Agrietamiento por esfuerzo ambiental

Agrietamiento por esfuerzo ambiental

Puntos clave

• El ESC requiere esfuerzo y un agente químico al mismo tiempo: ninguno de los dos por sí solo causaría la falla.
• Se cita ampliamente como la mayor causa individual de fallas de piezas plásticas en servicio.
• El agente no necesita atacar químicamente al polímero. Muchos son inofensivos en una pieza libre de esfuerzos.
• Los polímeros amorfos son los más vulnerables, en particular el policarbonato y el ABS.

Agrietamiento por esfuerzo ambiental

El agrietamiento por esfuerzo ambiental (ESC, environmental stress cracking) es la falla frágil de un polímero bajo la acción combinada de un esfuerzo mecánico y el contacto con un agente químico, a niveles de esfuerzo y concentraciones químicas que por separado serían inofensivos. La falla es física y no química: no ocurre una degradación significativa del polímero, y precisamente por eso sorprende a la gente.

El agente penetra la superficie del polímero y plastifica la región sometida a esfuerzo, reduciendo la resistencia local a la formación de microgrietas (crazing). Estas se forman, se unen en grietas y la pieza falla de manera frágil aunque el material sea nominalmente dúctil. El análisis de la pieza fallada suele mostrar que el polímero está por completo dentro de especificación, lo que hace que las fallas por ESC se diagnostiquen de forma persistente como defectos del material.

Los tres requisitos

Si se elimina cualquiera de los tres, la falla no ocurre. Esa es la base práctica de toda estrategia de prevención, y por lo general lo más económico es atacar el esfuerzo.

Susceptibilidad por polímero

Por qué importa en la decoración y el marcado

El ESC es un riesgo recurrente y poco reconocido justo en las operaciones que siguen al moldeo, porque esas operaciones introducen tanto esfuerzo como química:

• El marcado láser añade esfuerzo térmico local sobre el esfuerzo residual del moldeo. En policarbonato y acrílico, las microgrietas pueden aparecer horas o días después del marcado y no de inmediato, por lo que una pieza que pasa la inspección en la máquina puede fallar en el turno siguiente.
• Las tintas, los adhesivos, los imprimantes y sus solventes son agentes químicos aplicados directamente sobre una superficie sometida a esfuerzo. Que una prueba de adhesión por corte cruzado se apruebe no dice nada sobre si la tinta iniciará agrietamiento en servicio.
• Los pasos de limpieza previos a la decoración son un culpable frecuente. El alcohol isopropílico es el limpiador estándar previo al pegado y también es un conocido agente de ESC para el ABS y el acrílico.
• Marcar sobre una compuerta, una línea de unión o la raíz de una nervadura coloca el aporte térmico exactamente donde se concentra el esfuerzo residual.
• La deformación por ensamble lo agrava. Una pieza decorada sin incidentes puede agrietarse una vez que se ensambla a presión o se atornilla, porque el ensamble aporta el esfuerzo que faltaba.

Prevención y pruebas

• Reduzca el esfuerzo residual. Recueza donde la aplicación lo justifique, optimice la ubicación de la compuerta y el enfriamiento, y evite las esquinas internas agudas. Suele ser la más económica de las tres palancas.
• Evalúe cada químico con el que la pieza tendrá contacto, no solo los previstos, sino también agentes de limpieza, cremas para manos, lubricantes y plastificantes que migran desde componentes adyacentes.
• Pruebe bajo esfuerzo, no en probetas planas. Es el error de prueba más común. Los métodos de tira doblada y de plantilla elíptica aplican una deformación conocida durante la exposición química, que es la única forma de que aparezca la interacción. ASTM D543 cubre la resistencia química y ASTM D1693 el método clásico ESCR para polietileno.
• Use una prueba de esfuerzo con solvente para revelar el esfuerzo residual durante el desarrollo del proceso: la exposición controlada hace visibles las concentraciones de esfuerzo como microgrietas antes de que causen fallas en campo.
• Inspeccione con retraso. Incluya en la calificación una reinspección a las 24 horas o más, ya que las microgrietas con frecuencia se desarrollan después de que la pieza ha salido de la celda.

Cómo reconocer una falla por ESC

Al investigar, evite concluir solo a partir de la prueba del material. Una investigación de ESC debe reconstruir en conjunto el estado de esfuerzos y el historial de exposición química, porque los datos del material por sí solos parecerán normales.

Términos y lecturas relacionados

• Policarbonato
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Aplicación en producción

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Preguntas frecuentes

¿Qué causa el agrietamiento por esfuerzo ambiental?

La presencia simultánea de esfuerzo de tensión y un agente químico en un polímero susceptible. Ninguno de los dos factores por sí solo causaría la falla en los niveles involucrados, lo que hace que el ESC sea tan fácil de pasar por alto: el esfuerzo está dentro de los límites de diseño y el químico es uno que la hoja de datos del material indica como compatible. Es su interacción la que reduce la resistencia a la formación de microgrietas.

¿Por qué los análisis de fallas suelen mostrar que el material estaba dentro de especificación?

Porque el ESC es una falla física y no química. El agente plastifica la región sometida a esfuerzo y promueve las microgrietas sin degradar significativamente el polímero, por lo que al probar la pieza fallada el peso molecular, la composición y las propiedades mecánicas resultan normales. Ese resultado con frecuencia conduce a la conclusión equivocada de que el material estaba bien y la carga fue excesiva.

¿Qué plásticos son los más vulnerables?

Los polímeros amorfos, en particular el poliestireno, el acrílico, el ABS y el policarbonato. Los polímeros semicristalinos como el polipropileno son más resistentes porque las regiones cristalinas dificultan la penetración del agente, y los aromáticos de alta temperatura como el PPS y el PEEK son muy resistentes, lo que explica en parte por qué se especifican para ambientes químicos exigentes a pesar de su costo.

¿Cómo debe probarse la resistencia al ESC?

Bajo esfuerzo. Probar una probeta plana sin esfuerzo en el químico es el error más común, porque elimina justo la interacción que se investiga y casi siempre aprueba. Los métodos de tira doblada y de plantilla elíptica aplican una deformación conocida durante la exposición; ASTM D543 cubre la resistencia química y ASTM D1693 el método clásico para polietileno. Evalúe cada químico con el que la pieza realmente tendrá contacto, incluidos los agentes de limpieza.

¿Puede el marcado láser desencadenar agrietamiento por esfuerzo?

Puede contribuir, al añadir esfuerzo térmico local sobre el esfuerzo residual del moldeo, en particular en policarbonato y acrílico, y sobre todo cuando la marca cruza una compuerta, una línea de unión o la raíz de una nervadura donde el esfuerzo ya se concentra. Las microgrietas suelen aparecer horas o días después y no en la máquina, por lo que la calificación debe incluir una reinspección diferida y no depender de una revisión visual inmediata.

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