On the fracture behavior of ductile polymer films : notch quality, essential work of fracture, J-integral, and crack tip opening displacement

Abstract

Polymers have a wide range of applications. Their ability to be shaped into multiple forms makes it possible to obtain polymer films, which are highly used in industries such as food and pharmaceuticals. Characterization of polymer films using the classical mechanical properties is well-defined; however, this is not the case for the fracture properties. The overall aim of this work was to analyze in full-detail the fracture behavior of ductile polymer films by applying the appropriate fracture mechanics approaches. The first part of the thesis aimed to investigate the existing relationships between the specific essential work of fracture, the J-value at crack initiation, and crack tip opening displacement at crack initiation values and find clear evidence that makes the specific essential work of fracture the specific energy at crack initiation, that is, an initiation value. To do this, the digital image correlation technique was applied in double edge notched tension specimens. Applying this technique makes it possible to measure the displacement and ligament length at the same time, allowing that the essential work of fracture, the J-integral, and the crack tip opening displacement fracture approaches to be performed in a single set of double edge notched tension specimens. The second part of the thesis was focused on analyzing the influence of the notch quality on the fracture behavior. The specimen preparation, particularly the notch sharpening technique, has been studied in more depth. With the purpose of seeing the influence of the notch sharpening procedure, several techniques have been used, including femtosecond laser ablation, razor blade sliding on specimens at room temperature and frozen by liquid nitrogen, saw cutting, plastically deformed saw cutting, scalpel sliding and drilled holes used as notches. The results revealed that all of the femtolaser sharpened notches had very consistent, sharp notches without plastic deformation in front of the notch tip. Instead, the razor blade sliding technique (the generalized way to sharpen notches in ductile polymer films) produced very sharp cracks, as sharp as the femtolaser ones, but the different compressive component of the sliding force that was applied by the operator generated notches with different levels of plastic deformation ahead of the notch tip. As different notch sharpening techniques produce different levels of plastic deformation at the crack tip, differences would also be expected in the shape and size of the stress-displacement curves. In the third part of the thesis, the shape and size of the stress-displacement curves that were notched in distinct ways were analyzed to clarify their EWF behavior. In the propagation region, it is also identified the parabolic shape of the stress-displacement curves, which modeled relates the specific non-essential work of fracture with the stress at crack initiation and the extension ratio during the crack growth.

Los materiales poliméricos poseen un amplio rango de aplicaciones. Su habilidad de adquirir múltiples formas hace posible obtener películas de polímero, las cuales son altamente usadas en industrias como la de alimentos y productos farmacéuticos. La caracterización de dichas películas de polímero usando propiedades mecánicas clásicas se encuentra bien definido; sin embargo, este no es el caso con las propiedades a fractura. El objetivo general de este trabajo fue analizar en detalle el comportamiento a fractura de películas de polímero dúctiles mediante la aplicación de los enfoques adecuados de la mecánica de la fractura. La primera parte de la tesis investiga las relaciones existentes entre el trabajo esencial específico de fractura, el valor de la integral J de iniciación del crecimiento de la grieta y el desplazamiento crítico para la apertura de la punta de la grieta, ademas de encontrar pruebas claras que hacen al trabajo esencial específico de fractura la energía específica necesaria para el crecimiento de grieta, es decir, un valor de iniciación. Para hacer esto, se aplicó la técnica de correlación de imágenes digitales a probetas de doble entalla sometidas a tracción. Esta técnica permite medir el desplazamiento y la longitud de ligamento al mismo tiempo, lo que hace posible que el trabajo esencial de fractura, la integral J y el desplazamiento de apertura en la punta de la grieta se puedan realizar en un único conjunto de probetas de doble entalla sometidas a tracción. La segunda parte de la tesis se centró en analizar la influencia de la calidad de la entalla en el comportamiento a la fractura. La preparación de la muestra, particularmente la técnica de agudización empleada en la entalla, se ha estudiado con mas profundidad. Con el propósito de ver la influencia del procedimiento de agudización de la entalla, se han utilizado varias técnicas, entre las que se incluyen la ablación con láser de femtosegundo, agudización con cuchilla de afeitar sobre muestras a temperatura ambiente y congeladas con nitrógeno líquido, entallas realizadas con corte de sierra, entallas realizadas con corte de sierra deformadas plásticamente, agudización con bisturí y agujeros taladrados usados como entallas. los resultados revelaron que todas las entallas agudizadas con femtolaser eran muy consistentes y agudas, sin deformación plástica en frente de la punta de la grieta. En cambio, la técnica con cuchilla de afeitar produjo grietas muy agudas, tan agudas como las del femtolaser, pero diferencias en la fuerza compresiva usada por parte del operador al momento de aplicar la técnica, generó entallas con diferentes niveles de deformación plástica por delante de la punta de la grieta. Ya que las diferentes técnicas de agudización producen diferentes niveles de deformación plástica en la punta de la grieta, también se esperarían diferencias en la forma y el tamaño de la curvas tensión - desplazamiento. En la tercera parte de la tesis, la forma y el tamaño de curvas tensión - desplazamiento de especímenes que fueron entallados de diversas maneras fueron analizadas con el objetivo de clarificar su comportamiento a fractura. También, en la región de propagación se identifica la forma parabólica de las curvas tensión - desplazamiento, la cual modelada relaciona el trabajo especifico no esencial de fractura con la tensión de iniciación de crecimiento de grieta y la razón de extensión durante el crecimiento de grieta