Revisión de la mecánica de polímeros de alta velocidad de deformación
3) Comportamiento similar al del caucho: se caracteriza por la ausencia de un punto de fluencia máximo, pero presenta una meseta en una curva de tensión/deformación de ingeniería. A menudo, el comportamiento similar al del caucho presenta un aumento terminal de la tensión seguido de un fallo que da lugar a un desgarro con poca deformación permanente en la superficie de fallo, por ejemplo, la gelatina.
La siguiente figura de Ward muestra que los tres tipos de fallo pueden observarse en un mismo polímero por variación del tiempo (tasa de deformación) o de la temperatura. Un buen ejemplo de esto es la masilla tonta. Por lo general, una muestra de polímero muestra uno de los mecanismos de fallo característicos en condiciones normales, es decir, el poliestireno muestra un fallo frágil, el polietileno muestra un cuello, el polidimetilsiloxano reticulado muestra un comportamiento gomoso, el poliestireno de alto impacto muestra un comportamiento de cesión. El tipo de comportamiento también puede cambiar con el tipo de deformación, es decir, el poliestireno presenta cuarteo o fallo frágil en tensión, pero muestra un comportamiento de banda de cizallamiento y cesión en compresión.
Polímero de resistencia a la tracción
La mayoría de las propiedades mecánicas están relacionadas con la deformación de alguna manera. Dado que la deformación es la forma en que un material se mueve en respuesta a una fuerza, la fuerza y el desplazamiento serán esenciales para definir la mayoría de las propiedades mecánicas.
Sin embargo, la fuerza y el desplazamiento son propiedades extrínsecas. Eso significa que están relacionadas con la cantidad de material que se tiene. Un edificio puede soportar mucha más fuerza que una cuchara simplemente porque el edificio es más grande. Del mismo modo, el edificio puede oscilar varios centímetros con el viento, mientras que una cuchara experimentará un desplazamiento imperceptible en el vendaval más fuerte.
La tensión es la fuerza por área de sección transversal que soporta un material. La deformación es el porcentaje de cambio en la longitud del material. La curva tensión-deformación es la forma más sencilla de describir las propiedades mecánicas del material. La curva tensión-deformación puede proporcionar información sobre la resistencia, la tenacidad, la rigidez y la ductilidad de un material, entre otras cosas.
Ahora que tenemos la fuerza y el desplazamiento, podemos medir muestras de muchas formas diferentes. El edificio se deforma más que una cuchara cuando sopla el viento, pero eso es porque el 0,1% de un edificio de 100 metros es 10 centímetros, pero el 0,1% de una cuchara de 10 centímetros es 0,1 mm.
Aproximación de la curva tensión-deformación
Los PrintPolymers presentan una amplia gama de comportamientos de tensión-deformación, como se muestra en la figura siguiente. El polímero frágil (curva roja) se deforma elásticamente y se fractura antes de deformarse plásticamente. La curva azul es un polímero plástico y es similar a las curvas de muchos metales. Su comportamiento comienza en la región de deformación elástica lineal. Cuando la curva pasa de la deformación elástica a la plástica, suele haber un pico de tensión. En el caso de los materiales poliméricos, este pico de tensión se identifica como el límite elástico. A medida que el material se estira más, se produce la fractura. El valor de la tensión cuando se produce la fractura se define como la resistencia a la tracción para los materiales poliméricos. La resistencia a la tracción puede ser mayor, igual o menor que el límite elástico. La curva verde corresponde a una clase de polímeros conocidos como elastómeros. Estos materiales presentan una elasticidad similar a la del caucho y vuelven a su forma original a menos que se extiendan hasta el punto de fractura.
Aunque algunas de las curvas de tensión-deformación de los polímeros pueden parecerse a las de los metales, los polímeros son mecánicamente diferentes a los metales (o la cerámica). Un polímero altamente elástico puede estirarse más de 10 veces la longitud original antes de romperse, mientras que un metal puede estirarse elásticamente un 10% de la longitud original y puede estirarse plásticamente hasta el doble de la longitud original antes de alcanzar su punto de fractura. Como se ve en la figura siguiente, los valores de módulo elástico más grandes de los polímeros están muy por debajo de los valores de la cerámica y los metales.
Punto de fragilidad del polímero
Un modelo de cuerpo rígido es un ejemplo idealizado de un objeto que no se deforma bajo la acción de fuerzas externas. Resulta muy útil cuando se analizan sistemas mecánicos, y muchos objetos físicos son efectivamente rígidos en gran medida. La medida en que un objeto puede percibirse como rígido depende de las propiedades físicas del material del que está hecho. Por ejemplo, una pelota de ping-pong de plástico es frágil, y una pelota de tenis de goma es elástica cuando se le aplican fuerzas de aplastamiento. Sin embargo, en otras circunstancias, tanto una pelota de ping-pong como una de tenis pueden rebotar bien como cuerpos rígidos. Del mismo modo, quien diseña prótesis puede aproximarse a la mecánica de las extremidades humanas modelándolas como cuerpos rígidos; sin embargo, la combinación real de huesos y tejidos es un medio elástico.
En lo que queda de este capítulo, pasamos de considerar las fuerzas que afectan al movimiento de un objeto a las que afectan a su forma. Un cambio de forma debido a la aplicación de una fuerza se conoce como deformación. Se sabe que incluso fuerzas muy pequeñas causan alguna deformación. La deformación la experimentan los objetos o los medios físicos bajo la acción de fuerzas externas; por ejemplo, puede tratarse de aplastar, apretar, rasgar, retorcer, cizallar o tirar de los objetos. En el lenguaje de la física, hay dos términos que describen las fuerzas que actúan sobre los objetos que se deforman: tensión y deformación.