Influencia del tiempo y el esfuerzo en los plásticos (Parte 1)

Si el material es sometido a un estrés constante, veremos cómo aparece un aumento constante de la elongación o strain del material; este efecto es conocido como fluencia en frío, plastodeformación o también como creep.

Por el contrario, si mantenemos la elongación constante, observaremos cómo lo que se reduce es el esfuerzo necesario para mantener esta elongación constante; esto es conocido como relajación del material.

El módulo de tracción de un material se calcula como la relación entre el esfuerzo aplicado y el alargamiento o deformación obtenida.

Módulo de tracción = Esfuerzo aplicado / Deformación obtenida

Este valor que aparece en las fichas técnicas de los materiales o data sheets se obtiene a través del ensayo de tracción en un recorrido muy pequeño inicial donde el material se comporta de modo elástico; es decir, en este intervalo los valores de esfuerzo y deformación son proporcionales. Es, por tanto, un indicador del ángulo de la pendiente de la curva de tensión-deformación en la región inicial lineal.

En algunos data sheets o fichas técnicas de materiales plásticos aparece el valor del módulo secante o secant modulus.

Este valor se representa trazando una línea recta desde el origen del gráfico hasta un punto de la curva de esfuerzos-deformaciones con valores, por ejemplo, del orden del 1% al 2%. Estos valores se utilizan sobre todo en materiales como el PP o el HDPE, que tienen un comportamiento no lineal al alcanzar estos valores de estiramiento.

Al cortar la curva de esfuerzo-deformación desde el origen en cualquier punto del gráfico de estiramiento, el módulo secante, por tanto, siempre será menor que el módulo de tracción, ya que el ángulo de la pendiente será menor.

Si a un material plástico se le aplica un esfuerzo, el alargamiento o deformación inicial estará relacionado con el módulo de tracción, pero si este esfuerzo se mantiene a lo largo del tiempo, el alargamiento continuará aumentando. Por tanto, si calculamos el módulo de tracción cuando el alargamiento ha aumentado tiempo después, nos encontraremos con que el módulo de tracción se ha reducido y, si posteriormente, transcurridas, por ejemplo, 1.000 horas, volvemos a medir el alargamiento, este habrá aumentado aún más y, por tanto, el módulo de tracción se habrá reducido aún más también. Parecerá que el módulo se va reduciendo a medida que pasa el tiempo y el alargamiento aumenta.

¿Se ha vuelto el material menos rígido? En realidad, la rigidez del material no ha cambiado, no se ha reducido. Si retiramos el esfuerzo aplicado y volvemos a aplicar esfuerzo, veremos que la relación esfuerzo-deformación volverá a ser esencialmente la que teníamos inicialmente.

El módulo aparente es la rigidez aparente basada en un cálculo utilizando una tensión constante y una deformación que aumenta cada vez más a lo largo del tiempo. Es, por tanto, un cálculo matemático que nos indica el efecto de una tensión constante sobre el material y cómo afecta al estiramiento o elongación a lo largo del tiempo.

Es fundamental para predecir qué alargamiento o deformación se va a producir con piezas sometidas a tensión constante a lo largo del tiempo.

Encontrar gráficos o información técnica de evolución del módulo en función de la temperatura (módulo aparente) es complicado.

El dato que sí aparece en algunos data sheets es el denominado creep modulus, normalmente referido a un esfuerzo o carga durante un tiempo determinado o también con tablas como esta, donde el tensile modulus es la respuesta a la tracción del material en el instante cero de tiempo, mientras el creep modulus es la respuesta del material si el esfuerzo se mantiene durante un tiempo determinado.

Ejemplos de Módulo de tracción o Tensile Modulus y Creep Modulus de POM copolímero.

El incremento del alargamiento con el esfuerzo mantenido es proporcional a la relación entre el módulo de tracción en el instante inicial y el creep modulus o módulo después de un tiempo bajo esfuerzo aplicado.

Es decir, el aumento del alargamiento en el ejemplo de la tabla anterior es, después de una hora, del 1,12% (2750/2450), mientras que para un tiempo de esfuerzo mantenido de 1000 horas el alargamiento será de 2,03% (2750/1350).

El creep o plastodeformación en frío es una de las diferencias más importantes de los plásticos respecto a los metales y debe ser bien estudiada en la fase de diseño para no tener problemas de utilización durante la vida de un producto.

Podemos definir creep o plastodeformación como la deformación que se produce al aplicar una carga o esfuerzo a un polímero a lo largo del tiempo.