Introduktion
Når et metal udsættes for en kraft, deformeres det normalt med det samme og forbliver derefter i samme form, selv efter lang tid. Hvis belastningen ikke var for stor, vil metallet også vende elastisk tilbage til sin oprindelige tilstand, når belastningen fjernes. Når polymerer belastes med en kraft, deformeres de også med det samme, men efter længere tid viser det sig ofte, at kroppen er blevet endnu mere deformeret. Denne adfærd kaldes krybning. Grundlæggende kryber metaller også, men med polymerer er denne adfærd meget mere udtalt og skal tages i betragtning, når man beskriver mekanisk adfærd. Af denne grund er et kvasistatisk spændings-tøjningsdiagram ofte tilstrækkeligt for metaller, men for polymerer skal der også tages højde for den tidsafhængige deformation.
Her er det vigtigt grundlæggende at skelne mellem krybning og AfslapningNår en gummiblanding udsættes for en konstant belastning, er den kraft, der er nødvendig for at opretholde belastningen, ikke konstant, men aftager med tiden; denne adfærd kaldes spændingsaflastning. Den proces, der er ansvarlig for spændingsaflastning, kan være fysisk eller kemisk, og under normale forhold vil begge dele forekomme på samme tid. afslapning: Ved krybning virker en konstant StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning på kroppen, som derfor deformeres. Ved relaxation forbliver kroppens deformation konstant, men over tid reduceres den nødvendige kraft. Relaxation er af stor interesse for visse anvendelser, f.eks. til tætninger; men for mange komponenter er det snarere den konstante StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning og deformationens tidsadfærd, der er interessant.
I materialetest kombineres den egentlige krybemåling ofte med en gendannelsesfase (creep recovery), hvor materialet kan opnå sin oprindelige form igen. På denne måde kan man skelne mellem elastisk og irreversibel krybning. Den irreversible deformation afhænger i høj grad large af temperatur og belastningsniveau. Disse forhold vil blive undersøgt nærmere i denne publikation.
Målinger af krybning på PE-HD
Polymerers krybeadfærd undersøges her ved hjælp af eksemplet med semikrystallinsk polyethylen med høj densitet (PE-HD). Prøverne med dimensionerne 55 x 5 x 2 mm testes ved hjælp af den dynamisk-mekaniske højbelastning NETZSCH DMA GABO Eplexor® 500 N i træktilstand (figur 1).
Med Eplexor® kan der påføres statiske kræfter på op til 1500 N i temperaturområdet fra -160 °C til +500 °C.
Afhængigt af anvendelsesområdet findes der forskellige trækprøveholdere: Med standardholderen til trækprøver kan der anvendes op til 700 N, afhængigt af prøven. Til højere kræfter fås en stærkere version med op til 1500 N.
Da det især er krybningens afhængighed af kraften, der skal undersøges, sammenlignes de enkelte målinger under stigende belastninger. På denne måde kan forskellige belastningsniveauer undersøges i en enkelt måleserie uden behov for omspænding.
Med denne procedure kan prøven dog i princippet deformeres før det egentlige belastningstrin. For at forhindre, at afvigelserne fra referencegeometrien bliver for store, foretages der ingen yderligere belastningsforøgelse, når en tøjning på 10 % er nået. Målingerne udføres hver især ved en defineret prøvetemperatur. Ved 50 °C udføres fem belastningstrin fra 2 til 6 MPa med 2 timers ventetid for at garantere, at der kan etableres en stabil tilstand i hvert tilfælde.
Ved en forhøjet temperatur på 100 °C øges belastningen kun til 4 MPa, når den maksimale tøjning er nået.
Som vist i figur 2 består krybning typisk af tre faser for hvert belastningstrin. Først strækkes prøven relativt pludseligt, efterfulgt af viskoelastisk krybning. Disse to processer er typisk reversible. Derefter omdannes prøven snarere til et viskøst flow (konstant tøjningshastighed), og det kan tydeligt ses, at dette flow er mere udtalt ved højere spændinger og temperaturer. Da dette viskose flow ikke er reversibelt, forbliver der en remanent deformation, selv efter den efterfølgende aflastningsfase. Denne visko-plastiske opførsel forekommer med øget intensitet ved højere temperaturer og spændinger.
I DIN ISO 899 [4] beskrives træk-krybetesten til bestemmelse af krybeadfærden. Selvom den ikke specifikt omhandler de krybe-genoprettelseseksperimenter, der er anvendt her, præsenteres typiske evalueringer, der også kan bruges til de respektive krybefaser. Figur 3 a) og b) viser således de isokrone spændings-tøjningsdiagrammer, der er forbundet med ovenstående målinger. Tætheden noteres for hver StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning efter en fast tid og indføres i diagrammet. Da der anvendes forskellige belastninger på en prøve i denne testserie, refererer tøjningen i hvert tilfælde til tilstanden umiddelbart før belastningstrinnet. Denne præsentation er af særlig interesse for design af komponenter, fordi den resulterende tøjning kan aflæses helt analogt med det klassiske spændings-tøjningsdiagram for en given StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning. Typisk er tøjningerne også interessante efter meget længere tidsperioder end dem, der er registreret her. Som det ses ovenfor, er det hovedsageligt den viskøse opførsel, der dominerer i længere tidsperioder, hvilket senere vil blive diskuteret mere detaljeret.
Som en anden typisk præsentation beskriver DIN ISO 899 det tidsafhængige krybmodul (figur 3 c og d). Den reciprokke værdi af modulet, dvs. krybekompatibiliteten, bruges ofte i stedet, men her vises krybemodulet i overensstemmelse med standarden. Præsentation af krybemodulet er særligt velegnet til undersøgelse af materialets ikke-linearitet. Det bliver klart, at højere spændinger generelt fører til et lavere krybmodul og dermed til højere eftergivenhed.
Beskrivelse af kryberater ifølge Eyring
Polymerkrybning beskrives ofte ved hjælp af den reologiske model med fire parametre (figur 4). Modellen består af en fjeder og et dæmpningselement (Maxwell-element), der er forbundet i serie. Fjederen kan bruges til at illustrere det øjeblikkelige spændingsspring, og dæmperen til at modellere det viskøse flow. Den viskoelastiske adfærd beskrives af det parallelle fjeder-dæmpningselement. Således kan der identificeres en tilsvarende model for hvert tidligere udført krybe-genoprettelseseksperiment.
Som vist ovenfor er den viskoplastiske komponent, der er relevant for langtidskrybning, hovedsageligt forårsaget af viskøs strømning. Viskositetsflowets afhængighed af temperatur og StressStress defineres som et kraftniveau, der påføres en prøve med et veldefineret tværsnit. (Spænding = kraft/areal). Prøver med et cirkulært eller rektangulært tværsnit kan komprimeres eller strækkes. Elastiske materialer som gummi kan strækkes op til 5 til 10 gange deres oprindelige længde.stress kan udledes modelbaseret fra sandsynligheden for, at et molekyle vil overvinde en bestemt forhindring. Detaljer kan f.eks. findes i [2]. Her angives det som et resultat, at forholdet mellem StressStress defineres som et kraftniveau, der påføres en prøve med et veldefineret tværsnit. (Spænding = kraft/areal). Prøver med et cirkulært eller rektangulært tværsnit kan komprimeres eller strækkes. Elastiske materialer som gummi kan strækkes op til 5 til 10 gange deres oprindelige længde.stress og temperatur ifølge denne model afhænger lineært af logaritmen til belastningshastigheden. Følgelig fører en stigning i spændingen til en eksponentiel stigning i tøjningshastigheden.
I figur 5 vises de beregnede tøjningshastigheder for de respektive spændinger. Sammen med de målinger, der allerede er præsenteret ovenfor, blev eksperimentet desuden udført ved 110 °C. Ved 50 °C beskrives opførslen mellem tøjningshastigheden og spændingen meget godt af modellen, dvs. der er et stort set lineært forhold mellem spændingen og den logaritmiske tøjningshastighed. Ved højere temperaturer og spændinger er yderligere molekylære processer mulige, hvilket fører til en bøjning af den logaritmiske tøjningshastighed.
I Eyring-plottet [1] er der registreret en separat linje for hver temperatur. I denne henseende giver plottet mulighed for at præsentere ekstrapolationen af belastningshastigheden for andre belastninger. Det skal dog bemærkes, at der også findes mere avancerede tilgange til at inkludere en yderligere tids- og temperatursuperposition; se for eksempel [3].
Konklusion
Krybeadfærden er stærkt afhængig af temperatur og belastningsniveau. Mens elastiske krybekomponenter endda kan måles ved mindre kræfter, forekommer der højere kræfter og spændinger i mange applikationer. DMA GABO Eplexor® giver mulighed for at karakterisere belastningsafhængig plastisk krybning i mange tilfælde, der er relevante i praksis. Det er derved vist, at den langsigtede krybeadfærd hovedsageligt bestemmes af polymerens viskøse flow. Præcis denne afhængighed af tøjningshastigheden af den virkende spænding kan tydeligt illustreres i et Eyring-plot.