Microdureza y nanoindentación Efecto del grado de cristalinidad. Materiales poliméricos amorfos y semicristalinos. R. Benavente Proyecto CYTED: 311RT0417 Curso 2011
MICRODUREZA Técnica de ensayo no destructivo Aplicaciones en el campo de los metales, cristales iónicos, cerámicas y recientemente en polímeros. Sirve para relacionar dichos valores con características estructurales. Determinación de la Tg Efecto de la cristalinidad, morfología Anisotropía Composición en copolímeros y mezclas Efecto de plastificantes Como en los metales, la dureza de un polímero representa la resistencia Dureza:Medida del material de la al resistencia rayado y la de penetración. un material a La la mayoría de los ensayos deformación de dureza permanente se realizan mediante técnicas de penetración similares a la de los metales. Definición ambigua
MÉTODOS DE MEDIDA DE DUREZA Ensayo de rayado: un diamante de geometría normalizada se desplaza sobre la superficie de la muestra a ensayar. Ensayo de penetración estática: se obliga a un penetrador de un material duro a que se introduzca en la muestra bajo la acción de una carga. Ensayos de penetración dinámica: se deja caer un objeto de forma esférica y la dureza se calcula en función de la deformación y energía de impacto. Ensayos de rebote: la dureza depende de la altura del peso al rebotar. Ensayos de amortiguamiento: se obtiene en función del período o la amplitud de un péndulo con un punto de apoyo duro en el material. Ensayos de abrasión y maquinabilidad: para determinar la resistencia al desgaste o al corte.
Los resultados que se obtienen de los diferentes tipos de medida vienen condicionados por las mismas variables: PROPIEDADES MECÁNICAS Módulo elástico Endurecimiento por deformación Tensión de fluencia Comportamiento viscoelástico Cada método pone de relieve con distinta intensidad las diversas propiedades del material Dos medidas de dureza únicamente serán comparables cuando se emplee el mismo ensayo y se realicen en las mismas condiciones
ENSAYOS DE DUREZA POR PENETRACIÓN ESTÁTICA Ensayo Brinell: el penetrador es una esfera de acero de 10 mm de diámetro, se aplica una carga de 500 a 3000 Kg, durante un tiempo que varía entre 10 y 30 s. Se define como la presión de contacto entre la ésfera y la muestra Ensayo Rockwell: forma cónica, con abertura de 120º, con una esfera de 2 mm de radio. Primero se aplica una precarga de 10 Kg y después una carga mayor (60, 100 o 150 Kg). Ensayo Vickers y Knoop: diamantes de forma piramidal. La dureza se mide en función de la diferencia entre las profundidades de penetración en dos étapas La dureza viene en función del tamaño de la huella
ENSAYO VICKERS El penetrador tiene forma de pirámide regular de base cuadrada. Incide perpendicularmente sobre la superficie de la muestra a ensayar bajo la acción de una carga constante y a una velocidad controlada H = 2 sen 68º P/d 2 P = carga aplicada d = tamaño de la diagonal Ángulo formado por dos caras opuestas = 136º Proyecto CYTED: 311RT0417 Curso 2011
Diámetro del penetrador Ángulo elegido por analogía con el ensayo Brinell h = d/7 diagonal Profundidad de la huella Proyecto CYTED: 311RT0417 Curso 2011
El penetrador incide perpendicularmente sobre la superficie de la muestra bajo la acción de una carga, p, a velocidad controlada Superficie a carga cero Después de aplicar la carga Máxima carga La dureza se debe a dos efectos: elásticos y plásticos Proyecto CYTED: 311RT0417 Curso 2011
Impresión de dureza tipo Vickers Impresión de dureza tipo Knoop MICRODURÓMETRO La dureza se define como la presión media ejercida sobre el área de contacto del penetrador con la superficie de la muestra cuando la carga está aplicada y el penetrador en reposo CARGAS: 1g < p > 200g MH = 2 sen 68º P/d 2
INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES EXPERIMENTALES Valor de la carga aplicada Tiempo de aplicación Temperatura de medida FUENTES DE ERROR Ángulo formado por las caras de la pirámide. El valor de la carga. Exactitud de la diagonal. Las vibraciones. Tiempo de aplicación de la carga. La velocidad de caída del penetrador. APLICACIONES Piezas de tamaño pequeño Aleaciones Recubrimientos Materiales frágiles Proyecto CYTED: 311RT0417 Curso 2011
APLICACIONES: EFECTO DE DILUYENTES PETG: politereftalato de etilen glicol con ciclohexano dimetanol Con diferentes concentraciones de diluyente PETG Polímero amorfo Cambia la temperatura de transición vítrea
EFECTO DE LA CRISTALINIDAD Diversos tipos de polietileno PE, metalocenos HDPE LLDPE Datos de la literatura La MH en el polietileno se debe principalmente a la fase cristalina Proyecto CYTED: 311RT0417 Curso 2011
Tamaño del cristal: MH como función del tamaño de cristal en ipp metalocénico 13 11 Largo espaciado nm 9 7 L l c (001) Tamaño de cristal 5 50 60 70 80 90 100 110 120 MH (MPa) Figura IV.20. Relación entre el largo espaciado, L, y el tamaño cristalino en la dirección (001), lc(001), con la microdureza para las diferentes muestras con tratamiento, Qt.
MH (MPa) 400 300 200 100 25ºC 30ºC 40ºC 50ºC amorfo 0 20 40 60 80 f N (mol %) Copolimeros de etileno- -octadeceno MH (MPa) 40 30 20 semicristalinos EFECTO DE LA COMPOSICIÓN Copolímero de etileno-norborneno Poca influencia de la temperatura de medida como consecuencia de la alta temperatura de transición vítrea 100 PP con etileno-1-octeno mpp090eo mpp060eo 80 MH (MPa) Comportamiento en mezclas 60 40 10 0 0 2 4 6 f OD (mol %) 20 0 0 20 40 60 80 100 % PESO PP
EFECTO DEL PESO MOLECULAR Variación de la MH para dos series de PET con diferentes grados de cristalinidad en función del peso molecular Variación de la MH en función de la cristalinidad para dos series de diferentes pesos moleculares
EFECTO DE LA ORIENTACIÓN Dependencia del ángulo de orientación con respecto a la dirección de estirado Poliéster amorfo, PETG Tg = 70ºC λ = relación de estirado Temperatura de medida 25ºC
EFECTO DE LA ORIENTACIÓN Variación de la anisotropía de MH con la relación de estirado, para dos poliésteres diferentes Variación de los índices de refracción con la dirección de estirado PET Dirección de estirado Dirección perpendicular
EFECTO DE CARGAS Fibra de vidrio Copolímero de etileno-1-octeno 22 1.4 1.3 MH vs. E MH (MPa) 20 18 16 14 log MH (MPa) 1.2 1.1 1.0 12 10 8 0 10 20 30 40 50 60 glass fiber content (% weight) 0.9 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 log E (MPa) Comportamiento complejo, relacionado con el mecanismo de deformación, a través de varios cuellos
INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE MEDIDA MH = MHo exp (-βt) Sirve para determinar la temperatura de transición vítrea en polímeros PE 6006 250 MH (MPa) 200 150 100 CNE1 CNE3 CNE4 CNE5 CNE6 CNE7 CNE8 CNE9 Copolímeros de etileno-norborneno 50 0 0 50 100 150 200 250 T (ºC)
Efecto de la temperatura s-pp amorfo : evolución a cristal s-pp cristalino
Micro o Nanoindentación
Técnicas de Nanoindentación
Medidas de dureza bajo carga Ensayos de fluencia Recuperación elástica Energía de deformación Energía de recuperación
Determinación de la Dureza instrumentada
Modelo de Oliver & Pharr Módulo elástico
Ventajas de la Indentación Instrumentada
Comportamiento del material