenergíaabsorbidahabríaqueintegrarnuestracurvadesde0hastaladeformaciónmáximaalaquesehallegado.Envezdeesto,aproximaremoslacurvaaunpolinomiode4ogradoeintegraremos.
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1. EnsayodelPPa5mm/minybajatemperatura:
Módulodeelasticidad(E):875,74MPa
Tensióndefluencia(σy):25,563MPa
Tensiónmáxima(σmax):40,779Mpa
Tensiónderotura(σr):20,37MPa
Deformaciónhastarotura(εr):0,383
Densidaddeenergíaabsorbidaduranteelensayo(U):11,7955MPa
𝑦 = −7856,5𝑥! + 10387𝑥! − 4645,5𝑥! + 738,68𝑥 + 4,4088
(−7856,5𝑥! + 10387𝑥! − 4645,5𝑥! + 738,68𝑥 + 4,4088) 𝑑𝑥!.!"!
!= 11,7955
y=-7865,5x4+10387x3-4645,5x2+738,68x+4,4088
y=875,74x+1,3131R²=0,99021
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
Tracción
(MPa
)
Deformación(%)
PPa5mm/minybajaT
ValoresSecciónrectaPolinómica(Valores)Líniadetendencia
8
1.2.EnsayodelPPatemperaturaambientea5mm/min:
Módulodeelasticidad(E):391,81Mpa
Tensióndefluencia(σy):30,081Mpa
Tensiónmáxima(σmax):33,108Mpa
Tensiónderotura(σr):Nollegaarotura.
Deformaciónhastarotura(εr):Nollegaarotura.Sefinalizaelensayoconunadeformacióndemásel100%,concretamente1,143
Densidaddeenergíaabsorbidaduranteelensayo(U):27,596Mpa
𝑦 = −336,88𝑥! + 827,56𝑥! − 658,63𝑥! + 175,94𝑥 + 16,471
(−336,88𝑥! + 827,56𝑥! − 658,63𝑥! + 175,94𝑥 + 16,471) 𝑑𝑥!,!"#
!= 27,596
y=-336,88x4+827,56x3-658,63x2+175,94x+16,471
y=391,81x+5,9293R²=0,9104
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Tensión(M
pa)
Deformación(%)
PPa5mm/min
Valores Secciónrecta Polinómica(Valores) Lineal(Secciónrecta)
9
2. EnsayodelPPa200mm/min:
Módulodeelasticidad(E):1209,3MPa
Tensióndefluencia(σy):40,602MPa
Tensiónmáxima(σmax):42,37MPa
Tensiónderotura(σr):Nollegaarotura
Deformaciónhastarotura(εr):Nollegaarotura.Sefinalizaelensayocuandoleelongaciónsuperael50%,concretamentehasta0,571.
Densidaddeenergíaabsorbidaduranteelensayo(U):17,7881Mpa
𝑦 = −3868,4𝑥! + 5653,2𝑥! − 2793,1𝑥! + 477,13𝑥 + 17,618
(−3868,4𝑥! + 5653,2𝑥! − 2793,1𝑥! + 477,13𝑥 + 17,618) 𝑑𝑥!,!"#
!= 17,7881
y=-3868,4x4+5653,2x3-2793,1x2+477,13x+17,618
y=1209,3x+2,7457R²=0,9842
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Tracción
(MPa
)
Deformación(%)
PPa200mm/min
Valores Secciónrecta Polinómica(Valores) Lineal(Secciónrecta)
10
3. EnsayodelPSa5mm/min:
Módulodeelasticidad(E):1576,5MPa
Tensióndefluencia(σy):Nopresentafluencia
Tensiónmáxima(σmax):47,541MPa
Tensiónderotura(σr):46,12MPa
Deformaciónhastarotura(εr):0,031
Densidaddeenergíaabsorbidaduranteelensayo(U):0,8049MPa
(Enestecasosóloseránecesariointegrarlarectaobtenida,puesnoexisteafluencia)
𝑦 = 1576,5𝑥 + 1,5292
1576,5𝑥 + 1,5292 𝑑𝑥 = 0,8049!.!"#
!
y=1576,5x+1,5292R²=0,9976
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035
Tracción
(MPa
)
Deformación(%)
PSa5mm/min
Valors SecciónRecta Lineal(SecciónRecta)
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4.EnsayodelPSa200mm/min
Módulodeelasticidad(E):1595,1
Tensióndefluencia(σy):Nopresentaafluencia
Tensiónmáxima(σmax):55,923MPa
Tensiónderotura(σr):55,526MPa
Deformaciónhastarotura(εr):0,037
Densidaddeenergíaabsorbidaduranteelensayo(U):1,18664Mpa
(Enestecasosóloseránecesariointegrarlarectaobtenida,puesnoexisteafluencia)
𝑦 = 1595,1𝑥 + 2,5619
1595,1𝑥 + 2,5619 𝑑𝑥 = 1,18664!.!"#
!
y=1595,1x+2,5619R²=0,9953
0
10
20
30
40
50
60
-0,001 0,004 0,009 0,014 0,019 0,024 0,029 0,034 0,039 0,044
Tracción
(MPa
)
Deformación(%)
PSa200mm/min
Serie1 Secciónrecta Lineal(Secciónrecta)
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Conclusiones:
Una vez realizadas las pruebas y analizados los gráficos de las curvas obtenidas, nos damoscuentadelanotablediferenciaquehayentreestosdospolímeros.Esagrandiferenciasedebeprincipalmentealdistintogradodecristalizaciónquepresentan.Comomáscristalizado,máspequeño es el módulo elástico. También se aprecia la diferencia que presentan suspropiedades en función de la temperatura y de la velocidad de estiramiento. Pro lo querespecta al Polipropileno: si comparamos el comportamiento que presenta a la mismavelocidad (5mm/min) pero a diferente temperatura, vemos que a cuanto más se acerca latemperaturaasuTg(-20ºC)presentaunmóduloelásticomuysuperior,esdecir,esmásrígidoy llegaarotura,mientrasqueatemperaturaambiente,nolohace.Amismascondicionesdetemperatura (Tambiente), para una velocidad más grande se alcanzan módulos elásticossuperiores,perosinllegararotura.Esopuedeocurrirpuestoquelospolímerossemicristalinospermitenundesplazamientode loscristalesendirecciónde la fuerzadetracción.Podremosconcluirqueamayorvelocidadymenortemperatura,másrigidezymenordeformación.Estoes debido a que las moléculas dentro del polímero necesitan un tiempo para recolocarsedentrodelaestructuramolecular.
Por lo que respecta al Poliestireno, sólo se ha comparado su comportamiento a diferentesvelocidades.Alserunpolímerototalmenteamorfonopresentafluenciayelmóduloelásticoesbastanteparecidoa5mm/minya200mm/min.Subajacristalinidad leotorgaunmóduloelásticomuygrandeloqueconllevatambiénamásfragilidad.
Enconclusión,vemos lagran informaciónquenosproporcionan losensayosde traccióny loimportantes que pueden ser para determinar el futuro uso que le vamos a dar al materialconcreto. También hemos podido percibir las diferencias que presentan en cuanto apropiedades los polímeros dependiendo de su grado de cristalización, la velocidad dedeformaciónylatemperaturaalaqueestaban.
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Bibliografía:
- WilliamD.Callister(2009):Introducciónalacienciaeingenieríadelosmateriales.EditorialReverté,Barcelona.
- PropiedadesmecánicasI:Ensayodetracción.Cienciadelosmateriales,ESEIAAT-UPC.Terrassa.