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

EJECUCIÓN DE UN ENSAYO DE RESISTENCIA A LA TRACCIÓN EN PLÁSTICOS SEGÚN ASTM D638

ASTM D638 Tensile Properties of Plastics

ASTM D638 es el estándar de ensayo más común para determinar las propiedades de tracción de los plásticos reforzados y no reforzados. Dado que el uso de plásticos ha alcanzado un máximo histórico, es fundamental que los fabricantes puedan medir adecuadamente la resistencia mecánica de sus materiales. Esta guía se ha diseñado para presentar los elementos básicos de un ensayo de tracción en plásticos ASTM D638, incluyendo una descripción general del equipo, el software y las muestras necesarias. No obstante, cualquier persona que se disponga a ejecutar ensayos ASTM D638 no debe considerar esta guía como sustituto válido de la lectura del estándar completo.

¿Qué mide?

El ensayo ASTM D638 se ejecuta mediante la aplicación de fuerza de tracción a una probeta de muestra y la medición de distintas propiedades de la probeta bajo esfuerzo. Se lleva a cabo en una máquina de ensayo universal (también llamada máquina de ensayo de tracción) con índices de tracción que varían de 1 a 500 mm/min hasta que la probeta falla (fluencia o rotura). Aunque ASTM D638 mide una gran variedad de propiedades de tracción distintas, las siguientes son las más comunes:

  • Resistencia a la tracción: cantidad de fuerza que se puede aplicar a un plástico hasta la fluencia (se estira de forma irreparable) o la rotura.
  • Módulo de tracción: cuánto se puede deformar (estirar) un material como consecuencia del esfuerzo antes de la fluencia. El módulo es una medición de la rigidez del material.
  • Alargamiento: incremento de la distancia inicial después de la rotura dividido entre la distancia inicial original. Un mayor alargamiento indica una ductilidad superior.
  • Módulo de Poisson: medición de la relación entre cuánto se estira un material y la delgadez que alcanza durante el proceso de estiramiento.

¿Es ASTM D638 el estándar adecuado para usted?

Existe una gran variedad de métodos de ensayo diferentes para los distintos tipos de plásticos. ASTM D638 se aplica únicamente a las muestras de plásticos rígidos con un grosor de entre 1,00 mm y 14 mm. Si su muestra es una hoja o película con un grosor inferior a 1,00 mm, consulte ASTM D882. Si va a ensayar un elastómero, consulte ASTM D412. Puede encontrar estos y otros métodos en los módulos de aplicaciones de Bluehill®Universal, que consisten en plantillas de métodos preconfiguradas para las normas ASTM e ISO más habituales.

 Bluehill Universal preset methods menu

Tipos de probetas

ASTM D638 admite cinco tipos de probetas, cuyo tamaño difiere en función del grosor de la probeta y la cantidad de material disponible. Las probetas más utilizadas son las de Tipo I, que presentan un grosor de 3,2 mm y, generalmente, se fabrican mediante moldeo por inyección. Las probetas de Tipo I tienen una longitud total de 165 mm y una anchura de 13 mm, con una distancia inicial de 50 mm. Normalmente, las probetas planas se moldean, troquelan o manufacturan con forma de “hueso de perro” o “mancuerna”, lo que garantiza que la rotura se produzca en el centro de la probeta en lugar de en las zonas de sujeción. Aparte de probetas planas, ASTM D638 también permite ensayar varillas o tubos rígidos, que también deben tener forma de hueso de perro.

 ASTM D638 dogbone specimen

En los casos en los que el material es limitado, muchos laboratorios emplean probetas de Tipo IV o Tipo V. Las dimensiones requeridas para las probetas de Tipo IV son las mismas que para ASTM D412 troquelado C, es decir, se puede utilizar el mismo troquel. Las probetas de Tipo V son las más pequeñas, con una distancia inicial de tan solo 0,3 pulg.

Inputting specimen properties in Bluehill Universal

Medición de probetas

Todas las probetas se deben medir antes del ensayo de conformidad con ASTM D5947. La mayoría de los micrómetros típicos deberían ser adecuados para efectuar estas mediciones. Para que el sistema de ensayo muestre las mediciones de esfuerzo en lugar de solo las mediciones de fuerza, los operadores deberán introducir el área transversal (o el grosor y la anchura) de la probeta, ya que Esfuerzo = Fuerza / Área transversal (esto se muestra en unidades como Psi, Pa, kPa, GPa, etc.).

Las muestras troqueladas o manufacturadas se deben medir individualmente; no obstante, los operadores que empleen probetas moldeadas por inyección solo deben medir una única probeta de un conjunto de muestra, siempre que se haya demostrado que la variación en dicho conjunto de muestras es inferior al 1 %. Las probetas moldeadas por inyección se suelen fabricar con un ángulo de desmoldeo en lugar de ser perfectamente cuadradas, lo que se debe tener en cuenta al medir la probeta. Siempre debe asegurarse de que las mediciones de anchura se realicen en el centro del ángulo de desmoldeo.

2850-007

La función Dispositivo de medición automática de la probeta disponible en Bluehill Universal permite a los operadores conectar al ordenador hasta dos micrómetros o dispositivos de medición e introducir los datos directamente en el software. Esto elimina la posibilidad de errores de entrada y aumenta la eficiencia.

Sistema de ensayo de materiales

La mayoría de los ensayos ASTM D638 se ejecutan en una máquina de ensayo universal de sobremesa. Los sistemas de 5 kN o 10 kN (1125 o 2250 lbf) son los más comunes, pero a medida que aumenta la fuerza de los plásticos y los materiales compuestos, es posible que se requieran unidades con una capacidad superior (como sistemas de 30 kN o 50 kN).

Instron 5960 Series Universal Testing Machine and Instron 3360 Series Universal Testing Machine

Mordazas

Es importante que las probetas estén sujetas de forma segura en el interior de la máquina de tracción. Las mordazas neumáticas de acción lateral con superficies de mandíbula serradas suelen ser las mejores mordazas para la sujeción de plásticos rígidos. Con las mordazas neumáticas, la fuerza de sujeción se mantiene mediante la presión del aire, que permanece constante incluso si el grosor de la probeta cambia significativamente durante el ensayo. Para fuerzas superiores a 10 kN, que generalmente solo se encuentran en materiales reforzados, es preferible utilizar mordazas de cuña manuales.

Diagram indicating the grips, jaw faces, and specimen alignment device on a universal testing machine

Alineación de la probeta

Para que un ensayo se pueda ejecutar correctamente, las probetas se deben colocar perpendiculares a las superficies de mandíbula, no inclinadas o en un ángulo. La alineación incorrecta de las probetas puede provocar grandes variaciones en los resultados; por ello, se debe prestar especial atención para garantizar que la alineación de las probetas sea consistente en cada ensayo.

Difference between well-aligned specimen and poorly aligned specimen

Una forma de abordar la alineación incorrecta consiste en utilizar una superficie de mandíbula cuya anchura sea similar a la de la probeta, lo que consigue que ajustar la alineación visualmente sea relativamente sencillo. No obstante, la forma más sencilla de evitar la alineación incorrecta es emplear un dispositivo de alineación de probetas montado directamente en los cuerpos de las mordazas. Se trata de una barra simple que proporciona un punto de parada ajustable, de modo que los operadores pueden observar fácilmente que la probeta se ha alineado correctamente.

Cuando las mordazas se aprietan en torno a las probetas de plástico en preparación para la ejecución del ensayo, se suelen aplicar fuerzas de compresión no deseadas. Estas fuerzas, aunque son mínimas, pueden interferir con los resultados si no se tratan adecuadamente: es fundamental que no se equilibren después de insertar la probeta, ya que esto causará una variación en los resultados. El software Bluehill Universal se puede programar para normalizar las fuerzas en varias probetas y eliminar cualquier fuerza de compresión o pretensión, lo que garantiza la consistencia de los resultados en todas las probetas. En las máquinas de ensayo universales 5900 Series, también recomendamos utilizar Specimen Protect, que se ha diseñado para evitar que la probeta o el sistema sufran daños durante la fase de configuración de un ensayo, antes de que se hayan definido los límites de funcionamiento del ensayo. Cuando está activada, Specimen Protect ajusta automáticamente la cruceta para mantener las fuerzas no deseadas por debajo de un determinado límite.

Vea este vídeo para obtener más información sobre Specimen Protect.

Extensómetros para ensayos de tracción

El módulo de elasticidad, es decir, cuánto se estira o deforma la probeta como consecuencia de la fuerza de tracción, es uno de los tipos de datos más importantes obtenidos a partir de un ensayo de tracción en plásticos ASTM D638. Para recopilar este dato, los usuarios requieren un dispositivo de medición de deformación adecuado: un extensómetro. Los extensómetros empleados para medir el módulo deben cumplir con ASTM E83 Clase B-2.

En función de las necesidades del laboratorio, hay varias opciones de extensómetros disponibles. El tipo más sencillo consiste en un extensómetro de clip de distancia inicial fija de la serie 2630. El operador debe enganchar este tipo de extensómetro directamente en la probeta al principio de cada ensayo y extraerlo una vez que la probeta cede o antes de que se rompa.

 Axial and Biaxial extensometers

El extensómetro AutoX750 se conecta automáticamente a la probeta sin necesidad que el operador del ensayo intervenga. Esto resulta útil en laboratorios con necesidades de rendimiento elevado, ya que elimina la manipulación manual por parte del operador (lo que requiere una gran cantidad de tiempo) y además ofrece una colocación más precisa cuando hay un gran número de probetas. La colocación consistente genera valores de módulo más repetibles. Si el ensayo se realiza de conformidad con otros estándares, como ASTM D790, los extensómetros automáticos también aportan la flexibilidad de utilizar distintas distancias iniciales con un único dispositivo.

Automatic Extensometer

A menudo, los plásticos sometidos a ensayo están destinados a su uso en condiciones no ambientales. Para simular estas aplicaciones de uso final, ASTM D638 se ejecuta en el interior de una cámara de temperatura que permite utilizar calefacción o refrigeración (LN2 o CO2). En estos casos, la opción recomendada es un extensómetro de vídeo automático sin contacto (AVE 2). El AVE 2 permite recopilar los datos de módulo sin que el operador abra y cierre la cámara y provoque fluctuaciones de temperatura durante el ensayo.

Universal testing machine with temperature chamber and automatic video extensometer 

Si se ejecuta el ensayo para obtener el módulo de Poisson, también se debe añadir un extensómetro transversal para medir el cambio de anchura en la región elástica de la probeta. Se puede utilizar un extensómetro transversal independiente para complementar un extensómetro de clip o automático existente, o se puede utilizar un dispositivo biaxial para medir la deformación transversal y axial simultáneamente.

Plastic specimen in universal testing machine with axial and biaxial extensometers

Cálculos y resultados

Al presentar los resultados de un ensayo, es importante que los términos se hayan definido correctamente para garantizar el cumplimiento de los estándares y facilitar la comparación de datos entre distintos laboratorios.

Bluehill Universal test calculations screen

Medición de la deformación

El error más común en la generación de informes de datos es informar los valores de deformación utilizando una fuente incorrecta (extensómetro en lugar de cruceta), lo que puede dar lugar a resultados totalmente diferentes.

Los estándares de ensayo en plásticos hacen referencia a un término llamado “deformación nominal”, que se define de distintas formas en función del método de ensayo utilizado. Para ASTM D638, la deformación nominal se define como la deformación medida desde el desplazamiento de la cruceta, no desde el extensómetro. Esto se debe a que el plástico no se descompone de forma homogénea y la deformación se suele enfocar en una parte desproporcionadamente pequeña de la muestra, una propiedad llamada “estrechamiento”. Para cualquier material que se estreche o tenga un punto de fluencia, el porcentaje de alargamiento en la rotura no se puede obtener mediante el extensómetro, ya que el estrechamiento podría ocurrir fuera de la distancia inicial del extensómetro. Por lo tanto, es necesario emplear la deformación nominal para informar el porcentaje de alargamiento en cualquier punto después de la fluencia. El uso del extensómetro para la deformación en la rotura solo es aceptable si la deformación es homogénea en la probeta y esta no presenta estrechamiento ni fluencia.

Bluehill Universal stress strain curve and test results

Módulo

Los plásticos que muestran comportamientos diferentes pueden requerir el uso de cálculos de módulo distintos para capturar adecuadamente la parte elástica del ensayo. La mayoría de los títulos de software de ensayo actuales permiten personalizar los cálculos del módulo. Comprender cómo se calcula el módulo es fundamental para garantizar la consistencia de los resultados.

Para un material que no muestra una parte lineal verdadera, generalmente se recomienda un módulo secante, lo que crea una línea de módulo entre cero y cualquier punto definido por el usuario en la curva. Los cálculos del módulo de segmento forman una línea de ajuste óptimo entre un punto inicial y final especificados, y ejecuta un ajuste por mínimos cuadrados. Generalmente se utiliza un cálculo de módulo de Young, que determina la pendiente en varias regiones e informa sobre la pendiente más pronunciada mediante el ajuste por mínimos cuadrados. Bluehill Universal permite a los usuarios definir varias regiones o utilizar el cálculo del módulo automático de Young.

Rendimiento

Para laboratorios con necesidades de ensayo de alto volumen, se pueden aplicar varias modificaciones a la configuración de la máquina de tracción para agilizar el proceso de ensayo y aumentar el rendimiento, incluso hasta sistemas de prueba totalmente automatizados. Los sistemas de prueba totalmente automatizados están diseñados para incorporar la medición de probetas, la carga de probetas, el ensayo y la extracción, y pueden funcionar durante horas sin la intervención del operador. Estos sistemas ayudan a reducir la variabilidad derivada de errores humanos y se pueden dejar en funcionamiento después del final del turno para seguir obteniendo resultados cuando los operadores abandonan las instalaciones.