1
UNIVERSIDAD CATOLICA DE SANTA MARIA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENERIA FISICAS Y FORMALES
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA INDUSTRIAL CURSO:
Ciencia e ingeniería de materiales TEMA:
Ensayo de dureza y tracción para plásticos PROFESOR:
Ing. Jean Carlos Díaz Saravia ALUMNO:
Olenka Cristina Mamani Zarate AREQUIPA_PERU 2017
2
INDICE ENSAYO DE DUREZA ..........................................................................................................3 1.
Introducción .................................................................................................................. 3
2.
Objetivos generales ....................................................................................................... 3
3.
Objetivos específicos ..................................................................................................... 3
4.
Marco teórico ................................................................................................................3
5.
Procedimiento ................................................................................................................5
6.
Toma de datos ...............................................................................................................6
7.
Análisis de datos ............................................................................................................ 6
8.
Conclusiones .................................................................................................................. 6
9.
Recomendaciones .......................................................................................................... 6
ENSAYO DE TRACCION ...................................................................................................... 7 1.
Introducción .................................................................................................................. 7
2.
Objetivo general ............................................................................................................ 7
3.
Objetivo especifico ........................................................................................................ 7
4.
Marco teórico ................................................................................................................7
5.
Procedimiento ..............................................................................................................11
6.
Toma de datos .............................................................................................................11
7.
Análisis de datos .......................................................................................................... 12
8.
Conclusiones ................................................................................................................ 12
9.
Recomendaciones ........................................................................................................ 12
Bibliografía ............................................................................................................................. 14
3
ENSAYO DE DUREZA 1. Introducción
Para hallar la dureza que tiene el plástico se aplicara un método en especial que se trabaja a presión llamado ensayo de dureza Shore lo cual se utilizaran las escalas “A” y “D” para plásticos blandos y duros, este ensayo es de gran importancia ya que sus durómetros serán únicamente para los plásticos y se les debe aplicar de manera correcta para así dar números exactos de su dureza ya que nos servirá para saber con qué tipo de material se hará nuestro producto y que calidad ofreceremos. 2. Objetivos generales
Identificar la relación entre dureza Shore A y Shore D, con otras escalas o métodos de dureza.
3. Objetivos específicos
Determinar la dureza de los diferentes tipos de materiales poliméricos existentes.
4. Marco teórico Dureza Shore A y D
Con este procedimiento se mide con qué profundidad un cuerpo penetra dentro de un material. El indentador se somete a una carga a través de un muelle con unas características predefinidas. Cuanto más grande la dureza del material a ensayar, menor la profundidad de penetración y mayor la carga aplicada. Según la variación de las diferentes formas del indentador y las características de los muelles, hules, plásticos se establecen una serie de escalas Shore diferentes. Las escalas más conocidas son Shore A y D. El método Shore A se aplica a plásticos blandos, por ejemplo PVC plastificado, dureza de caucho natural, elastómeros y plásticos suaves, polietilenos. El método Shore D se emplea para plásticos más duros: elastómeros duros, plásticos, caucho duro, ebonita y otros. La dureza Shore se expresa en unidades de Shore A o D. Son posibles diferencias de 2-3 unidades Shore. Es muy importante realizar la medida siempre al mismo tiempo, 3 o 15 s
4
El sistema de indicación depresión constante asegura la presión uniforme de la prueba que elimina las lecturas falsas debido a las diferencias entre los operadores. La superficie de apoyo y de la muestra deberán ser lisas y de caras paralelas. El durómetro se coloca sobre la muestra con paralelismo de caras con ayuda de un dispositivo apropiado. La presión aplicada por estos aparatos es de 12,5 N en la Shore A y de 50 N en la Shore D. Los especímenes deben tener un espesor mínimo de 6 mm y deben prepararse con el mismo compuesto de los artículos terminados y vulcanizados a las condiciones establecidas por el fabricante; las dimensiones de éstos deben ser suficientes para permitir efectuar las mediciones permitiendo apilar tres piezas o placas de 2 mm de espesor. La superficie del espécimen debe ser plana
5
5. Procedimiento
1. Montar el durómetro en su base 2. Colocar la probeta sobre la base metálica, permitiendo que el durómetro baje libremente y la aguja indentadora esté en contacto con la probeta.
3. La aguja de color rojo después de cada lectura ser á colocado a cero.
4. Bajar la palanca durante 15 segundos y anotar el valor de la dureza que da.
5. Repetir cuatro veces en lugares diferentes a una distancia de 6mm de cada indentacion por cada probeta.
6
6. Calcular la media aritmética de las lecturas obtenidas. 7. Registrar este valor como la dureza de la probeta. 6. Toma de datos
Polimero Escala Shore PEBD
A
PS
Identaciones 1º
2º
3º
4º
62
59
62
62
22,5
18
18,5
17,5
7. Análisis de datos
Polimero Escala Shore PEBD PS PET PEAD PP PVC
A
D
1º 62 22,5 67,9 35,1 54 46
Identaciones 2º 3º 59 62 18 18,5 57 67,4 49 54,3 62 66 49,9 49,1
4º 62 17,5 65,9 54,2 58 48,2
Dureza final promedio
61,3
19,1
64,6 48,2 60 48,3
8. Conclusiones
Para medir la dureza de los polímeros blandos se utiliza la escala “A” por ejemplo para el PS que vendría hacer un polímero muy blando ya que su dureza es de 19.1 a comparación del PEBD que tiene mayor dureza de 61.3. Para medir la dureza de los polímeros duros se utiliza la escala “D” por ejemplo pa ra el PEAD tiene una menor dureza de 48.2 a diferencia de los demás como el PET que posee la mayor dureza de todos con 64.6.
9. Recomendaciones
Se recomienda tomar en cuenta cuál de los durómetros se debe utilizar para medir la dureza de los plásticos blandos y duros y que solo son para uso especia l como los plásticos y no como los metales ya que al hacer una prueba con este malograra la quina e inclusive lo romperá. De cada prueba que se hace se debe colocar la aguja roja en el punto cero y en dirección anti horaria puesto que si fuera de lo c ontrario nunca dará la medición y se mantendrá en cero. Cada indentacion que se haga en la probeta debe tener una distanci a moderada ya que si la aguja indentadora deja una indentacion sobre otra dará resultado erróneos.
7
ENSAYO DE TRACCION 1. Introducción
Este ensayo es muy característico su aplicación donde se somete un esfuerzo y velocidad determinada ya que nos permitirá que tan dúctil, tenaz o frágil que es este material y poder intuir que tanto de plastificante posee cada material ya que esto lo hace más tenas y a su vez es de gran importancia saber estas características mecánicas ya que los polímeros son de uso comercial e industrial. 2. Objetivo general
Realizar ensayos de caracterización mecánica a materiales plásticos de uso comercial e industrial.
3. Objetivo especifico
Determinar aspectos importantes de la resistencia y alargamiento de los materiales plásticos, que pueden servir para el control de calidad, especificaciones de materiales y cálculo de piezas sometidas a esfuerzos
4. Marco teórico Resistencia
Un polímero tiene resistencia tensil si soporta cargas axiales que tienden a alargarlo. La resistencia tensil es importante para un material que va a ser extendido o va a estar bajo tensión. Las fibras necesitan tener buena resistencia tensil. Luego está la resistencia a la compresión. Un polímero tendrá resistencia a la compresión si soporta cargas axiales que tienden a compactarlo. También está la resistencia a la flexión. Un polímero tiene resistencia a la flexión si es capaz de soportar cargas que provoquen momentos flectores en su sección transversal. Para medir la resistencia tensil de una muestra polimérica, tomamos la muestra y tratamos de estirarla, generalmente la estiramos con una máquina tipo prensa. Esta máquina simplemente sujeta cada extremo de la muestra y luego procede a estirarla. Mientras dura el estiramiento de la muestra, va midiendo la fuerza (F ó P) que está ejerciendo. Cuando conocemos la fuerza que se está ejerciendo sobre la muestra, dividimos ese número por el área (A ó F) de la muestra. El resultado es la tensión que está experimentando la muestra:
F A
= Tensión(σ) ó
P A
= Tensión (σ)
Luego, usando nuestra máquina, seguimos incrementando la fuerza, y obviamente la tensión, sobre la muestra hasta que ésta se rompe. La tensión requerida para romper la muestra representa la resistencia tensil del material. En todos los casos, la resistencia es la tensión necesaria para romper la muestra.En el sistema Internacional de Unidades las Tensiones se expresan en MPa = N/mm2
8
Elongación
La elongación es un tipo de deformación. La deformación es simplemente el cambio en la forma que experimenta cualquier cosa bajo tensión. Cuando hablamos de tensión, la muestra se deforma por estiramiento, volviéndose más larga. Obviamente llamamos a esto elongación.
100 = % ó
Existen muchas cosas relacionadas con la elongación, que dependen del tipo de material que se está estudiando. Dos mediciones importantes son la elongación final y la elongación elástica. Módulo
Los elastómeros deben exhibir una alta elongación elástica . Pero para algunos otros tipos de materiales, como los plásticos, por lo general es mejor que no se estiren o deformen tan fácilmente. Si queremos conocer cuánto un material resiste la deformación, medimos algo llamado módulo. Para medir el módulo tensil (o a la tracción), hacemos lo mismo que para medir la resistencia y la elongación final. Esta vez medimos la resistencia que estamos ejerciendo sobre el material, tal como procedimos con la resistencia tensil. Incrementamos lentamente la tensión y medimos la elongación que experimenta la muestra en cada nivel de tensión, hasta que finalmente se rompe. Luego graficamos la t ensión versus elongación, de este modo:
Este gráfico se denomina curva de tensión-estiramiento. (Estiramiento es todo tipo de deformación, incluyendo la elongación. Elongación es el término que usamos cuando hablamos específicamente de estiramiento tensil). La altura de la curva cuando la muestra se rompe, representa obviamente la resistencia tensil, y la pendiente representa el módulo tensil. Si la pendiente es pronunciada, la muestra tiene un alto módulo tensil, lo cual significa que es resistente a la deformación. Si es suave, la muestra posee bajo módulo tensil y por lo tanto puede ser deformada con facilidad. Hay ocasiones en que la curva tensión-estiramient o no es una recta, como vimos arriba. Para algunos polímeros, especialmente plásticos flexibles, obtenemos curvas extr añas, como ésta:
9
A medida que la tensión se incrementa, la pendiente, es decir el módulo, no es constante, sino que va experimentando cambios con la tensión. En casos como éste, generalmente tomamos como módulo la pendiente inicial, como puede verse en la curva de arriba. En general, las fibras poseen los
módulos tensiles más altos, y los elastómeros los más bajos, mientras que los plásticos exhiben módulos tensiles intermedios. El módulo se mide calculando la tensión y dividiéndola por la elongación. Pero dado que la elongación es adimensional, no tiene unidades por cual dividirlas. Por lo tanto el módulo es expresado en las mismas unidades que la resistencia, es decir, en N/cm2 o en MPa.
Resistencia x Deformacion ≈ Fuerza x Distancia = Energía Lo importante es saber que justamente, dado que un material es resistente, no necesariamente tiene que ser tenaz. Esta situación se ilustra mejor gráficamente. Observemos el gráfico de abajo, que tiene tres curvas, una en azul, otra en rojo y otra en r osa.
La curva en azul (1) representa la relación tensión-elongación de una muestra que es resistente, pero no tenaz. Como puede verse, debe emplearse mucha fuerz a para romperla, pero no mucha energía, debido a que el área bajo la curva es pequeña. Asimismo, esta muestra no se estirará demasiado antes de romperse. Los materiales de este tipo, que son resistentes, pero no se deforman demasiado antes de la ruptura, se denominan frágiles. Por otra parte, la curva en rojo (2) representa la relación tensión- elongación para una muestra que es tenaz y resistente. Este material no es tan resistente como el de la curva en azul (1), pero su área bajo la curva es mucho mayor, por lo tanto puede absorber mucha más energía.
10
La deformación permite que la muestra pueda disipar energía. Si una muestra no puede deformarse, la energía no será disipada y por lo tanto se romperá.. Al observar detenidamente las curvas de la figura anterior: la muestra (1) tiene mucho mayor módulo que la muestra (2). Si bien es deseable que para muchas aplicaciones los materiales posean elevados módulos y resistencia a la deformación, en el mundo real es mucho mejor que un material pueda doblarse antes que romperse y si el hecho de flexionarse, alargarse o deformarse de algún modo impide que el material se rompa, tanto mejor. Propiedades Mecánicas de los Polímeros Reales
Hasta el momento se ha estado tratando el comportamiento mecánico de los polímeros de forma abstracta, de modo que ahora sería una buena idea exponer cómo se manifiesta este comportamiento en los polímeros reales, es decir, cuáles de ellos polímeros son resistentes, cuáles tenaces y así sucesivamente. Por esa razón en el gráfico de la figura siguiente se comparan las curvas típicas tensiónalargamiento para diferentes clases de polímeros. Puede verse en la curva (1), que plásticos rígidos como el poliestireno, el polimetilmetacrilato o los policarbonatos pueden soportar una gran tensión, pero no demasiada elongación antes de su ruptura; no hay cas i área bajo la curva. Entonces se dice que estos materiales son resistentes, pero no muy tenaces. Además, la pendiente de la recta es muy pronunciada, lo que significa que debe ejercerse una considerable fuerza para deformar un plástico rígido; de modo que resulta sencillo comprobar que los plásticos rígidos tienen módulos elevados.
Los plásticos flexibles (3), como el polietileno y el polipropileno difieren de los plásticos rígidos en el sentido que no soportan tan bien la deformación, pero tampoco tienden a la ruptura. El módulo inicial es elevado, o sea que resisten por un tiempo la deformación, pero si se ejerce demasiada tensión sobre un plástico flexible, finalmente se deformará, es decir, los plásticos flexibles pueden no ser tan resistentes como los rígidos, pero son mucho más tenaces. Es posible alterar el comportamiento tensión-alargamiento de un plástico con la adición de plastificantes. Por ejemplo, sin plastificantes, el policloruro de vinilo, o PVC, es un plástico rígido, que se emplea en la fabricación de tuberías de agua. Pero con plastificantes, el PVC
11
puede ser lo suficientemente flexible como para fabricar juguetes inflables para piletas de natación. Las fibras como el KEVLAR, la fibra de carbono y el n ylon tienden a exhibir curvas tensión alargamiento como la curva (2). Al igual que los plás ticos rígidos, son más resistentes que duras, y no se deforman demasiado bajo tensión. Los elastómeros (4) como el poliisopreno, el polibutadieno y el poliisobutileno muestran un comportamiento mecánico completamente diferente al de los otros tipos de materiales; los elastómeros tienen módulos muy bajos. Para que un polímero sea un elastómero, le hace falta algo más que tener módulo bajo; el hecho de ser fácilmente estirado no le da demasiada utilidad, a menos que el material pueda volver a s u tamaño y forma original una vez que el estiramiento ha terminado. 5. Procedimiento
1. Primeramente se usara una probeta normalizada denominada multiuso según la norma ASTM D638 2. Fijar una velocidad de ensayo de 50 mm/s
3. Se medirá el ancho, espesor y longitud total con la a yuda de un vernier o una regla y anotar los apuntes. 4. Luego se hará el ensayo para cada probeta 5. Colocar la probeta en la máquina de ensayo y sujetarla con las mordazas. 6. Completar los datos que pide la maquina 7. Seleccionar la velocidad de ensayo que se dará en las probetas en este caso se les fijara una velocidad de
200 mm/s
6. Toma de datos
Antes
Despues
Polimero
Ancho
Largo
Espesor
Area
PET PP PEAD PET PP PEAD
7,8 8,1 7,3 4,4 6,7 3,5
148,3 149,2 146,2 167,0 151,7 507,0
0,3 0,9 0,4 0,3 0,2 0,2
2,18 7,61 3,14 1,10 1,48 0,66
12
7. Análisis de datos
total (mm) 146,2 149,2 148,3 149,2 117,5
Material PEAD PP PET PVC PEBD
( ) 3,1 7,6 2,2 1,1 2,9
(mm) 507,0 151,7 157,0 155,2 146,8
( ) 0,7 1,5 1,1 1,0 0,73
Alargamiento de rotura No rompio 1,70% No rompio 4% 29,40%
TRACCION EN POLIMEROS PEAD
PP
PET
PVC
PEBD
90 80 70
) 60 A P 50 M ( N 40 O I S N 30 E T 20 10 0 -10
0
100
200
300
400
500
600
700
DEFORMACION(ELONGACION)
8. Conclusiones
El plastificante que posee algunos polímeros pueden hacer variar su tenacidad. Tanto como el PEAD Y PET no llegaron a romperse por lo que posee alto porcentaje de plastificante a diferencia de PVC que tiene un menor porcentaje de elongación 1.7% indicando que posee un bajo porcentaje de plastificante.
9. Recomendaciones
Hay algunos materiales que seguirán alargándose por horas y horas hasta llegar a su rotura o no haya rotura será recomendable sacarlo hasta que llegue a una distancia determinada Antes de someter el material al ensayo se recomienda medir con mayor precisión las probetas ya que puede dar resultados erróneos.
13
10. Cuestionario 1. Describa las principales diferencias que hay entre las propiedades mecánicas de los metales y la de los plásticos.
Las diferencias son las siguientes: El plástico tiene mayor estabilidad dimensional por el coeficiente de dilatación térmica. Tienen un coeficiente de dilatación térmica 20 veces mayor que los metales - Respecto del metal, el plástico tiene menos rigidez y mayor elasticidad. - Producen una pequeña dilatación del material por la absorción de la humedad - Los plásticos disipan menos calor, por lo que hay que tener cuidado con el sobrecalentamiento. - Bajas temperaturas de fusión y reblandecimiento. - Los plásticos son muchos más elásticos 2. Haga una clasificación de los polímeros según la ductilidad que poseen. - Elastómeros - Termoplásticos - Termoestables 3. ¿Por qué es tan variada la rigidez en los polímeros?
-
Por el porcentaje de plastificante que se le agrega a un polímero variando su rigidez a mayor % de plastificante será más rígido y a menor % de plastificante menos rígido%. 4. ¿Porque es importante conocer la Tg de un polímero?
Cuando el polímero se enfría por debajo de la temperatura de transición vítrea, se vuelve rígido y quebradizo, igual que el vidrio. Los cauchos elastómeros como el poliisopreno y el poliisobutileno, son usados por encima de sus tg, es decir, en su estado gomoso, donde son blandos y flexibles. 5. ¿Puede fabricarse polímeros capaces de conducir electricidad?
En general, los polímeros conductores, casi todos orgánicos, presentan enlaces desloc alizados (con frecuencia en un grupo aromático) que forman una estructura similar a la del silicio. Casi todos los polímeros conductores son conocidos semiconductores gracias a su est ructura en bandas, aunque algunos se comportan como metales conductores. Los principales tipos de polímeros conductores orgánicos son los poliacetilenos, los polipirroles, los politiofenos, las polianilinas y el policloruro de paracresol fenileno (PVPP).
14
6. ¿A qué se refiere comportamiento visco elástico en un polímero?
Presenta propiedades elásticas como viscosas donde para caracterizar el comportamiento visco elástico en los polímeros se debe determinar los esfuerzos del módulo de relajación en función de un intervalo de temperatura. 7. ¿Qué material seleccionaría para los guantes quirúrgicos? - Latex - Vinilo - Nitrilo 8. ¿Qué podría hacerse para aumentar el módulo de fluencia de un componente plástico?
Agregándole más porcentaje de plastificante al material. Bibliografía
Propiedades mecánicas de los polímeros. Recuperado de: http://pslc.ws/spanish/mech.htm Durómetros para termoplásticos y compuestos de moldeo, recuperado de: http://www.zwick.pe/es/aplicaciones/plasticos/termoplasticos-compuestos-demoldeo/ensayos-de-dureza.html Ensayos de dureza. Recuperado de: https://es.slideshare.net/JesusVicentico/2-ensayosde-dureza ¿Plásticos que conducen la electricidad? Recuperado de: http://www.quimitube.com/plasticos-que-conducen-la-electricidad
