Termofuencia Termofuencia en polímeros polímeros
Termofluencia en polímeros Alarcón Pérez, Dayana Lilianee Alemán Castro, Luis Carlos Rivas Bolaos, !tep"anie Rivas Cárcamo, Cárcamo, #uan Carlos Carlos San Salvador, Universidad Centroamericana Centroamericana “José Simeón Cañas”, El Salvador.
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Res Resume umen: La ter termofl moflue uenc ncia ia es un tipo tipo de defo deform rmac acin in !ue !ue se da en los pol" pol"me mero ros, s, al ser ser someti sometidos dos durant durantee lar#os lar#os periodo periodoss de tiempo tiempo a esfuer$os esfuer$os constantes, constantes, % a ciertas ciertas temperatur temperaturas. as. La termofluencia es un estudio de los materiales !ue me a%uda a sa&er como un material puede fallar al ser deformado por esfuer$os constantes % consec consecuen uentem tement entee sa&er sa&er si los materi materiale aless al ser ser sometidos a estos esfuer$os me puede provocar una ruptura.
Pala$ras claves% Termofluencia, temperatura &e fusión, rela'ación &e esfuerzos, limite &e (rano) '.
'ntroduccin
*n el prese present ntee tra$ tra$a' a'oo se &esa &esarr rrol olla la el tema tema &e termoflue termofluencia ncia en un polímero) polímero) La termoflue termofluencia ncia se &a cuan&o un material material es someti&o a temperaturas &urante un lar(o perio&o &e tiempo y con un esfuerzo constante) *l e+perimento ue se llevo a ca$o para compro$ar el concepto &e termofluencia, fue someter pa'illas &urante un mes a esfuerzos constantes mi&ien&o &iariamente la &eformación ue sufría la pa'illa ca&a &ía) Para está prue$a las pa'illas esta$an someti&as a pesos &e - litro, -). litros, /). litros y - (alón) ''.
A.
(arco terico
¿
CITATION Kal 08 [ 1 ] ) *n un material material a temperatur temperaturaa am$iente am$iente un esfuerzo esfuerzo apli aplica ca&o &o meno menorr a
σ y no pro&uc pro&ucee &eform &eformaci ación ón
plástica) !in em$ar(o, si la temperatura &el metal se increm increment entaa es posi$l posi$lee ue comien comience ce a &eform &eformars arsee plásticamente plásticamente aun cuan&o los esfuerzos aplica&os sean $a'os) *stá &eformación plástica &epen&e &e la temperatura y &el tiempo ue la fuerza esté aplica&a 0/1) La &islo &isloca caci ción ón no se muev muevee so$r so$ree un plano plano &e &eslizamiento como el caso &e la &e la &eformación plástica causa&a por una fuerza mayor ue
σ y,
sino sino ue se muev muevee perpe perpen& n&ic icul ular ar a su plan planoo &e &esliz &eslizami amient ento) o) *l ue la &isloc &islocaci ación ón se mueva mueva,, se tra&uce en ue el material se &eforma plásticamente) La termof rmoflu lueenci ncia es un fenó fenóm meno ue ue &epe &epen& n&ee si(nificativamente si(nificativamente &e la &ifusión 0/1) De$i&o a ue la termof De$i&o termoflue luenci nciaa es activa activa&a &a por la &ifusión respon&e a la ecuación &e Arr"enius%
Termofluencia Termofluencia
La termofluencia es la &eformación &e tipo plástico ue pue&e sufrir un material cuan&o se somete a temperatura eleva&as y &urante un lar(o perio&o &e tiempo aun cuan&o la tensión o esfuerzo aplica&o sea
σ < σ Y
meno menorr ue su coef coefic icie ient ntee &e flue fluenc ncia ia
n
( ) −
Q C
Rapi&ez &e termofluencia% C σ exp RT
La rapi&ez &e termofluencia se &a &urante la tercera etapa etapa &e termof termoflue luenci ncia, a, en esta esta etapa etapa comien comienza za la form formac ació iónn &e cuel cuello lo,, aume aument ntaa el esfu esfuer erzo zo y el espécimen se &eforma con una rapi&ez acelera&a, "asta ue se presenta la falla)
Termofuencia en polímeros constantes &el material 021) m
Tiempo &e ruptura% K σ
exp
( ) QC
RT
*l tiempo necesario para ue se presente la falla es el tiempo &e ruptura) *l tiempo &e ruptura se re&uce a mayor esfuerzo o a mayor temperatura 021) Don&e C, 3, m, n son propie&a&es &el material) Para la o$tención &e la curva característica &e termofluencia se e+perimenta con una muestra &e tensión someti&a a una car(a constante suficiente para (enerar una &eformación &e termofluencia 4fi(ura -5 021)
temperatura tam$ién conoci&o como flu'o &ifusivo) 6inalmente en la tercera etapa se presenta un aumento e+ponencial en la ri(i&ez &e la termofluencia "asta la fractura, &on&e los cam$ios en la microestructura promueven una mayor &eformación con menor en&urecimiento por &eformación) !e forma así el cuello y ocurre un &ao en los límites &el (rano ue consiste en la formación &e cavi&a&es ue al crecer provocan la fractura &el material 021) La forma &e la curva &e termofluencia &epen&e &e la car(a aplica&a y &e la temperatura) *sfuerzos y temperaturas eleva&as aumentan la ri(i&ez &e termofluencia) A temperaturas inferiores a 8)9 Tm 4temperatura &e fusión5 y $a'os esfuerzos los materiales los materiales presentan fati(a primaria pero prácticamente nin(una secun&aria ya ue la temperatura es &emasia&o $a'a para la recuperación &e la temperatura &isfuncional 021) B.
Termofluencia or dislocación
Los mecanismos &e &eformación en termofluencia &epen&en principalmente &e la temperatura% a temperaturas relativamente $a'as 48)/ a 8)2 Tm5 pre&ominan los mecanismos &e &eslizamiento pero a temperaturas mayores 48). a 8): Tm5 pre&ominan los mecanismos $asa&os en la &ifusión y el &eslizamiento &e los límites &e (rano 021) •
6i() -% Curva i&eal &e termofluencia
Con ello se o$tiene un cam$io &e lon(itu& &e la muestra frente a incrementos &e tiempo, (eneran&o así la curva &e termofluencia) *n la curva &e termofluencia primero se pro&uce una rápi&a e instantánea elon(ación 4fi(ura -5) !e(ui&amente pasa la primera etapa &on&e el metal se en&urece por &eformación para soportar la car(a aplica&a y la rapi&ez &e la fluencia &ecrece con el tiempo a me&i&a ue el en&urecimiento por &eformación se "ace ca&a vez más eleva&o) Después tiene lu(ar una se(un&a etapa &on&e la rapi&ez &e termofluencia se mantiene constante como resulta&o &el euili$rio alcanza&o entre los mecanismos &e (eneración &e &islocaciones y vacancias, y los mecanismos &e aniuilación &e &islocaciones) La termofluencia secun&aria es la etapa más importante ya ue en ella ocurre la mayor parte &e la &eformación a alta temperatura el mecanismo &e &eformación en la etapa 77 se conoce como flu'o &e la &eformación a alta
Termofluencia por &islocaciones
Cuan&o una &islocación se mueve &entro &e un cristal, &e$e vencer la resistencia &e la re& y pasar los o$stáculos ue encuentre en el camino, tales o$stáculos frenan o anclan las &islocaciones impi&ien&o su avance, sin em$ar(o a alta temperatura la activación térmica ayu&a a pasar los o$stáculos me&iante un proceso &e ascenso &e &islocaciones 4fi(ura /5 021)
6i() /% Ascenso &e vacancias Cuan&o una &islocación $rinca un o$stáculo por ascenso el &eslizamiento pue&e continuar "asta encontrar otro o$stáculo y el proceso se repite
Termofuencia en polímeros continuamente, así la &eformación por &islocación en termofluencia es una com$inación &e ascenso y &eslizamiento 4fi(ura 25 021)
6i() 2% ;ovimiento &e ascenso y &eslizamiento •
Termofluencia por flu'o &ifusivo
formación &e cuello y un relieve superficial 4fi(ura .5 021)
6i() .% 6ractura inter(ranular ".
La auto&ifusión en el interior &e los (ranos pue&e pro&ucir flu'o plástico) !i se lleva el material &es&e los límites &e (rano someti&os a un esfuerzo &e compresión neto a los límites &e (rano 4fi(ura 95 &on&e "ay un esfuerzo &e tensión neto 021)
• • • •
#rocesos involucrados termofluencia
en la
falla or
Deslizamiento &e límite &e (rano) Cavitación &e los límites &e (rano) 6ormación &e su$(ranos) 6lu'o &ifusivo 021)
La fractura inter(ranular ocurre por la nucleación, crecimiento e intercone+ión &e cavi&a&es, o$e&ecien&o a tres mecanismos fun&amentales% • •
•
E.
6i() 9% 6lu'o &ifusivo !e consi&era a los límites &e (rano tanto como orí(enes como colectores para lu(ares vacantes y la veloci&a& &e &eformación &e termofluencia &e$erá &e ser &epen&iente &el tamao &e (rano &el material) A&emás éste flu'o plástico solo &e$e &e ser importante a temperaturas eleva&as y $a'o esfuerzos muy peueos 021) C.
!ractura en termofluencia
La fractura por termofluencia es &e tipo inter(ranular y presenta un aspecto (ranuloso, (ranos con peueos cráteres ue son cavi&a&es separa&as) *l mo&o &e fractura inter(ranular con frecuencia provoca ue la fractura ocurra sin cam$io aparente en las &imensiones &e la pieza confun&ien&o la fractura por termofluencia con la fractura por fra(ilización, sin em$ar(o las fracturas presentan cierta &eformación plástica,
Deslizamiento &e los límites &e (rano) 6lu'o y con&ensación &e vacancias en límite &e (rano) La termofluencia alre&e&or &el material 021) Ensa$o de termofluencia
!e somete a un material a esfuerzos a+iales a una temperatura específica y se va mi&ien&o la &eformación y los cam$ios &e &eformación ue este material presenta) Las curvas pro&uci&as en el ensayo &e termofluencia muestran etapas primarias, secun&arias y terciarias) La evaluación termina cuan&o el material presenta una &eformación la cual pue&e provocar posteriormente la fractura 091) !.
%ela&ación de esfuer'os
Re&ucción &el esfuerzo &e un material someti&o a una &eformación constante prolon(a&a a una temperatura constante) *l comportamiento &e la rela'ación &e esfuerzos se &etermina por el ensayo &e fluencia 0.1 '''.
(.
(ateriales % ()todos )ateriales •
: pa'illas)
Termofuencia en polímeros •
•
•
*.
: recipientes &e &iferentes capaci&a&es) *lementos para la unión 4cinta aislante5) Recipiente &e me&ición
)étodos
6i() =) ;onta'e &el e+perimento
'*.
Resultados % discusin
Para el peso &e -L euivalente a ->(
Para la realización &el e+perimento &e termofluencia primero se proce&ió a llenar las $otellas &e las capaci&a&es &e% - litro, -). litros, /). litros y un (alón con a(ua) Después &e tenerlas llenas se proce&ió a pe(arle &os pa'illas a ca&a $otella sostenién&olas con cinta aislante para ue estas pu&ieran resistir el peso al ue esta$an someti&as)
Ta$la -) Bitácora para el peso &e ->(
0.1200 0.1000 6i() ).) ;onta'e &el *+perimento
(x) = - 0x2 ! 0.01x ! 0 #ol$nomial (pa"illa 1) 0.0800pa"illa 1 0.0600 0.0400 pa"illa 2 0.0200 0.0000 0
5
10
15
20
25
30
35
6i() ?) @ráfica tiempo versus &eformación unitaria para -).>(
Termofuencia en polímeros Para el peso -).L euivalente a -). >(
Ta$la 2) Bitácora para el peso &e /).>( Ta$la /) Bitácora para el peso &e -).>(
0.3000 0.2500
0.1400 1 ! 0.01x ! 0.02 (x) =pa"illa - 0x2 (x) = - 0x2 ! 0.01x ! 0.02 #ol$nomial (pa"illa 1)
0.1200 0.1000
0.2000
0.0400 0.0200 0.0000 0
pa"illa 1
0.1500
pa"illa 2
#ol$nomial (pa"illa 1)
0.1000
pa"illa 2
#ol$nomial (pa"illa 2)
0.0500
0.0800 0.0600
(x) = - 0x2 ! 0.02x ! 0.03
#ol$nomial (pa"illa 2) 5 10 15 20 25
0.0000 30
6i():) @ráfica tiempo versus &eformación unitaria para -).>( Para el peso &e /).L euivalente a /).>()
3
0 10 20 30 40
6i() ) @ráfica &e tiempo versus &eformación unitaria para el peso &e /). >()
Termofuencia en polímeros Para el peso &e - (alón euivalente a 2)? >()
6i() -8) Pa'illas someti&as a un peso -). >()
6i() Pa'illa someti&a a 2)? >() !e pue&e o$servar &e manera clara ue en to&as las pa'illas la mayor &eformación se &io &urante los primeros &ías) A partir &e los primeros -8 &ías la veloci&a& &e &eformación &isminuyo)
Ta$la 9) Bitácora para el peso &e 2)? >()
0.4000 0.3500
(x) = - 0x2 ! 0.02x ! 0.1
0.3000 0.2500
pa"illa 1
0.2000
#ol$nomial (pa"illa 1)
0.1500
La fi(ura -, muestra una (ráfica &eformación versus tiempo, al compararla con las (ráficas o$teni&as se pue&e apreciar una &iferencia nota$le) *n las (ráficas o$teni&as no es posi$le &iferenciar las tres etapas tal y como se muestra en la (ráfica &e la fi(ura Las pa'illas ue presentaron una mayor &eformación son las ue fueron someti&as al peso &e 2)?>( y las ue presentaron una menor &eformación son las ue se sometieron al peso &e ->(,
pa"illa 2
0.1000
*.
0.0500
•
0.0000 0
10 20 30 40
6i() :) @rafica &e tiempo versus &eformación unitaria para el peso &e 2)? >()
+onclusiones
La termofluencia es el proceso me&iante el cual un material es someti&o a esfuerzo constate y temperaturas eleva&as &urante un perio&o &e tiempo &etermina&o esto se pue&e compro$ar al realizar el e+perimento &e las pa'illas ya ue estas al ser someti&as &urante un mes a un esfuerzo constante se i$an &eforman&o plásticamente (eneran&o un alar(amiento &e las pa'illas ue &a$a a conocer como se &eforma$a ca&a una &e ellas)
Termofuencia en polímeros •
•
•
*'.
0-1
Al realizar un ensayo &e tracción a &os pro$etas en este caso pa'illas, los resulta&os o$teni&os &iferirán un poco, lo ue in&ica ue a pesar ue son &el mismo material su comportamiento no necesariamente es i(ual, será muy similar pero nunca será i(ual, por lo ue siempre es necesario realizar para un mismo material varios ensayos) Pues en el caso &e los polímeros su composición no es uniforme y a pesar &e ser &el mismo material &ifieren un poco) La &eformación &e las pa'illas no se &io &e una manera perfectamente uniforme, como se pue&e apreciar en las (ráficas) *sto se &e$e a los cam$ios &e temperatura ue se &ieron &urante el e+perimento, pues el calor unos &ías fue más intenso ue otros, La temperatura es un factor ue 'ue(a un papel importante en la &eformación, porue los materiales tien&en a &eformarse &e manera más fácil a mayores temperaturas) La &iferencia entre las (ráficas o$teni&as y la (ráfica mostra&a en la fi(ura -) La &iferencia ra&ica mayormente en la estructura cristalina, en los polímeros es &esor&ena&a, mientras ue en otras materiales como los metales la estructura cristalina es muy or&ena&a, por esa razón su comportamiento &ifiere y por en&e lo "arán tam$ién sus (ráficas) i&lio#raf"a
3alpa>''ian,
&e
)anufactura,in+eniera $ tecnolo+a, Pearson
*&ucation, /88:) 0/1
niversi&a& Centroamericana #osé !imeón Caas, 0*n línea1) Availa$le% EEE)uca)e&u)sv) 0Fltimo acceso% /- #unio /8-91)
021
7nstituto politecnico nacional, ;ayo /88) 0*n línea1) Availa$le% EEE)itzamna)$nct)ipn)m+) 0Fltimo acceso% /- #unio /8-91)
091
*nsayo &e Termofluencia, 0*n línea1) Availa$le% EEE)itescam)e&u)m+) 0Fltimo acceso% /- #unio /8-91)
0.1
Comportamiento &e rela'acion &e esfuerzos, 0*n línea1) Availa$le% EEE)con(reso)pucp)e&u)pe ) 0Fltimo acceso% /- #unio /8-91)
