Análisis de los mecanismos del inicio y crecimiento de fisuras en materiales polímeros industriales, sometidos a bajas y altas frecuencias en fatiga

Abstract

Fatigue tests were carried out on industrial polymeric materials in order to study the physical parameters that affect the beginning and propagation of cracks in mechanical elements subject to oscillating loads below their yield stress. The fatigue test is one of the main elements in the understanding of fracture and is the main information source used in the present investigation to find the corresponding relationship with Fracture Mechanics. Constant displacement tests on CT specimen (compact tension specimen), according to the ASTM E647-00 standard, were carried out in order to investigate the crack initiation and propagation for two polymeric materials: the ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) and PMMA (Polymethyl methacrylate). Experimental tests were obtained on a self-designed and constructed machine working under constant displacement, at the frequency of 0.25 Hz and at maximum displacement of 390 m. The displacement control was implemented using the Arduino program, a personal computer and an inductive proximity sensor, which allow determining the displacement with ± 4 m of precision. The stress intensity factor in mode one KI, was obtained for different crack length “a”, different amplitudes of displacement and for the two studied polymeric materials. In addition, from the obtained stress intensity factors in mode one was evaluated the energy release rate G for plane stress and plane strain conditions. Finally, the fracture surfaces were analyzed by scanning electron microscope in order to investigate the general trends and the origin of crack initiation and propagation under the described loading conditions.

Se llevaron a cabo ensayos de fatiga en materiales plásticos de uso industrial con la finalidad de estudiar los parámetros físicos que afectan la aparición y propagación de fisuras en elementos mecánicos sometidos a cargas oscilantes por debajo de su límite elástico. El ensayo de fatiga es uno de los elementos principales en el entendimiento de fractura y es la fuente de información principal que se emplea en la presente investigación para encontrar la relación correspondiente con la Mecánica de la Fractura. Se realizaron ensayos bajo la condición de desplazamiento constante en especímenes de prueba compactos de tensión (CT), de acuerdo a la norma ASTM E647-00 con la finalidad de estudiar el inicio y propagación de fisuras en dos materiales polímeros: acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) y polimetil metacrilato (PMMA), bajo la modalidad de fatiga convencional. Los ensayos fueron llevados a cabo en un equipo experimental desarrollado y construido como parte del proyecto de investigación trabajando a desplazamiento constante con una frecuencia de operación de 0.25 Hz. y a un máximo desplazamiento de 390 m. El control de desplazamientos fue implementado mediante una tarjeta ARDUINO y su correspondiente código de programación, acoplado a un sensor del tipo inductivo que permite mediciones con una precisión de ± 4 m. Adicionalmente, se llevaron a cabo ensayos de fatiga ultrasónica en el material ABS. A la par de los ensayos, se calcularon el factor de intensidad de esfuerzos (K) y la tasa de liberación de energía (G). Tanto el factor K como G, son estudiados para ambos materiales con la finalidad de establecer sus valores correspondientes a lo largo de una fisura en la totalidad de su propagación durante el ensayo, así como, de establecer su correspondiente relación dependiendo de la vida en fatiga de dichos polímeros. Una parte relevante del entendimiento de la fractura, es el análisis de las superficies de fisuración, las cuales fueron analizadas mediante microscopia electrónica, con la finalidad de investigar los parámetros generales de la aparición y propagación de fisuras bajo las condiciones descritas.