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• Erick Freire

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CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA

DEPARTAMENTO DE ENERGIA Y MECANICA

NRC: 8926

LABORATORIO DE CIENCIA DE LOS MATERIALES APLICADA

PRACTICA N°5 TRACCIÓN Y RELAJACIÓN EN POLÍMEROS

NOMBRE: DANILO GARCÍA XAVIER VACA JULIO VÁZQUEZ FERNANDO MUELA ALVEAR

DOCENTE: ING. LEONARDO GOYOS

22 DE JULIO DEL 2020

Tema: Pruebas de tracción y relajación en polímeros 1. Objetivo(s) •

Determinar las propiedades mecánicas de un polímero mediante pruebas de tracción y relajación de esfuerzos.

•

Elaborar las curvas esfuerzo-deformación para un polímero mediante pruebas de tracción.

•

Elaborar las curvas esfuerzo-tiempo para un polímero mediante pruebas de relajación de esfuerzos.

•

Realizar el ajuste matemático con el modelo de relajación de esfuerzos KWW.

2. Marco Teórico 2.1 Norma ASTM D638 •

Este método de prueba está diseñado para producir datos de propiedades de tracción para el control y especificación de materiales plásticos. Estos datos también son útiles para la caracterización cualitativa y para la investigación y el desarrollo. (AENOR, 2017)

•

Se sabe que las propiedades de tracción varían con la preparación de la muestra y con la velocidad y el entorno de la prueba. En consecuencia, donde se desean resultados comparativos precisos, estos factores deben controlarse cuidadosamente. (AENOR, 2017)

2.2 Norma ASTM E328 •

La prueba general de relajación del estrés se realiza aplicando una fuerza isotérmica a una muestra con un valor fijo de restricción. La restricción se mantiene constante, y la fuerza de restricción se determina en función del tiempo. El principal problema en la prueba de relajación de estrés es que la restricción constante puede ser muy difícil de mantener. Los efectos en los resultados de las pruebas son muy significativos, y se debe prestar considerable atención para minimizar la variación de la restricción. Además, los experimentadores deben determinar e informar el grado de variación en cada prueba de relajación de estrés para que este factor se pueda tener en cuenta. (AENOR, 2016)

2.3 Norma ASTM E8 •

Las pruebas de tensión proporcionan información sobre la resistencia y la ductilidad de los materiales bajo tensiones de tracción uniaxiales. Esta

información puede ser útil en comparaciones de materiales, desarrollo de aleaciones, control de calidad y diseño bajo ciertas circunstancias. (AENOR, 2020) •

Estos métodos de prueba se consideran satisfactorios para las pruebas de aceptación de envíos comerciales. Los métodos de prueba se han utilizado ampliamente en el comercio para este propósito. (AENOR, 2020)

3. Materiales equipos y recursos •

10 probetas de polietileno de baja densidad (LDPE)

•

Máquina de ensayos universal

•

Adiamientos necesarios

4. Procedimiento 4.1 Maquinar las probetas de polietileno de baja densidad en base a la dimensión Tipo I de la norma ASTM D638.

Fig. 1. Dimensión Tipo I de las probetas de polietileno Fuente: Norma ASTM D638.

4.2 Colocar la probeta entre las mordazas de la máquina de ensayos universal, cada mordaza debe sujetar 2.5 cm de cada probeta. 4.3 Se colocará un extensómetro en la región estrecha de la probeta, para medir la deformación elástica (velocidad de desplazamiento de 5mm/min). 4.4 Para la prueba de relajación de esfuerzos se usará la norma ASTM E328, donde se necesitará 2 probetas para cada valor de carga, con un total de 6 probetas a ensayar. 4.5 Se aplicarán las cargas en relación al 60, 70 y 80% del valor de la carga máxima aplicadas en el ensayo de tracción.

4.6 Una vez colocada la probeta, se aplicará la carga seleccionada a una velocidad de deformación de 5 mm/min o 0.0005 s-1 correspondiente a la norma ASTM E328. Cada probeta de LDPE se someterá a un tiempo de 600 s por cada valor de carga. 5. Resultado y Análisis 5.1 Construir la curva esfuerzo vs deformación con los datos obtenidos del ensayo tracción y realizar un análisis del comportamiento obtenido.

Fig. 2. Curva esfuerzo vs deformación Fuente: Excel 2019 (Obtenida en función de los datos proporcionados)

Tabla 1

Esta tabla muestra el análisis de comportamiento E (Mpa) 10

Límite Elástico (Mpa) 2332

Elongación al quiebre (%) 656

Resistencia a la tracción (Mpa) 2780

Resiliencia (J/m^3) 2400000

5.2 Registrar los datos del ensayo de tracción en la siguiente tabla. Tabla 2 Datos del ensayo de tracción Probeta

P max (N)

y (MPa)

 UTS (MPa)

E (MPa)

Ɛmax (%)

1 2 3 4

1103.5 1167.8 1108.08 1042.5

16.45 17.07 17.25 17.56

21.28 22.47 20.79 20.05

9.299039005 8.359451518 11.71875 11.75368139

176.9 204.2 147.2 149.4

5.3 Construir la curva esfuerzo vs tiempo para las probetas en la prueba de relajación de esfuerzos.

Probeta 1 (300 N) 3,5

Esfuerzo (Mpa)

3

2,5 2 1,5 1 0,5 0 0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

Tiempo (s) Fig. 3. Curva esfuerzo vs tiempo (Probeta 1) Fuente: Excel 2019 (Obtenida en función de los datos proporcionados)

Probeta 2 (400 N) 3,8

Esfuerzo (Mpa)

3,7 3,6 3,5 3,4 3,3 3,2 3,1 3 0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

Tiempo (s) Fig. 4. Curva esfuerzo vs tiempo (Probeta 2) Fuente: Excel 2019 (Obtenida en función de los datos proporcionados)

16000

Probeta 3 (500 N) 6

Esfuerzo (Mpa)

5 4 3 2 1 0 0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

Tiempo (s) Fig. 5. Curva esfuerzo vs tiempo (Probeta 3) Fuente: Excel 2019 (Obtenida en función de los datos proporcionados)

5.4 Reportar los datos de la prueba de relajación de esfuerzos. Tabla 3 Datos obtenidos de la relajación de esfuerzo Probeta

Precarga (N)

Esfuerzo de Precarga teórico (MPa)

Esfuerzo de Precarga experimental

% error

RRELAX

0.17 0.17 0.13 0.26 0.1 0.31

2.25 2.35 2.93 3.12 4.28 4.08

(MPa)

𝝈𝒐 (MPa) 1 2 1 2 1 2

300 300 400 400 500 500

5.76 5.76 7.69 7.69 9.61 9.61

5.77 5.77 7.68 7.71 9.62 9.64

5.5 Construir la curva relativa de variación de esfuerzo aplicado (σ) dividido entre el esfuerzo (𝜎0 ) en función del tiempo para las probetas •

Curva relativa de variación de esfuerzo aplicado / esfuerzo para la probeta 1

Tabla 4 Tabla para la construcción del grafico de curva relativa probeta 1 Probeta 1

Precarga 300 N Esfuerzo 2,9 2,8 2,7

Esfuerzo de precarga experimental Tiempo 1200 2400 3600

5,77 σ/𝜎1 0,502599653 0,485268631 0,467937608

2,5 2,3 Precarga 400 N Esfuerzo 3,7 3,5 3,4 3,3 3,1 Precarga 400 N Esfuerzo 3,7 3,5 3,4 3,3 3,1

Probeta 1

Probeta 1

7200 14400 Esfuerzo de precarga experimental Tiempo 1200 2400 3600 7200 14400 Esfuerzo de precarga experimental Tiempo 1200 2400 3600 7200 14400

0,433275563 0,398613518 7,68 σ/𝜎2 0,481770833 0,455729167 0,442708333 0,4296875 0,403645833 9,62 σ/𝜎3 0,384615385 0,363825364 0,353430353 0,343035343 0,322245322

ESFUERZO VS TIEMPO (PROBETA 1 ) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

0 0

2000

4000

6000 σ/σ_1

8000 σ/σ_2

10000

12000

14000

16000

σ/σ_3

Fig. 6. Curva relativa de esfuerzo en el tiempo probeta 1 Fuente: Excel 2019 (Obtenida en función de los datos proporcionados)

•

Curva relativa de variación de esfuerzo aplicado / esfuerzo para la probeta 2

Tabla 5 Tabla para la construcción del grafico de curva relativa probeta 2 Probeta 2

Precarga 300 N Esfuerzo 2,9

Esfuerzo de precarga experimental Tiempo 1200

5,77 σ/𝜎1 0,502599653

Probeta 2

Probeta 2

2,8 2,7 2,5 2,3 Precarga 400 N Esfuerzo 3,7 3,5 3,4 3,3 3,1 Precarga 400 N Esfuerzo 3,7 3,5 3,4 3,3 3,1

2400 3600 7200 14400 Esfuerzo de precarga experimental Tiempo 1200 2400 3600 7200 14400 Esfuerzo de precarga experimental Tiempo 1200 2400 3600 7200 14400

0,485268631 0,467937608 0,433275563 0,398613518 7,71 σ/𝜎2 0,479896239 0,453955901 0,440985733 0,428015564 0,402075227 9,64 σ/𝜎3 0,383817427 0,363070539 0,352697095 0,342323651 0,321576763

ESFUERZO VS TIEMPO (PROBETA 2 ) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

2000

4000

6000

σ/σ_1

8000

σ/σ_2

10000

12000

14000

16000

σ/σ_3

Fig. 7. Curva relativa de esfuerzo en el tiempo probeta 2 Fuente: Excel 2019 (Obtenida en función de los datos proporcionados)

6. Conclusiones. 1. Se puede apreciar que la relajación de esfuerzos se presenta independientemente, de la carga aplicada, es decir que a cualquier carga se va a presentar esta relajación, y a medida que pase el tiempo el esfuerzo será cada vez menor.

2. La relajación de esfuerzos se produce cuando el material polimérico pierde su fuerza con el tiempo, más no sus dimensiones. 3. Podemos observar que el esfuerzo decrece de manera muy lenta a través del tiempo, para las cargas de 300 y 400 newtons la relajación se produce de forma casi similar la que presenta una notable diferencia es la relajación producida a 500 newtons de carga. 7. Bibliografía •

WILLIAM SMITH, Ciencia de los Materiales.

•

DUBOX. Prácticas de metalografía.

•

AENOR. (2016, 27 diciembre). ASTM E328-13 Standard Test Methods for Stress Relaxation Tests... Standard Test Methods for Stress Relaxation Tests for Materials and Structures. https://www.aenor.com/normas-y-libros/buscadorde-normas/astm?c=087662

•

AENOR. (2017, 28 marzo). ASTM D638-14 Standard Test Method for Tensile Properties of P... Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics. https://www.aenor.com/normas-y-libros/buscador-de-normas/astm/?c=090583

•

AENOR. (2020, 11 febrero). ASTM E8/E8M-16a Standard Test Methods for Tension Testing of ... Standard Test Methods for Tension Testing of Materials. https://www.aenor.com/normas-y-libros/buscador-de-normas/astm?c=095238