Comportamiento Mecanico de Materiales no metalicos - Ceramicos y Polimeros

COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE MATERIALES NO METALICOS

Todos los polímeros tienen un espectro de comportamiento mecánico, en función de la temperatura. Entre -20 ºC y 200 ºC, un polímero puede pasar por varios estados mecánicos (que luego analizaremos en detalle) y sus propiedades (módulo y resistencia) pueden variar en el orden de 1000 o mas. Los metales y los cerámicos, también varían sus propiedades mecánicas con la temperatura, pero, como sus puntos de fusión son altos, la variación en las cercanías de la temperatura ambiente no reviste importancia. Por lo tanto se puede considerar la resistencia y la rigidez de los materiales metálicos y cerámicos aproximadamente constantes para el diseño a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente, pero esta consideración no es posible con los materiales poliméricos. En realidad es más valioso establecer las propiedades para temperaturas normalizadas: T/Tg (para sólidos no cristalinos) o T/Tf (para sólidos cristalinos), ya que éstas últimas son las que realmente determinan el estado del material en cuanto a su comportamiento mecánico.

- Comportamiento mecánico de materiales cerámicos

 Tanto en los cerámicos cristalinos como en los que presentan estructura vítrea, la deformación elástica es normalmente pequeña debido a los fuertes enlaces involucrados. La deformación permanente en los cerámicos amorfos sólo se da por medio de procesos viscosos a muy altas temperaturas. Por otra parte, los cerámicos cristalinos son intrínsecamente duros, debido a que los enlaces iónicos y covalentes presentes en estos materiales confieren una resistencia de red enorme para el movimiento de las dislocaciones. Los cerámicos cristalinos covalentes presentan enlaces covalentes, que son direccionales y localizados, donde los electrones que forman el enlace están concentrados en la región entre los átomos unidos. Por lo tanto el movimiento de dislocaciones en este tipo materiales deberá producirse mediante la rotura de enlaces covalentes y la formación de otros. Sería como atravesar un bosque talando los árboles y replantando nuevos a medida que se avanza. 

La mayoría de los cerámicos iónicos son duros, aunque por una razón levemente distinta. El enlace iónico como el metálico es electroestático, donde la fuerza atractiva entre un ión sodio y un ión cloruro es simplemente proporcional a q2 /r, donde q es la carga de un e- y r es la separación entre iones. En la Figura 29, puede observarse que si el cristal se somete a un esfuerzo de corte según un plano a 45 grados, los iones positivos permanecen separados (no hay iones positivos que queden sobre otros iones positivos) y este tipo de deslizamiento es relativamente fácil. En cambio, cuando el esfuerzo de corte es horizontal se da que iones positivos queden sobre otros iones positivos y la repulsión electrostática es muy fuerte, y por lo tanto la resistencia de la red es alta. En un material policristalino son necesarios varios sistemas de deslizamiento, y en el caso de los cerámicos iónicos hay algunos que son duros o resistentes al deslizamiento. 

En general, la resistencia de la red de los cerámicos a temperatura ambiente es grande. El esfuerzo requerido para mover las dislocaciones involucra una gran fracción del módulo elástico: típicamente E/30, comparado con E/103 o menos para los metales blandos como el cobre y el plomo. Esto confiere a los cerámicos tensiones de fluencia del orden de 103MPa. Al ser tan elevadas, la única forma de medirlas es mediante ensayos de dureza. En el diseño con cerámicos no es necesario considerar el colapso plástico del componente: la fractura siempre se produce primero.

En la Figura 30 se muestra la alta dispersión en los valores de resistencia a la rotura de un material cerámico comparada con la de un material metálico. Si se examinan dos piezas de material cerámico, se verá que presentan distintas distribuciones de poros y por lo tanto tendrán distintas tensiones de rotura. Por esta razón se dice que los cerámicos presentan una variación estadística en la resistencia. Al ser materiales con una resistencia de red grande, son frágiles, y por lo tanto su resistencia a la fractura es muy baja. Si bien puede presentarse cierta plasticidad en la punta de una fisura en un material cerámico, ésta es muy limitada y entonces la energía absorbida es pequeña y la fractotenacidad es baja. En cambio en los metales, la plasticidad asociada a la punta de la fisura hace que sean tan tenaces, debido a que la energía es absorbida en la zona plástica, haciendo la propagación de la fisura mucho mas dificultosa. 

Por otra parte, el volumen o tamaño de pieza de material cerámico influye sobre la resistencia a la rotura. Una pieza grande tiene mas probabilidad de contener las fisuras mas largas, como se observa en la Figura 31, por lo tanto fallará, en promedio, a esfuerzos mas bajos que una pieza pequeña. 

Por la misma razón, una barra de material cerámico es mas resistente en flexión que en tracción simple. En tracción simple o uniaxial toda la muestra o la probeta soporta el esfuerzo de tracción, en cambio en flexión sólo una capa delgada cercana a la superficie soporta el esfuerzo de tracción máximo. Por esta razón el módulo de ruptura (o resistencia a la flexión: máximo esfuerzo en las fibras exteriores al momento de la rotura) es mayor que la resistencia a la tracción.

Comportamiento mecánico de materiales poliméricos

El módulo elástico de los polímeros, considerado como el coeficiente de proporcionalidad entre esfuerzo y deformación a un tiempo de prueba, permite evaluar su comportamiento con la temperatura.

•  Comportamiento vítreo: Bien por debajo de Tg las moléculas están rígidas. Cuando el material se carga en este estado se producen estiramientos de enlaces, produciéndose deformaciones elásticas que se recuperan (instantáneamente) cuando se quita la carga. Existen dos tipos de enlaces, los enlaces covalentes que forman la columna vertebral de las cadenas, y los débiles enlaces intermoleculares (Figura 34). El módulo de Young es un promedio de la rigidez dada por estos dos tipos de enlaces.
• Región de viscoelasticidad: A medida que la temperatura se eleva por encima de Tg, los enlaces secundarios comienzan a fundirse. Los segmentos de cadenas pueden deslizar unos con respecto a otros como si fueran trozos de resortes lubricados, y el módulo cae marcadamente. Para comprender el mecanismo de deformación en esta región es conveniente imaginarse que cada cadena está contenida dentro de un tubo formado por el entorno de las moléculas vecinas y cuando el polímero es cargado, pequeños trozos de las molécula se deslizan levemente dentro del tubo (reptación) y esto provoca una deformación viscosa (Figura 35). Pero igualmente existen zonas sin deslizamiento viscoso, que presentan sólo deformación elástica. Durante la descarga, estas regiones elásticas empujan al polímero para recuperar su forma original, pero lo deben hacer en contra de deslizamiento viscoso de las moléculas, razón por la cual la recuperación no es instantánea. Este comportamiento similar al del cuero es el que presentan el polietileno de baja densidad y el PVC plastificado a temperatura ambiente.  En un material viscoelástico, la recuperación que sigue a un período de deformación bajo esfuerzo constante, puede ser solo parcial, y queda una deformación residual permanente (Figura 36-a), o bien si las condiciones son apropiadas puede desaparecer casi por completo con el transcurso del tiempo (Figura 36-b). 
• Comportamiento gomoso: A medida que la temperatura sigue incrementándose uno esperaría que el polímero pudiera fluir cada vez con mayor facilidad, hasta comportarse como un líquido viscoso. Así lo hacen los polímeros lineales de cadenas relativamente cortas (DP<103 ), pero los polímeros con cadenas largas (DP>104 ) pasan primero por un estado gomoso. Las largas moléculas enmarañadas, debido a su longitud y flexibilidad, presentan puntos donde las moléculas se anudan.