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¿Qué es el módulo de elasticidad?

El módulo de elasticidad, también conocido como módulo elástico o simplemente módulo, es la medición de la elasticidad de un material. El módulo elástico cuantifica la resistencia de un material a la deformación no permanente o elástica. Cuando se someten a tensión, los materiales primero exhiben propiedades elásticas: la tensión hace que se deformen, pero el material volverá a su estado anterior una vez que se elimine la tensión. Después de pasar por la región elástica y por su límite elástico, los materiales entran en una región plástica, donde exhiben una deformación permanente incluso después de que se elimina la tensión de tracción.

El módulo se define como la pendiente de la porción de línea recta de una curva de tensión (σ) deformación (ε). Centrándonos en la región elástica, si la pendiente se toma entre dos puntos de tensión-deformación, el módulo es el cambio en la tensión dividido por el cambio en la deformación. Módulo =(σ2 - σ1) / (ε2 - ε1) donde la tensión (σ) es la fuerza dividida por el área de la sección transversal de la probeta y la deformación (ε) es el cambio en la longitud del material dividido por la longitud original calibrada del material. Dado que tanto la tensión como la deformación son mediciones normalizadas, el módulo es una propiedad consistente del material que se puede comparar entre probetas de diferentes tamaños. Una probeta de acero grande tendrá el mismo módulo que una probeta de acero pequeña, aunque la probeta grande requerirá una fuerza máxima mayor para deformar el material. Los materiales frágiles como los metales, los plásticos y los compuestos exhibirán una pendiente más pronunciada y un valor de módulo más alto que los materiales dúctiles como el caucho.

Módulo de elastómeros

A diferencia de los materiales frágiles como los plásticos y los metales, los materiales elastoméricos no exhiben un límite elástico y continúan deformándose elásticamente hasta la rotura. En este caso, el módulo se informa simplemente como una medida de la fuerza a una elongación dada. Por ejemplo, en el gráfico a continuación, el módulo se informa como tensión al 100, 200 y 300% de deformación.

Aunque el módulo se informa más comúnmente durante los ensayos de tracción, el módulo de elasticidad también se puede informar como módulo de elasticidad a compresión para ensayos de compresión, módulo de elasticidad a flexión para ensayos de flexión, módulo de elasticidad a cortante para ensayos de cortante o módulo de elasticidad a torsión para ensayos de torsión. El módulo de elasticidad también se puede determinar mediante ensayos dinámicos, donde se puede derivar del módulo complejo.

Cálculo de diferentes tipos de módulo

Los usuarios que registren el módulo deben ser conscientes de que existen muchas formas diferentes de calcular la pendiente de la porción lineal inicial de una curva de tensión/deformación. Por ejemplo, el software Bluehill® Universal de Instron ofrece más de ocho formas diferentes de calcular el módulo de elasticidad. Al comparar los resultados del módulo para un material dado entre diferentes laboratorios, es fundamental saber qué tipo de cálculo del módulo se eligió.

Módulo de Young

Las pendientes se calculan en la porción lineal inicial de la curva utilizando el ajuste de mínimos cuadrados en los datos de ensayo. La pendiente más pronunciada se informa como el módulo.

Módulo de cuerda

Un usuario selecciona un punto de deformación inicial y un punto de deformación final. Se dibuja una línea entre los dos puntos y la pendiente de esa línea se registra como el módulo.

Módulo secante

Utiliza el punto de tensión/deformación cero como valor inicial y un punto de deformación seleccionado por el usuario como valor final. Se dibuja una línea entre los dos puntos y la pendiente de esa línea se registra como el módulo.

Módulo de segmento

Un usuario selecciona un punto de deformación inicial y un punto de deformación final. Utilizando el ajuste de mínimos cuadrados en todos los puntos entre los puntos inicial y final, se construye una línea. La pendiente de la línea de mejor ajuste se informa como el módulo.

Módulo tangente

Un usuario selecciona un punto tangente en la curva de tensión/deformación. La pendiente de la línea tangente se informa como el módulo.

Módulo E

El módulo elástico se determina utilizando una técnica de regresión lineal estándar. La porción de la curva que se utilizará para el cálculo se elige automáticamente y excluye las porciones inicial y final de la deformación elástica donde la curva de tensión-deformación no es lineal.

Módulo de histéresis

El módulo se determina mediante un bucle de histéresis generado por una sección de carga y recarga.

El índice de fluidez es una medida de la facilidad de flujo del plástico fundido y representa un índice típico para el control de calidad de los termoplásticos. Originalmente llamado índice de fluidez o índice de fusión (normalmente para el polietileno, pero aplicado a una variedad de materiales), la designación estándar actual es índice de fluidez en masa o MFR, que es un flujo de masa expresado (unidades SI) en g/10min. Una cantidad alternativa es el flujo de volumen expresado (unidades SI) en cm3/10min, llamado índice de fluidez en volumen o MVR. MVR multiplicado por la densidad de fusión (es decir, la densidad del material en estado fundido) da MFR.

Los instrumentos típicos de índice de fluidez son compactos y fáciles de usar. El principio básico es que una muestra de termoplástico (originalmente en forma de gránulos, polvo o escamas) se vuelve fluida mediante calentamiento y se fuerza a fluir fuera de un cilindro a través de un troquel capilar. El pistón de extrusión se carga con pesas muertas, normalmente hasta 21,6 kg. MFR (y MVR) se obtienen en condiciones estándar de temperatura y carga aplicada, definidas para cada tipo de material, y normalmente utilizando un tipo fijo de troquel (diámetro interior 2,095 mm, longitud 8 mm). El resultado siempre debe especificar las condiciones de prueba porque depende en gran medida de ellas.

MFR y MVR se utilizan normalmente en laboratorios de control de calidad y laboratorios de control de producción. El procedimiento básico prevé una sincronización, corte y pesaje manual del material extruido, lo que da directamente un valor de MFR. Los procedimientos semiautomáticos permitidos por los instrumentos modernos se basan en mediciones directas del desplazamiento del pistón, por lo que dan directamente un valor de MVR. La densidad de fusión se puede escribir o medir y, por lo tanto, también se obtienen resultados de MFR. Los procedimientos semiautomáticos pueden lograr una precisión mucho mayor y garantizar una gama más amplia de caudales medibles. Los métodos más avanzados prevén la aplicación de varias cargas durante la misma prueba, cada una de las cuales da un resultado de MFR (MVR). Esto se denomina prueba de peso múltiple y proporciona información adicional sobre la muestra, con cierta información sobre la dependencia de la viscosidad al cizallamiento. Una prueba MFR de un solo peso se puede correlacionar con la masa molecular promedio, mientras que la dependencia del cizallamiento depende de la distribución de la masa molecular.

El índice de fluidez es una herramienta rápida para comparar lotes del mismo material o para estimar las propiedades de flujo de diferentes materiales (normalmente para procesos de extrusión), cuando no se requiere una comprensión profunda de las propiedades del material. Se puede llevar a cabo una verdadera caracterización reológica por medio de reómetros. El índice de fluidez es inversamente proporcional a la viscosidad (de cizallamiento), pero no se utiliza para determinar esta última (puede dar solo una estimación aproximada).

Referencias:

• ISO 1133:2005 "Plásticos - Determinación del índice de fluidez en masa (MFR) y del índice de fluidez en volumen (MVR) de termoplásticos"
• ASTM D1238-10 "Método de prueba estándar para los índices de fluidez de los termoplásticos mediante plastómetro de extrusión"

Equipo de prueba

Las pruebas de índice de fluidez se realizan en máquinas de mesa de prueba de índice de fluidez, como MF20 y MF30 de Instron. Estas máquinas están disponibles en una variedad de tamaños diferentes. Dependiendo del número de masas necesarias para su material, las máquinas pueden equiparse con un elevador de pesas automático.

El módulo de tenacidad es la capacidad de un material para absorber energía en la deformación plástica. Se define como la cantidad de densidad de energía de deformación (deformación en un volumen unitario de material) que un material determinado puede absorber antes de fracturarse. El módulo de tenacidad se mide en unidades de PSI o pascales. Se puede determinar en un ensayo calculando el área total bajo la curva de tensión-deformación hasta el punto de fractura de la muestra. El módulo de tenacidad de un material variará en función de la ductilidad del material; dos materiales con la misma resistencia a la fluencia pueden variar mucho en su módulo de tenacidad si uno de los materiales es más dúctil que el otro. El material dúctil se estirará más y tendrá una mayor área bajo su curva de tensión-deformación.

Cuando los ingenieros civiles diseñan nuevas estructuras, es fundamental que tengan acceso a los datos del módulo de tenacidad al elegir los materiales. Al diseñar una estructura que pueda ser susceptible a una sobrecarga accidental, es más seguro seleccionar un material más dúctil con un módulo de tenacidad más alto, incluso si otros materiales más baratos tienen la misma resistencia a la fluencia.