Въведение
Квазистатичното едноосово изпитване на опън е метод за разрушително изпитване на материали и един от най-често използваните методи за характеризиране на механичните свойства на материалите [1]. В най-простия случай образецът се подлага на натоварване с определена скорост до настъпване на разрушение и получената сила, F, се записва като функция на изменението на дължината, Δl. Въз основа на напречното сечение на образеца, A0, и първоначалната измервателна дължина, l0, се изчислява напрежението, действащо върху образеца, σ, заедно с получената деформация, ε (фигура 1, вдясно).
Резултатът от изпитването на опън е така наречената техническа диаграма напрежение-деформация (фигура 1, ляво). Типичните стойности, които се получават от нея, са модулът на опън или модулът на еластичност,Et, който описва съотношението между напрежението и деформацията в еластичния диапазон, максималното напрежение, постижимо от материала (σmax, εmax), и стойностите на напрежението и деформацията при разрушаване (σmax, εbreak) и при прехода от еластично обратимо към пластично течение (σyield, εyield). Изпитването на опън дава допълнителна информация за страничното свиване, деформационното втвърдяване, гърловината и продължаващото поведение при разрушаване. Освен това, като се вземат предвид измерванията в различни посоки, е възможно да се характеризира и анизотропията, т.е. зависимостта на свойствата от посоката. Изпитването обикновено се извършва с електромеханични уреди за изпитване на опън и се стандартизира в зависимост от материала, полуфабриката и приложението. Изпитването на опън се използва на почти всички етапи от производствената верига - от разработването на материала и контрола на качеството в производството до анализа на якостта на крайния компонент.
Серията DMA GABO Eplexor®
Системите от серията DMA GABO Eplexor® са уреди за изпитване, специално проектирани за динамично-механични измервания (накратко DMA) в диапазона на високи натоварвания. По време на динамично-механично изпитване към образеца се прилага синусоидална сила при определена температурна програма. Това води до синусоидална деформация. Чрез анализиране на стойностите на напрежението и деформацията, заедно с навременното фазово изместване на двете, може да се осъществи честотно и температурно зависимо характеризиране на вискоеластичните свойства, като модул на съхранение и модул на загуба (E' и E"). Въз основа на това може да се открие например стъкловидният преход на даден полимер.
Както е показано на фигура 2а), към пробата в DMA GABO Eplexor® може да се приложи статично усилие чрез горно задвижване. В долната част на уреда възбудител на трептения генерира динамично натоварване с честоти от 0,01 Hz до 100 Hz (по избор 0,0001 Hz и 200 Hz), както и сили до 500 N и амплитуди до 6 mm. Температурната камера позволява измервания в диапазона от -160°C до 500°C, в зависимост от охладителната система. Измерванията могат да се извършват с помощта на съответните държачи за проби в режим на срязване, огъване, опън или натиск.
Въпреки това, благодарение на отделно приложимите статични сили до 1,5 kN в настолния модул (фигура 2а) и до 4,0 kN в стоящото на пода устройство, заедно с конфигурируемите последователности на измерване, системите DMA GABO Eplexor® са подходящи и за квазистатични изпитвания, като например едноосно изпитване. В този случай динамичният модул остава деактивиран. По този начин материалите могат да се характеризират отвъд тяхното (виско-) еластично поведение до точката на разрушаване. В зависимост от материала, който ще се изпитва, и съответните изисквания за сила, механичните държачи за проби на опън се предлагат от макс. 700 N до макс. 5 kN (фигура 2б).
Изпитвателната програма "Универсално изпитване", предварително дефинирана за квазистатично характеризиране, позволява провеждането на изпитвания на опън с определен контрол на нарастването на напрежението или деформацията в съответствие със стандарти за изпитване като DIN EN ISO 6892-1 [2] или DIN EN ISO 527-1 [3]. В този случай това е изотермичен режим на изпитване, при който може да се приложи гранична сила или деформация като критерий за прекратяване. Максималният ход от 60 mm се стартира със свободно избираема скорост до 150 mm/min, а записването на деформацията на образеца се основава на напречното движение. В този контекст трябва да се отбележи, че поради извеждането на деформацията на образеца въз основа на движението на напречната глава, изпитването може да се извършва само в съответствие със стандартите за изпитване, които предписват тактилна или оптична измервателна система в това отношение
Изпитване на едноосно опън в DMA GABO Eplexor®
На фигура 3 е показана техническата диаграма на напреженията и деформациите на листов материал, изработен от PVC пяна, заедно с изведените характерни стойности. Измерването е извършено при стайна температура със скорост на деформация 1 %/min. Образецът съответства на геометрията 5А в съответствие с DIN EN ISO 527-2 [4] с ширина 4,0 mm, дебелина 2,8 mm и дължина на паралелното измерване 20,0 mm, който първо е бил фрезован и след това шлифован.
В зависимост от изпитвания материал, скоростта на деформация и температурата формата на техническата крива на диаграмата деформация-напрежение варира. В съответствие с DIN EN ISO 527-1 [3] например е възможно да се разграничат четири типа. Получената крива на материала от пенополивинилхлорид може да бъде разделена приблизително на три области. Първо, съществува почти линейният диапазон 1, който се разширява до приблизително 1,5 % деформация. За разлика от линейно еластичните метални материали, пластмасите показват само много ограничен линеен диапазон, който бързо преминава в нелинейно поведение още при ниска деформация. Следователно в съответствие с DIN EN ISO 527-1 [3] оценката на квазистатично измерения модул на опън в диапазона на деформациите от 0,05 % до 0,25 % се предвижда чрез определяне на съответния секущ или чрез регресия. В случая на изследваната PVC пяна модулът на опънEt, изчислен чрез регресия, възлиза на 0,3 GPa. Всички отклонения в модула на съхранение E' при динамично-механично измерване се дължат на факта, че динамично-механичните измервания се извършват избирателно при определено статично натоварване или резултантна деформация и се прави разграничение между чисто еластичните (E') и вискозните (E'') компоненти.
В следващия втори раздел се наблюдава разтягане на порестия пеноматериал, първоначални микроповреди и необратима пластична деформация. Напрежението нараства нелинейно с увеличаване на деформацията. Максималната стойност, която достига материалът, σmax, е 7,0 MPa. В участък 3 образецът продължава да се свива и настъпва локално разрушаване на материала до точката на разрушаване. Това се характеризира с удължение при скъсване, εb, от 20,3 %.
Измерване на материали от различни класове на якост
Благодарение на възможността за смяна на датчиците за натоварване на инструментите Eplexor®, както и за мащабиране на размерите на пробите, могат да се характеризират материали от различни класове на якост, както е показано на фигура 4. В допълнение към вече показаната PVC пяна са представени резултатите за армиран със стъклени влакна полиамид (PA-GF) с 30% съдържание на влакна и полиетилен с висока плътност (PE-HD).
Пълненето на пластмаси е типична процедура за подобряване на механичните свойства, но се използва и за регулиране на електро- и топлопроводимостта или за модифициране на други свойства. Например, армираният със стъклени влакна полиамид с якост на опън σmax 204,3 MPa и усреднен модул на опън,Et, 11,4 GPa, е многократно по-здрав или по-твърд от пенополивинилхлорид (σmax = 7 MPa иEt = 0,3 GPa) и полиетилен (σmax = 20,8 MPa иEt = 1,0 GPa). Ходът на кривите напрежение-деформация се характеризира с квазилинейно нарастване на напрежението с почти незабавно разрушаване при εb = 3,6 %, което може да се опише като доста крехко поведение. Благодарение на стъклените влакна, които сами по себе си се отличават с висока якост на опън (σmax > 2000 GPa) и твърдост (Et > 70 GPa) [5], материалът е способен да издържа на високи напрежения. Ако крехките влакна се скъсат, настъпва директно разрушаване на по-малко здравата полиамидна матрица.
Наред с измерването на сравнително по-здрави материали могат да се изследват и материали с високо удължение при скъсване, като се адаптира дължината на паралелното измерване - при необходимост несъответстваща на стандарта. Полиетиленът с висока плътност (PE-HD) е термопластичен полимер, произвеждан от мономера етилен. Ниското разклонение на полимерните вериги води до по-висока плътност на материала в сравнение с конвенционалните видове PE [6]. Като се има предвид максималното преместване от 60 mm, дължината на измервателния уред беше съкратена до 10 mm за измерване на материала. С εb = 266,5 % материалът се характеризира с високо удължение при скъсване по отношение на PVC пяната и PA-GF. Ходът на кривата също се различава значително от този на другите полимерни материали. Така, след достигане на максималното напрежение σmax = 20,8 MPa - при приблизително 8 % удължение - се появява сравнително дълга зона на омекване до точката на скъсване.
Изпитвания на опън при ниска и повишена температура
При проектирането на компоненти зависимостта на механичните свойства от температурата е от съществено значение за избора на подходящ материал. Изпитванията на опън при ниски и повишени температури дават информация за поведението на материала при различни работни среди. Например трябва да се гарантира, че даден структурен компонент в автомобил може да издържи на натоварванията, свързани с приложението му, както при ниски температури през зимата, така и при високи температури през лятото, без да се повреди. Наред с определянето на съответния прозорец на приложение, тези изпитвания дават и важна информация за обработката - например температурния диапазон, в който листовият материал става мек и може да бъде най-добре формован в горещо състояние. В този случай данните служат за създаване на прозорец за обработка.
Всички уреди от серията DMA GABO Eplexor® могат да бъдат оборудвани с температурна камера и позволяват - в зависимост от охладителната система - измервания от -160°C до 500°C. По този начин клиентите, които обикновено извършват динамично-механични характеристики с DMA GABO Eplexor®, имат възможност да характеризират материалите си и с помощта на температурно зависими тестове на опън и по този начин могат да научат много повече за своите материали, отколкото чрез класическите DMA измервания.
Фигура 5 показва температурнозависимото поведение на материала на PVC пяна при изпитвания на опън. Както може да се види, температурата оказва значително влияние както върху механичните свойства, така и върху характеристиките на кривата напрежение-деформация. При ниски температури от -100°C материалът показва поведение на крехко разрушение. Образецът се държи почти линейно еластично и се разрушава директно при деформации под 1 % след достигане на напрежение от приблизително 6 MPa. При повишаване на температурата до 26°C, което съответства на стайната температура, наклонът в линейния еластичен диапазон намалява, както и модулът на опън. Освен това се появява ясно изразен нелинеен пластичен диапазон с последващо разрушаване. По-нататъшното повишаване на температурата до 40 °C води до намаляване на модула на опън (което не е изрично показано тук) и до намаляване на максималното достижимо напрежение. Удължението при скъсване леко се увеличава. В началния диапазон на стъкловидния преход при 60°C (начална температура на E' от измерването на DMA: 61,3°C) удължението при скъсване се увеличава почти двойно (εb = 37%), а якостта (σmax = 3,5 MPa) намалява наполовина в сравнение със стайната температура (εb = 20,3%; σmax = 7,0 MPa).
При 80°C - след стъкловидния преход - материалът се намира в така нареченото ентропийно-еластично състояние. Полимерните вериги вече могат да се движат свободно една спрямо друга и материалът става мек. При изпитването на опън напреженията се намаляват до ниво под 0,3 МРа и материалът може да се разтяга - в рамките на условията на измерване - без да се появят пукнатини.
Резюме
Уредите DMA GABO Eplexor® са специално проектирани за измерване на динамично-механични свойства. Благодарение на възможността за прилагане на статични сили до 4 kN, както и на високата гъвкавост при дефинирането на програми, те могат да се използват и като уреди за квазистатично изпитване на опън. Това дава възможност на потребителя да характеризира своите материали далеч отвъд линейния вискоеластичен диапазон. Като се започне с анализи на характеристиките на втвърдяване и омекване, може да се получи информация за поведението при некъртене и разрушаване. Важна функционалност на DMA GABO Eplexor® в този контекст е високопрецизният контрол на температурата, регулиран чрез температурната камера. Потребителят може да определи как се държат материалите при високо натоварване както в нискотемпературния диапазон, започващ от -160°C, така и при температури до 500°C, като по този начин получава важна информация за сравнение на материалите, процедурите за обработка и последващата употреба на компонента.