Comportamiento mecánico y fractura de mezclas de poliestireno y microesferas de vidrio

Abstract

En esta Tesis se ha estudiado fundamentalmente el efecto que la introducción de una carga rígida formada por microesferas de vidrio tiene sobre las propiedades mecánicas y sobre la fractura de los compuestos poliestireno-microesferas.<br/><br/>El módulo elástico a tracción aumenta con el porcentaje de microesferas pudiéndose aplicar los modelos de isotensión que consideran la ausencia de adhesión entre la matriz y la carga, observada mediante el análisis fractográfico por MEB de las probetas ensayadas. Por la misma causa, la resistencia a la tracción disminuye con el porcentaje de carga. La adición de microesferas potencia los mecanismos de deformación predominantes en tracción, sucediéndose la nucleación de microcavidades, su crecimiento, y la aparición y generalización del crazing.<br/><br/>Una de las características más relevantes de los compuestos ha sido el gran aumento de la deformación a cedencia y a la rotura que viene motivado por la aparición de crazing múltiple y extensivo, alcanzándose el mayor nivel de deformación con un 15 % en peso de microesferas, porcentaje que representa el límite de saturación de la matriz.<br/><br/>Las propiedades mecánicas a alta velocidad de deformación se han descrito satisfactoriamente a través de la técnica de impacto por caída de dardo siendo el mejor modelo el de flexión de baja energía. La tensión de inicio de fallo por impacto se ha situado en 45 Mpa mientras que el nivel de tensión para provocar la separación de fases se ha cuantificado en 18 MPa.<br/><br/>En fractura las partículas provocan la estabilización de la propagación de grieta. Cuando hay muy pocas microesferas (<6% peso) predomina el carácter inestable y se puede aplicar el criterio de la LEFM. La composición del 6% tiene un comportamiento de transición estable-inestable, mientras que en porcentajes superiores de carga se ha observado fractura estable hallándose el valor de JIC. Con la inclusión de cantidades moderadas de partículas ( 10 % en peso) se consigue un aumento paralelo de los parámetros de fractura KIC, GIC (JIC) y del módulo elástico. Los mecanismos de refuerzo que causan el incremento son: La desviación del plano de la grieta, la interacción frente de grieta - partícula por el fenómeno de anclaje-arqueo de la misma y la promoción del crazing múltiple. En el rango de altas velocidades de deformación la presencia de microesferas mejora las características de fractura aunque es menor la importancia de los procesos de absorción energética derivados de la presencia de las partículas.<br/><br/>A través de un modelo de elementos finitos se ha estimado el valor del módulo elástico y del coeficiente de Poisson de las mezclas, encontrando una gran similitud entre los valores experimentales y los teóricos así calculados. Por otra parte a partir de las distribuciones de tensiones entorno de las inclusiones se ha establecido que el proceso de fractura se inicia con la separación de fases entorno del polo de la esfera para posteriormente generar una grieta interfacial que discurre hasta un ángulo de 70 º para a partir de ese instante iniciarse y crecer el crazing en el sentido perpendicular a la tensión aplicada.