مقدمة
اختبار الشد الأحادي المحوري شبه الساكن هو طريقة لاختبار المواد المدمرة وأحد أكثر الطرق استخدامًا لتوصيف الخواص الميكانيكية للمواد [1]. في أبسط الحالات، يتم تعريض العينة للحمل بمعدل محدد حتى يحدث الفشل ويتم تسجيل القوة الناتجة، F، كدالة لتغير الطول، Δl. استنادًا إلى المقطع العرضي للعينة، A0، وطول القياس الأولي، l0، يتم حساب الإجهاد المؤثر على العينة، σ، إلى جانب الإجهاد الناتج، ε، (الشكل 1، يمين).
نتيجة اختبار الشد هي ما يسمى مخطط الإجهاد-الإجهاد التقني (الشكل 1، يسار). القيم النموذجية المستمدة من هذا هي معامل الشد أو معامل المرونة،Et، الذي يصف نسبة الإجهاد والانفعال في نطاق المرونة، وأقصى إجهاد يمكن أن تحققه المادة (σmax،εmax)، وقيم الإجهاد والانفعال عند الكسر (σmax، ε break break) وعند الانتقال من التدفق الانعكاسي المرن إلى التدفق اللدن (σyield،εyield). يوفر اختبار الشد أيضًا معلومات عن الانكماش الجانبي وتصلب الإجهاد والعنق وسلوك الفشل المستمر. وعلاوة على ذلك، من خلال النظر في القياسات في اتجاهات مختلفة، من الممكن أيضًا توصيف التباين في الخواص أي اعتماد الخصائص على الاتجاه. عادةً ما يتم إجراء الاختبار في أجهزة اختبار الشد الكهروميكانيكية ويتم توحيدها وفقًا للمادة والمنتج شبه النهائي والتطبيق. يتم استخدام اختبار الشد في جميع مراحل سلسلة الإنتاج تقريبًا، بدءًا من تطوير المواد ومراقبة الجودة في الإنتاج إلى تحليل القوة على المكون النهائي.
سلسلة DMA GABO Eplexor® من DMA GABO Eplexor®
إن أنظمة سلسلة DMA GABO Eplexor® هي أدوات اختبار مصممة خصيصًا للقياسات الديناميكية الميكانيكية (باختصار، DMA) في نطاق الأحمال العالية. أثناء الاختبار الديناميكي الميكانيكي الديناميكي، يتم تطبيق قوة جيبية على العينة في إطار برنامج درجة حرارة محدد. وينتج عن ذلك تشوه جيبي. ومن خلال تحليل قيم الإجهاد والإجهاد إلى جانب الإزاحة الطورية في الوقت المناسب للاثنين، يمكن تحقيق التوصيف المعتمد على التردد ودرجة الحرارة للخصائص اللزوجة المرنة مثل معامل التخزين والفقد (E' وE"). وبناءً على ذلك، يمكن الكشف عن الانتقال الزجاجي للبوليمر، على سبيل المثال.
كما هو موضح في الشكل 2 أ)، يمكن تطبيق قوة ثابتة على عينة في جهاز DMA GABO Eplexor® عن طريق محرك علوي. في الجزء السفلي من الأداة، يولد مثير التذبذب حملًا ديناميكيًا بترددات من 0.01 هرتز إلى 100 هرتز (اختياريًا 0.0001 هرتز و200 هرتز) بالإضافة إلى قوى تصل إلى 500 نيوتن وسعات تصل إلى 6 مم. تسمح حجرة درجة الحرارة بإجراء قياسات من -160 درجة مئوية إلى 500 درجة مئوية، اعتمادًا على نظام التبريد. يمكن إجراء القياسات بمساعدة حاملات العينات المعنية في وضع القص أو الانحناء أو الشد أو الضغط.
ومع ذلك، نظرًا للقوى الاستاتيكية القابلة للتطبيق بشكل منفصل والتي تصل إلى 1.5 كيلو نيوتن في وحدة سطح الطاولة (الشكل 2 أ)، وما يصل إلى 4.0 كيلو نيوتن في الجهاز القائم على الأرض إلى جانب تسلسلات القياس القابلة للتكوين، فإن أنظمة DMA GABO Eplexor® مناسبة أيضًا للاختبارات شبه الثابتة مثل الاختبار أحادي المحور. تظل الوحدة الديناميكية معطلة في هذه الحالة. وبهذه الطريقة، يمكن توصيف المواد بما يتجاوز سلوكها المرن (اللزوجة) حتى نقطة الكسر. واعتمادًا على المادة المراد اختبارها ومتطلبات القوة ذات الصلة، تتوفر حوامل عينات الشد الميكانيكية من الحد الأقصى. 700 نيوتن إلى الحد الأقصى. 5 كيلو نيوتن كحد أقصى (الشكل 2 ب).
يسمح برنامج الاختبار "الاختبار الشامل"، المحدد مسبقًا للتوصيف شبه الساكن، بإجراء اختبارات الشد مع التحكم في زيادة الإجهاد أو الإجهاد المحدد في التقريب لمعايير الاختبار مثل DIN EN ISO 6892-1 [2] أو DIN EN ISO 527-1 [3]. في هذه الحالة، هو وضع اختبار متساوي الحرارة يمكن فيه تطبيق حد القوة أو الإجهاد كمعيار إنهاء. يتم بدء الحد الأقصى للشوط البالغ 60 مم بمعدلات قابلة للاختيار بحرية تصل إلى 150 مم/دقيقة، ويعتمد تسجيل إجهاد العينة على حركة الاجتياز. في هذا السياق، تجدر الإشارة إلى أنه - نظرًا لاشتقاق إجهاد العينة استنادًا إلى حركة الرأس المتقاطع - لا يمكن إجراء الاختبار إلا في حالة الاقتراب من معايير الاختبار التي تنص على نظام قياس باللمس أو بصري في هذا الصدد
اختبار الشد الأحادي المحور في DMA GABO Eplexor®
يوضح الشكل 3 مخطط الإجهاد-الإجهاد الفني لمادة الصفيحة المصنوعة من رغوة PVC إلى جانب القيم المميزة المشتقة. تم إجراء القياس في درجة حرارة الغرفة بمعدل إجهاد يبلغ 1%/الدقيقة. تتوافق العينة مع هندسة 5A وفقًا لمعيار DIN EN ISO 527-2 [4] بعرض 4.0 مم وسمك 2.8 مم وطول قياس متوازي يبلغ 20.0 مم، والتي تم طحنها أولاً ثم طحنها.
واعتمادًا على المادة المراد اختبارها ومعدل الإجهاد ودرجة الحرارة، يختلف شكل منحنى مخطط الإجهاد والإجهاد الفني. فوفقًا لمعيار DIN EN ISO 527-1 [3]، على سبيل المثال، يمكن التفريق بين أربعة أنواع. يمكن تقسيم المنحنى الناتج لمادة الرغوة البلاستيكية PVC تقريبًا إلى ثلاث مناطق. أولاً، هناك النطاق الخطي تقريباً 1، والذي يتمدد حتى حوالي 1.5% من الإجهاد. وعلى النقيض من المواد المعدنية المرنة الخطية، لا تُظهر المواد البلاستيكية سوى نطاق خطي محدود للغاية، والذي يتغير بسرعة إلى سلوك غير خطي بالفعل عند الإجهاد المنخفض. ووفقًا للمعيار DIN EN ISO 527-1 [3]، يتم تقييم معامل الشد المقاس شبه الثابت في نطاق الانفعال من 0.05% إلى 0.25% من خلال تحديد القاطع ذي الصلة أو عن طريق الانحدار. في حالة رغوة PVC التي تم فحصها، يبلغ معامل الشدEt، المحسوب عن طريق الانحدار، 0.3 جيجا باسكال. ترجع أي انحرافات في معامل التخزين E'' للقياس الديناميكي الميكانيكي إلى حقيقة أن القياسات الديناميكية الميكانيكية الديناميكية تُجرى بشكل انتقائي تحت حمل ثابت محدد أو إجهاد ناتج ويتم التفريق بين المكونات المرنة البحتة (E') والمكونات اللزجة (E'').
في القسم الثاني التالي، يحدث تمدد للمادة الرغوية المسامية والضرر الجزئي الأولي والتشوه البلاستيكي غير القابل للانعكاس. يزداد الإجهاد بشكل غير خطي مع زيادة الإجهاد. تبلغ القيمة القصوى التي تصل إليها المادة، σmax، 7.0 ميجا باسكال. في القسم 3، تستمر العينة في الانقباض ويحدث فشل مادي موضعي يصل إلى حد الكسر. ويتميز ذلك باستطالة عند الكسر، εb، بنسبة 20.3%.
قياس المواد ذات فئات القوة المختلفة
وبفضل القدرة على تبديل خلايا التحميل لأدوات Eplexor® وأيضًا قياس أبعاد العينة، يمكن توصيف المواد من فئات القوة المختلفة كما هو موضح في الشكل 4. بالإضافة إلى رغوة PVC الموضحة بالفعل، يتم عرض نتائج البولي أميد المقوى بالألياف الزجاجية (PA-GF) مع محتوى ألياف بنسبة 30% وبولي إيثيلين عالي الكثافة (PE-HD).
تُعد حشوة البلاستيك إجراءً نموذجيًا لتحسين الخواص الميكانيكية، ولكنها تُستخدم أيضًا لتعديل التوصيل الكهربائي والحراري أو تعديل الخواص الأخرى. على سبيل المثال، يكون البولي أميد المعزز بالألياف الزجاجية مع قوة شد σmax تبلغ 204.3 ميجا باسكال ومتوسط معامل الشدEt، 11.4 جيجا باسكال أقوى أو أكثر صلابة من رغوة PVC (σmax = 7 ميجا باسكال وEt = 0.3 جيجا باسكال) والبولي إيثيلين (σmax = 20.8 ميجا باسكال وEt = 1.0 جيجا باسكال). يتميز مسار منحنيات الإجهاد-الإجهاد بزيادة شبه خطية في الإجهاد مع حدوث كسر فوري تقريبًا عند εb = 3.6%، وهو ما يمكن وصفه بأنه سلوك هش إلى حد ما. ونظرًا للألياف الزجاجية، التي تُظهر في حد ذاتها قوة شد عالية (σmax > 2000 جيجا باسكال) وصلابة (Et > 70 جيجا باسكال) [5]، فإن المادة قادرة على تحمل الضغوط العالية. إذا انكسرت الألياف الهشة، يحدث فشل مباشر لمصفوفة البولي أميد الأقل قوة.
إلى جانب قياس المواد الأكثر صلابة نسبيًا، يمكن أيضًا فحص المواد ذات الاستطالة العالية عند الكسر من خلال تكييف طول القياس المتوازي - إذا لزم الأمر، غير المطابق للمعيار. البولي إيثيلين عالي الكثافة (PE-HD) هو بوليمر لدن بالحرارة يتم إنتاجه من مونومر الإيثيلين. يؤدي التفرع المنخفض لسلاسل البوليمر إلى كثافة أعلى للمادة مقارنةً بأنواع البولي إيثيلين عالية الكثافة التقليدية [6]. مع أخذ الإزاحة القصوى البالغة 60 مم في الاعتبار، تم تقصير طول القياس إلى 10 مم لقياس المادة. مع وجود εb = 266.5%، تتميز المادة باستطالة عالية عند الكسر بالنسبة لكل من رغوة PVC و PA-GF. يختلف مسار المنحنى أيضًا اختلافًا كبيرًا عن مسار مواد البوليمر الأخرى. وبالتالي، بعد الوصول إلى الحد الأقصى للإجهاد، σmax = 20.8 ميجا باسكال - عند استطالة 8% تقريبًا - تحدث منطقة تليين طويلة نسبيًا حتى نقطة الكسر.
اختبارات الشد في درجات الحرارة المنخفضة والمرتفعة
في تصميم المكونات، يعد اعتماد الخواص الميكانيكية على درجة الحرارة أمرًا ضروريًا لاختيار المادة المناسبة. توفر اختبارات الشد في درجات الحرارة المنخفضة والمرتفعة معلومات عن سلوك المادة في بيئات التشغيل المختلفة. على سبيل المثال، يجب التأكد من قدرة المكوّن الهيكلي في السيارة على تحمل الضغوطات الناتجة عن استخدامه في درجات الحرارة المنخفضة في الشتاء ودرجات الحرارة المرتفعة في الصيف دون حدوث عطل. وبالإضافة إلى تحديد نافذة التطبيق ذات الصلة، تسفر هذه الاختبارات أيضًا عن معلومات مهمة للمعالجة - على سبيل المثال، نطاق درجة الحرارة التي تصبح فيها مادة الصفيحة لينة ويمكن تشكيلها على أفضل وجه. وفي هذه الحالة، تُستخدم البيانات في إنشاء نافذة المعالجة.
يمكن تجهيز جميع أدوات سلسلة DMA GABO Eplexor® بغرفة درجة حرارة وتسمح - اعتمادًا على نظام التبريد - بإجراء قياسات من -160 درجة مئوية إلى 500 درجة مئوية. وبالتالي يمكن للعملاء الذين يجرون عادةً التوصيفات الديناميكية الميكانيكية الديناميكية باستخدام DMA GABO Eplexor® أن يتمكنوا أيضًا من توصيف موادهم بمساعدة اختبارات الشد المعتمدة على درجة الحرارة، وبالتالي يمكنهم معرفة المزيد عن موادهم أكثر بكثير من قياسات DMA الكلاسيكية.
يوضح الشكل 5 سلوك المواد المعتمد على درجة الحرارة لرغوة PVC في اختبارات الشد. وكما يمكن أن نرى، تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على كل من الخواص الميكانيكية وخصائص منحنى الإجهاد والانفعال. في درجات الحرارة المنخفضة التي تبلغ -100 درجة مئوية، تُظهر المادة سلوكًا هشًا للكسر. تتصرف العينة بطريقة مرنة خطية تقريبًا وتتكسر مباشرةً عند سلالات أقل من 1% بعد الوصول إلى إجهاد يبلغ 6 ميجا باسكال تقريبًا. وبزيادة درجة الحرارة إلى 26 درجة مئوية، والتي تتوافق مع درجة حرارة الغرفة، ينخفض الميل في النطاق الخطي المرن وكذلك معامل الشد. وعلاوة على ذلك، يظهر نطاق بلاستيكي غير خطي متميز مع انكسار لاحق. وتؤدي الزيادة الإضافية في درجة الحرارة إلى 40 درجة مئوية إلى انخفاض في معامل الشد (غير موضح هنا بشكل صريح) وانخفاض في أقصى إجهاد يمكن بلوغه. تزداد الاستطالة عند الكسر زيادة طفيفة. في النطاق الأولي للانتقال الزجاجي عند درجة حرارة 60 درجة مئوية (درجة حرارة بداية E' من قياس DMA: 61.3 درجة مئوية)، تتضاعف الاستطالة عند الكسر تقريبًا (εb = 37%) وتنخفض القوة (σmax = 3.5 ميجا باسكال) إلى النصف مقارنةً بدرجة حرارة الغرفة (εb = 20.3%؛ σmax = 7.0 ميجا باسكال).
عند درجة حرارة 80 درجة مئوية - بعد الانتقال الزجاجي - تكون المادة في ما يسمى بالحالة المرنة الانتروبية. يمكن الآن أن تتحرك سلاسل البوليمر بحرية ضد بعضها البعض وتصبح المادة لينة. في اختبار الشد، يتم تقليل الضغوط إلى مستوى أقل من 0.3 ميجا باسكال ويمكن تمديد المادة - في إطار ظروف القياس - دون حدوث كسر.
الملخص
أجهزة DMA GABO Eplexor® مصممة خصيصًا لقياس الخواص الديناميكية الميكانيكية. وبفضل القدرة على تطبيق قوى ثابتة تصل إلى 4 كيلو نيوتن بالإضافة إلى المرونة العالية في تعريف البرنامج، يمكن استخدامها أيضًا كأجهزة لاختبار الشد شبه الثابت. وهذا يمكّن المستخدم من توصيف مواده بما يتجاوز نطاق اللزوجة المرنة الخطية. بدءًا من تحليلات خصائص التصلب والتليين، يمكن الحصول على معلومات عن سلوك النخر والكسر. إحدى الوظائف المهمة لجهاز DMA GABO Eplexor® في هذا السياق هي التحكم الدقيق للغاية في درجة الحرارة التي يتم تنظيمها عن طريق غرفة درجة الحرارة. يمكن للمستخدم تحديد كيفية تصرف المواد تحت الحمل العالي سواء في نطاق درجات الحرارة المنخفضة التي تبدأ عند -160 درجة مئوية أو عند درجات حرارة تصل إلى 500 درجة مئوية، وبالتالي الحصول على معلومات مهمة عن مقارنات المواد وإجراءات المعالجة والاستخدام اللاحق للمكون.