Introduktion
Kvasistatisk enakset trækprøvning er en metode til destruktiv materialeprøvning og en af de hyppigst anvendte metoder til karakterisering af materialers mekaniske egenskaber [1]. I det enkleste tilfælde udsættes en prøve for 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 med en defineret hastighed, indtil der opstår brud, og den resulterende kraft, F, registreres som en funktion af længdeændringen, Δl. Baseret på prøvens tværsnit,A0, og den oprindelige målelængde, l0, beregnes spændingen, der virker på prøven, σ, sammen med den resulterende tøjning, ε (figur 1, til højre).
Resultatet af en træktest er et såkaldt teknisk spændings-tøjningsdiagram (figur 1, venstre). Typiske værdier, der udledes af dette, er trækmodulet eller elasticitetsmodulet,Et, som beskriver forholdet mellem spænding og tøjning i det elastiske område, den maksimale spænding, der kan opnås af materialet (σmax, εmax), og spændings- og tøjningsværdierne ved brud (σmax, εbreak) og ved overgangen fra elastisk reversibel til plastisk flydning (σyield, εyield). Trækprøvning giver yderligere information om lateral sammentrækning, belastningshærdning, indsnævring og løbende svigt. Ved at overveje målinger i forskellige retninger er det også muligt at karakterisere anisotropi, dvs. egenskabernes afhængighed af retning. Testning udføres normalt i elektromekaniske træktestere og er standardiseret i henhold til materialet, det halvfærdige produkt og anvendelsen. Trækprøvning anvendes i næsten alle faser af en produktionskæde, fra materialeudvikling og kvalitetskontrol i produktionen til styrkeanalyse af den endelige komponent.
DMA GABO Eplexor® -serien
Systemerne i DMA GABO Eplexor® -serien er testinstrumenter, der er specielt designet til dynamisk-mekaniske målinger (kort sagt DMA) i højbelastningsområdet. Under en dynamisk-mekanisk test påføres en sinusformet kraft på en prøve under et defineret temperaturprogram. Dette resulterer i en sinusformet deformation. Ved at analysere spændings- og belastningsværdierne sammen med den rettidige faseforskydning af de to, kan frekvens- og temperaturafhængig karakterisering af de viskoelastiske egenskaber såsom lagrings- og ViskositetsmodulDet komplekse modul (viskøse komponent), tabsmodul eller G'', er den "imaginære" del af prøvens samlede komplekse modul. Denne viskøse komponent angiver den væskelignende eller ude af fase reaktion i den prøve, der måles. tabsmodul (E' og E") realiseres. Baseret på dette kan f.eks. en polymers GlasovergangstemperaturGlasovergangen er en af de vigtigste egenskaber ved amorfe og semikrystallinske materialer, f.eks. uorganiske glas, amorfe metaller, polymerer, lægemidler og fødevareingredienser osv. og beskriver det temperaturområde, hvor materialernes mekaniske egenskaber ændres fra hårde og sprøde til mere bløde, deformerbare eller gummiagtige.glasovergang detekteres.
Som vist i figur 2a) kan der påføres en statisk kraft på en prøve i DMA GABO Eplexor® ved hjælp af et øvre drev. I den nederste del af instrumentet genererer en oscillerende excitator en dynamisk 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 med frekvenser fra 0,01 Hz til 100 Hz (valgfrit 0,0001 Hz og 200 Hz) samt kræfter på op til 500 N og amplituder på op til 6 mm. Temperaturkammeret giver mulighed for målinger fra -160 °C til 500 °C, afhængigt af kølesystemet. Målingerne kan udføres ved hjælp af de respektive prøveholdere i forskydnings-, bøjnings-, træk- eller kompressionstilstand.
Men på grund af de separat anvendelige statiske kræfter på op til 1,5 kN i bordenheden (figur 2a) og op til 4,0 kN i den gulvstående enhed sammen med konfigurerbare målesekvenser er DMA GABO Eplexor® -systemerne også velegnede til kvasistatiske tests som f.eks. uniaxial testning. Den dynamiske enhed forbliver deaktiveret i dette tilfælde. På denne måde kan materialer karakteriseres ud over deres (visko)elastiske opførsel op til bruddet. Afhængigt af det materiale, der skal testes, og de respektive kraftkrav, fås mekaniske trækprøveholdere fra maks. 700 N til maks. 5 kN (figur 2b).
Testprogrammet "Universal Testing", der er foruddefineret til kvasistatisk karakterisering, gør det muligt at udføre trækprøver med defineret kontrol af spændings- eller tøjningsforøgelse i tilnærmelse til teststandarder som DIN EN ISO 6892-1 [2] eller DIN EN ISO 527-1 [3]. I dette tilfælde er det en IsotermiskTest ved kontrolleret og konstant temperatur kaldes isotermiske.isotermisk testtilstand, hvor der kan anvendes en kraft- eller tøjningsgrænse som afslutningskriterium. Det maksimale slag på 60 mm startes med frit valgbare hastigheder på op til 150 mm/min, og registreringen af prøvens 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 er baseret på traversbevægelsen. I denne sammenhæng skal det bemærkes, at testen - på grund af afledning af prøvens 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 baseret på tværhovedets bevægelse - kun kan udføres i overensstemmelse med teststandarder, der foreskriver et taktilt eller optisk målesystem i denne henseende
Enaksial træktest i DMA GABO Eplexor®
Figur 3 viser det tekniske spændings-tøjningsdiagram for et plademateriale fremstillet af PVC-skum sammen med afledte karakteristiske værdier. Målingen blev udført ved stuetemperatur med en tøjningshastighed på 1 %/min. Prøven svarer til 5A-geometrien i overensstemmelse med DIN EN ISO 527-2 [4] med en bredde på 4,0 mm, en tykkelse på 2,8 mm og en parallel mållængde på 20,0 mm, som først blev fræset og derefter slebet.
Afhængigt af det materiale, der skal testes, belastningshastigheden og temperaturen varierer formen på det tekniske belastningsdiagrams kurve. I overensstemmelse med DIN EN ISO 527-1 [3] er det f.eks. muligt at skelne mellem fire typer. Den resulterende kurve for PVC-skummaterialet kan groft sagt opdeles i tre områder. For det første er der det næsten lineære område 1, som udvider sig op til ca. 1,5 % 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. I modsætning til lineære elastiske metalliske materialer udviser plast kun et meget begrænset lineært område, som hurtigt skifter til ikke-lineær adfærd allerede ved lav belastning. I overensstemmelse med DIN EN ISO 527-1 [3] er evaluering af det kvasistatisk målte trækmodul i belastningsområdet fra 0,05 % til 0,25 % derfor foreskrevet ved at bestemme den relevante sekant eller ved hjælp af regression. For det undersøgte PVC-skum er trækmoduletEt, beregnet ved hjælp af regression, 0,3 GPa. Eventuelle afvigelser i lagringsmodulet E' for en dynamisk-mekanisk måling skyldes, at dynamisk-mekaniske målinger selektivt udføres under en defineret statisk belastning eller resulterende tøjning, og der skelnes mellem rent elastiske (E') og viskøse (E'') komponenter.
I det følgende afsnit to sker der en udstrækning af det porøse skummateriale, indledende mikroskader og irreversibel plastisk deformation. Spændingen stiger ikke-lineært med stigende belastning. Den maksimale værdi, som materialet når, σmax, er 7,0 MPa. I sektion 3 fortsætter prøven med at trække sig sammen, og der opstår et lokalt materialesvigt op til bruddet. Dette er karakteriseret ved en brudforlængelse, εb, på 20,3 %.
Måling af materialer i forskellige styrkeklasser
Takket være muligheden for at udskifte belastningscellerne på Eplexor® instrumenterne og også skalere prøvedimensionerne, kan materialer i forskellige styrkeklasser karakteriseres som illustreret i figur 4. Ud over det allerede viste PVC-skum præsenteres resultaterne for et glasfiberforstærket polyamid (PA-GF) med 30 % fiberindhold og en polyethylen med høj densitet (PE-HD).
Fyldning af plast er en typisk procedure til forbedring af mekaniske egenskaber, men det anvendes også til justering af den elektriske og termiske ledningsevne eller til ændring af andre egenskaber. For eksempel er det glasfiberforstærkede polyamid med en trækstyrke på σmax på 204,3 MPa oget gennemsnitligt trækmodul,Et, på 11,4 GPa mange gange stærkere eller stivere end PVC-skummet (σmax = 7 MPa ogEt = 0,3 GPa) og polyethylen (σmax = 20,8 MPa ogEt = 1,0 GPa). Forløbet af spændings-tøjningskurverne er kendetegnet ved en kvasi-lineær stigning i spændingen med næsten øjeblikkeligt brud ved εb = 3,6 %, hvilket kan beskrives som en ret skør opførsel. På grund af glasfibrene, som selv udviser høj trækstyrke (σmax > 2000 GPa) og stivhed (Et > 70 GPa) [5], er materialet i stand til at modstå høje belastninger. Hvis de skøre fibre går i stykker, sker der et direkte brud på den mindre stærke polyamidmatrix.
Sammen med måling af relativt hårdere materialer kan materialer med høj brudforlængelse også undersøges ved at tilpasse den parallelle mållængde - om nødvendigt uden at overholde standarden. Polyethylen med høj densitet (PE-HD) er en termoplastisk polymer, der fremstilles af monomeren ethylen. Lav forgrening af polymerkæderne fører til højere TæthedMassefylden er defineret som forholdet mellem masse og volumen. tæthed af materialet sammenlignet med konventionelle PE-typer [6]. Under hensyntagen til den maksimale forskydning på 60 mm blev mållængden forkortet til 10 mm til måling af materialet. Med εb = 266,5 % har materialet en høj brudforlængelse i forhold til både PVC-skummet og PA-GF. Kurvens forløb adskiller sig også markant fra de andre polymermaterialer. Efter at have nået den maksimale spænding, σmax = 20,8 MPa - ved ca. 8 % forlængelse - opstår der således en forholdsvis lang blødgøringszone op til bruddet.
Trækprøver ved lav og høj temperatur
I komponentdesign er de mekaniske egenskabers afhængighed af temperaturen afgørende for at vælge et passende materiale. Trækprøvninger ved lave og høje temperaturer giver oplysninger om, hvordan materialet opfører sig i forskellige driftsmiljøer. For eksempel skal det sikres, at en strukturel komponent i en bil kan modstå de belastninger, den udsættes for, både ved lave temperaturer om vinteren og ved høje temperaturer om sommeren uden at svigte. Sammen med fastsættelsen af et relevant anvendelsesvindue giver disse tests også vigtige oplysninger til forarbejdning - for eksempel det temperaturområde, hvor et plademateriale bliver blødt og bedst kan varmformes. I dette tilfælde tjener dataene til at generere et forarbejdningsvindue.
Alle instrumenter i DMA GABO Eplexor® -serien kan udstyres med et temperaturkammer og giver - afhængigt af kølesystemet - mulighed for målinger fra -160 °C til 500 °C. Kunder, der typisk udfører dynamisk-mekaniske karakteriseringer med en DMA GABO Eplexor®, har dermed også mulighed for at karakterisere deres materialer ved hjælp af temperaturafhængige trækprøvninger og kan dermed lære langt mere om deres materialer end gennem klassiske DMA-målinger.
Figur 5 viser den temperaturafhængige materialeadfærd for et PVC-skum i træktest. Som man kan se, har temperaturen stor indflydelse på både de mekaniske egenskaber og karakteristikken af spændings-tøjningskurven. Ved lave temperaturer på -100 °C udviser materialet en sprød brudadfærd. Prøven opfører sig på en næsten lineær elastisk måde og går i stykker direkte ved belastninger under 1 % efter at have nået en belastning på ca. 6 MPa. Ved at øge temperaturen til 26 °C, hvilket svarer til stuetemperatur, falder hældningen i det lineære elastiske område, og det samme gør trækmodulet. Desuden viser der sig et tydeligt ikke-lineært plastisk område med efterfølgende brud. En yderligere temperaturstigning til 40 °C resulterer i et fald i trækmodulet (ikke eksplicit vist her) og en reduktion af den maksimalt opnåelige spænding. Brudforlængelsen stiger en smule. I det indledende område af glasovergangen ved 60 °C (begyndelsestemperatur for E' fra DMA-målingen: 61,3 °C) fordobles brudforlængelsen næsten (εb = 37 %), og styrken (σmax = 3,5 MPa) halveres i sammenligning med stuetemperatur (εb = 20,3 %; σmax = 7,0 MPa).
Ved 80 °C - efter glasovergangen - befinder materialet sig i den såkaldte entropielastiske tilstand. Polymerkæderne kan nu bevæge sig frit mod hinanden, og materialet bliver blødt. Ved trækprøvning reduceres spændingerne til et niveau under 0,3 MPa, og materialet kan strækkes - inden for rammerne af målebetingelserne - uden at der opstår brud.
Sammenfatning
DMA GABO Eplexor® instrumenter er specielt designet til måling af dynamisk-mekaniske egenskaber. Takket være evnen til at påføre statiske kræfter på op til 4 kN samt den høje fleksibilitet i programdefinitionen kan de også anvendes som udstyr til kvasistatisk træktestning. Dette gør det muligt for brugeren at karakterisere sine materialer langt ud over det lineære viskoelastiske område. Med udgangspunkt i analyser af hærdnings- og blødgøringsegenskaber kan man få oplysninger om indsnævring og brudadfærd. En vigtig funktion ved DMA GABO Eplexor® i denne sammenhæng er den meget præcise temperaturkontrol, der reguleres ved hjælp af temperaturkammeret. Brugeren kan bestemme, hvordan materialer opfører sig under høj belastning både i lavtemperaturområdet fra -160 °C og ved temperaturer op til 500 °C og dermed få vigtige oplysninger om materialesammenligninger, forarbejdningsprocedurer og den senere brug af komponenten.