Efecto entalla en la fractura de espumas poliméricas

Abstract

RESUMEN: El presente trabajo fin de máster aborda el análisis del comportamiento a fractura en presencia de entallas con diferentes radios de un material habitual en el ámbito de la edificación y construcción como es el poliestireno expandido. El estudio del material se realizó en base a ensayos de flexión en probetas con distintos radios de entalla y la aplicación de la Teoría de las Distancias Críticas, para relacionar la distancia crítica con el tamaño de grano del material. El trabajo comenzó con la recopilación de información acerca de las características y el proceso de fabricación de las espumas poliméricas. De acuerdo con la información de partida, se estudiaron una espuma de baja densidad y otra de alta densidad de poliestireno expandido para comprobar las diferencias en su comportamiento mecánico. Se encargaron probetas normalizadas de acuerdo a la norma de ensayos de flexión con hasta cuatro tipos de radio de entalla distintos. Después, se eligieron los dispositivos adecuados para la realización de los ensayos de flexión en tres puntos de las probetas con entalla. Previamente a la fase experimental, se midieron las probetas y la densidad de los materiales. Se ensayaron las probetas de las dos densidades, los cuatro tamaños de entalla y los dos fondos de entallas diferentes (semicircular y rectangular), llegando a un total de noventa y seis muestras ensayadas. También se calcularon los parámetros necesarios para caracterizar el material, en concreto la resistencia a tracción, mediante ensayos de flexión en probetas lisas sin entalla. Se analizó el comportamiento de fractura en base a la Mecánica de la Fractura Elastoplástica con la integral de contorno J. Los resultados experimentales de la tenacidad aparente del material en presencia de entalla fueron analizados con la Teoría de las Distancia Críticas, obteniendo una aproximación adecuada con el método de la línea en las espumas de baja densidad, además de una tendencia del efecto entalla, donde la tenacidad del material aumenta con el incremento del radio de entalla. Por el contrario, en las espumas de alta densidad no se cumplió el efecto entalla y la aproximación más fiel a los ensayos fue la del método del punto. Por último, se analizaron los mecanismos de fractura y la influencia del tamaño de las perlas. En las espumas de baja densidad que poseen un mayor tamaño de perla, la rotura se produce entre los contactos de las perlas. En las espumas de alta densidad con menor tamaño de perla, la fractura también es intergranular pudiendo producirse entre grupos de perlas fusionadas

ABSTRACT: The present master’s thesis addresses the analysis of fracture toughness behavior with different notch radii presence of a typical material in the field of building and construction such as expanded polystyrene. The study of the material was based on bending tests in specimens with different notch radii and the application of the Theory of Critical Distances, in order to relate the critical distance with the grain size of the material. The study began with the information gathering on the characteristics and manufacturing process of polymeric foams. According to the initial information, a low-density foam and a high-density foam were studied to verify the differences in their mechanical behavior. Single Edge-Notched Bend specimens were ordered according to the bending test standards with up to four different notch radii. Later on, the appropriate devices for carrying out the three-point bending tests on SENB specimens were chosen. Prior to the experimental phase, test specimens’ measurements and the actual density were obtained. The tests were carried out on specimens of the two densities, the four notch radii and the two different notch tips (semi-circular and rectangular), bringing the total number of samples tested to ninety-six. The parameters required for the material characterization, the tensile strength to be exact, were also calculated by bending tests on non-defect specimens. Afterwards the material fracture behavior was analyzed based on Elastic-Plastic Fracture Mechanics with the J-integral approach. Apparent fracture toughness experimental results were analyzed with the Theory of Critical Distances, obtaining a suitable approximation with the line method in low-density foams, in addition to an appreciable notch effect, where apparent fracture toughness increases along with the notch radii growth. Otherwise, high-density foams did not meet the notch effect and closest approximation to the test results was the point method. Finally, fracture mechanisms and bead size influence were analyzed. In low-density foams with larger bead size, fracture occurs along the bead contact. In high-density foams with smaller bead size, fracture propagates also along contacts and may occur between fused bead groups.