ASTM D638: la guía definitiva para los ensayos de tracción de plásticos

Cómo realizar una prueba de resistencia a la tracción en plásticos de acuerdo con ASTM D638

Escrito por Erica Lawrence

¿Qué mide?

ASTM D638 se realiza aplicando una fuerza de tracción a una muestra de muestra y midiendo varias propiedades de la muestra bajo tracción. Se lleva a cabo en un máquina universal de ensayo (también llamada máquina de prueba de tracción) a velocidades de tracción que van de 1 a 500 mm/min hasta que la muestra falla (rinde o se rompe). Aunque ASTM D638 mide muchas propiedades de tracción diferentes, las siguientes son las más comunes:

• Resistencia a la tracción: la cantidad de fuerza que se puede aplicar a un plástico antes de que Rendimientos (se estira irreparablemente) o Rompe.
• Módulo de tracción – cuánto puede deformarse (estirarse) un material en respuesta a la tensión antes de que ceda. El módulo es una medida de la rigidez de los materiales.
• Alargamiento: el aumento de la longitud del calibre después de la ruptura dividido por la longitud del calibre original. Una mayor elongación indica una mayor ductilidad.
• Relación de Poisson: es una medida de la relación entre lo que se estira un material y lo que se adelgaza durante el proceso de estiramiento.

¿Es ASTM D638 el estándar adecuado para usted?

Hay muchos métodos de prueba diferentes para varios tipos de plásticos. ASTM D638 solo se aplica a muestras de plástico rígido entre 1,00 mm y 14 mm de espesor. Si su muestra es una hoja o película de menos de 1,00 mm de espesor, debe analizarse para ASTM D882. Si bien proporciona resultados similares a ISO 527-2, ASTM D638 no se considera técnicamente equivalente debido a las diferencias en el tamaño de la muestra y los requisitos de prueba. Mientras que algunos grandes fabricantes multinacionales prueban tanto ASTM D638 como ISO 527-2, la mayoría de nuestros clientes demuestran una preferencia por un estándar u otro en función de su ubicación geográfica. Los fabricantes norteamericanos generalmente prueban según ASTM D638, mientras que los de Europa y Asia prueban principalmente según ISO 527-2. Los clientes en China prueban igualmente según ASTM D638 e ISO 527-2. Todos estos métodos de ensayo pueden encontrarse en los módulos de aplicación de Bluehill^® Universal, que son plantillas de métodos preconfigurados para las normas ASTM e ISO más populares.

Sistema de prueba de materiales

La mayoría de los ensayos de la norma ASTM D638 se realizan en una máquina universal de ensayo, como la serie 6800 de Instron. Lo más habitual es un sistema de 5 kN o 10 kN (1125 o 2250 lbf), pero a medida que aumenta la resistencia de los plásticos reforzados y los materiales compuestos, pueden ser necesarias unidades de mayor capacidad, como los sistemas de 30 kN o 50 kN.

de cuña hidráulicas

Es importante que las muestras estén bien sujetas dentro de la máquina de tracción. Las mordazas neumáticas de acción lateral con  caras de mordazas dentadas  suelen ser las mejores para sujetar plásticos rígidos. Con los agarres neumáticos, la fuerza de agarre se mantiene mediante la presión del aire, que permanece constante incluso si el grosor de la muestra cambia significativamente durante la prueba. Para fuerzas superiores a 10 kN, que normalmente solo se encuentran con materiales reforzados, se prefieren las mordazas manuales de acción de cuña .

Tipos de muestras

Hay cinco tipos de muestras permitidas para ASTM D638 que difieren en tamaño dependiendo del grosor de la muestra y la cantidad de material disponible. Los más utilizados son las muestras de tipo I, que tienen un grosor de 3,2 mm y generalmente se crean por moldeo por inyección. Las muestras de tipo I tienen una longitud total de 165 mm y un ancho de 13 mm, con una longitud de calibre de 50 mm. Las muestras planos generalmente se moldean, troquelan o mecanizan en forma de "hueso de perro" o "mancuerna", lo que garantiza que la ruptura ocurra en el centro de la muestra en lugar de en las áreas de sujeción. Además de las muestras planas, ASTM D638 también permite la prueba de tubos rígidos y varillas, los cuales también deben mecanizarse en forma de hueso de perro. En los casos en que el material es limitado, muchos laboratorios utilizarán muestras de Tipo IV o Tipo V. Las dimensiones requeridas para las muestras de tipo IV son las mismas que las requeridas para ASTM D412 troquelado C, lo que significa que se puede utilizar el mismo troquelado. Las muestras de tipo V son los más pequeños, con una longitud de calibre de solo 0,3 pulgadas.

Medición de muestras

Todas las muestras deben medirse antes de la prueba de acuerdo con ASTM D5947. La mayoría de los micrómetros típicos deben ser adecuados para realizar estas mediciones. Para que el sistema de prueba muestre las mediciones de tracción en lugar de solo las mediciones de fuerza, se les pedirá a los operadores que ingresen el área de sección transversal (o grosor y ancho) de la muestra, porque Tracción = Fuerza / Área de sección transversal (esto se muestra en unidades de Psi, Pa, kPa, GPa, etc.).

Las muestras troqueladas o mecanizadas deben medirse individualmente, pero los operadores que utilizan muestras moldeadas por inyección solo necesitan medir una sola muestra de un lote de muestra, siempre que se demuestre que la variación en ese lote de muestra es inferior al 1 %. Las muestras moldeadas por inyección a menudo se producen con un ángulo de tiro en lugar de ser perfectamente cuadradas, lo que debe tenerse en cuenta al medir la muestra. Asegúrese siempre de que las mediciones de anchura se tomen en el centro del ángulo de inclinación.

La función de  dispositivo automático de medición de muestras  de Bluehill Universal permite a los operadores conectar hasta dos micrómetros o dispositivos de medición al ordenador e introducir los datos directamente en el software. Esto elimina las posibilidades de errores de entrada y aumenta la eficiencia.

Alineación de muestras

Para realizar el ensayo correctamente, las probetas deben mantenerse perpendiculares a las caras de las mordazas y no inclinadas en ángulo. La desalineación de las muestras puede causar variaciones importantes en los resultados, por lo que debe prestarse la debida atención para garantizar que todas las muestras estén alineadas de forma coherente para cada ensayo. Una forma de abordar la desalineación es utilizar una cara de la mandíbula que esté cerca de la misma anchura que la muestra, lo que hace que sea relativamente fácil ajustar visualmente la alineación. Pero la forma más fácil de evitar la desalineación es usar un dispositivo de alineación de muestras que se monta directamente en los cuerpos de agarre. Se trata de una simple barra que proporciona un punto de parada ajustable para que los operarios puedan saber fácilmente que su muestra ha sido alineada correctamente.

Cuando se aprietan las mordazas en las probetas de plástico para preparar la realización de un ensayo, a menudo se aplican fuerzas de compresión no deseadas. Estas fuerzas, aunque diminutas, pueden interferir en los resultados de las pruebas si no se tratan adecuadamente: es importante que no se equilibren después de la inserción de la muestra, ya que esto provocará un desfase en los resultados. El software Bluehill Universal puede programarse para normalizar las fuerzas en múltiples muestras y eliminar cualquier holgura o fuerza de compresión, garantizando resultados consistentes entre las muestras. En las máquinas de universal ensayos de la serie 6800, también recomendamos el uso de la Protección de muestras, que está diseñado para evitar daños en la probeta o en el sistema durante la fase de preparación de un ensayo, antes de que se definan los límites operativos del mismo. Cuando está activado, la Protección de muestras ajusta automáticamente el cruceta para mantener cualquier fuerza no deseada por debajo de un cierto límite.

Vea este vídeo para saber más sobre la Protección de muestras.

Extensómetros para pruebas de tensión

El módulo de elasticidad, es decir, cuánto se estira o deforma la probeta en respuesta a la fuerza de tracción, es uno de los tipos de datos más importantes que se recogen en el ensayo de tracción de plásticos ASTM D638. Los usuarios necesitan un dispositivo de medición de tracción adecuado, un extensómetro, para recopilar estos datos. Los extensómetros para medir el módulo deben cumplir con la norma ASTM E83 Clase B-2.

Existen varias opciones de extensómetros en función de las necesidades de su laboratorio. El tipo más sencillo es un extensómetro de pinza de longitud fija de la serie 2630. Un operador debe sujetar esto directamente sobre la muestra al comienzo de cada prueba y retirarla después de que la muestra ceda o antes de que la muestra se rompa. Si se prueba la relación de Poisson, un extensómetro transversal también se debe agregar para medir el cambio en el ancho en toda la región elástica de la muestra. Se puede utilizar un extensómetro transversal independiente para complementar un extensómetro automático o con clip existente, o un biaxial El dispositivo se puede utilizar para medir la tensión axial y transversal simultáneamente.

El AutoX750 es un extensómetro que se adhiere automáticamente a la muestra sin interferencia del operador de prueba. Esto es útil en los laboratorios que tienen necesidades de alto rendimiento, ya que elimina la necesidad de manipulación manual por parte del operador, que requiere mucho tiempo, y también proporciona una colocación más consistente en un gran número de muestras. La colocación consistente da como resultado valores de módulo más repetibles. Si se realizan pruebas según otros estándares, como ASTM D790, los extensómetros automáticos también proporcionan la flexibilidad de usar diferentes longitudes de calibre con un solo dispositivo. A menudo, los plásticos que se ensayan se destinan finalmente a ser utilizados en condiciones no ambientales. Para simular estas aplicaciones de uso final, ASTM D638 se realiza dentro de una cámara de temperatura donde se puede utilizar calefacción o refrigeración (LN2 o CO2). En estos casos, un extensómetro de vídeo avanzado sin contacto (AVE2) es la opción recomendada. El AVE 2 permite recopilar datos de módulo sin que el operador de prueba abra y cierre la cámara y cause fluctuaciones de temperatura durante la prueba.

Cálculos y resultados

Al presentar los resultados de las pruebas, es importante asegurarse de que los términos estén correctamente definidos para garantizar el cumplimiento de la norma y facilitar la comparación de datos entre diferentes laboratorios. El error más común en los informes de datos es informar los valores de deformación utilizando un fuente incorrecta (extensómetro en lugar de cruceta) que puede conducir a resultados drásticamente diferentes.

Los estándares de prueba de plásticos se refieren a un término llamado deformación nominal que se define de manera diferente dependiendo del método de prueba que se esté utilizando. Para ASTM D638, la deformación nominal se define como la deformación medida a partir del desplazamiento de la cruceta, no del extensómetro. Esto se debe a que el plástico no se descompone de forma homogénea, y la tracción suele concentrarse en una parte desproporcionadamente pequeña de la muestra, una propiedad llamada “necking”. Para cualquier material que tenga un punto de elasticidad, el porcentaje de elongación en la rotura no se puede informar a través del extensómetro, ya que el estrangulamiento puede ocurrir fuera de la longitud del medidor del extensómetro. Por lo tanto, se debe usar la tracción nominal para informar el porcentaje de elongación en cualquier punto después del rendimiento. El uso de un extensómetro para la tracción en la rotura solo es aceptable si la cepa es homogénea en toda la muestra y no exhibe estrangulamiento o rendimiento.

Módulo

Los plásticos que exhiben diferentes comportamientos pueden requerir el uso de diferentes cálculos de módulo para capturar adecuadamente la parte elástica de la prueba. La mayoría del software de prueba moderno permite la personalización de los cálculos de módulos. Comprender cómo se calcula el módulo es fundamental para garantizar la coherencia de los resultados.

Para un material que no exhibe una porción lineal verdadera, generalmente se recomienda un módulo secante, creando una línea de módulo entre cero y cualquier punto definido por el usuario en la curva. Los cálculos de módulo de segmento forman una línea de mejor ajuste entre un punto de inicio y final especificado y realizan un ajuste de mínimos cuadrados. Más comúnmente, se utiliza un cálculo de módulo de Young, determinando la pendiente en varias regiones e informando la pendiente más pronunciada a través de un ajuste de mínimos cuadrados. Bluehill Universal permite a los usuarios definir un número de regiones o utilizar el cálculo del módulo automático de Young.

Rendimiento

Para los laboratorios con necesidades de ensayos de gran volumen, se pueden realizar varias modificaciones en la configuración de la máquina de tracción para acelerar el proceso de ensayo y aumentar el rendimiento, hasta llegar a los sistemas de ensayo totalmente automatizados. Los sistemas totalmente automatizados están diseñados para incorporar medición de muestras, carga, pruebas y extracción de muestras, y pueden funcionar durante horas sin la interacción del operador. Estos sistemas ayudan a reducir la variabilidad debido a un error humano y se pueden dejar en funcionamiento después de que termina un turno para continuar obteniendo resultados cuando los operadores se van a casa.