Σύγκριση μεταξύ των τρόπων κάμψης 3 σημείων και εφελκυσμού
Το υλικό Πολυανθρακικό
Το πολυανθρακικό είναι ένα θερμοπλαστικό υλικό και - όταν δεν ενισχύεται με σωματίδια ή ίνες - μαλακώνει εξαιρετικά σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Για να προσδιοριστεί η εξάρτηση των μηχανικών ιδιοτήτων από τη θερμοκρασία ή η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, απαιτούνται ορισμένες γεωμετρίες δοκιμής και ειδικές συνθήκες δοκιμής.
Πειραματικό
Ένα Eplexor® 500 N (εικόνα 1) εξοπλισμένο με αισθητήρα δύναμης 500 N και θερμικό θάλαμο (-160°C έως 500°C) χρησιμοποιείται για τις έρευνες του πολυκαρβονικού (PC white).
κάμψη 3 σημείων
Για πολλές εφαρμογές χρησιμοποιείται συνήθως η δοκιμή κάμψης 3 σημείων. Επειδή το PC αρχίζει να μαλακώνει πολύ "νωρίς", δηλαδή ήδη πολλούς βαθμούς κάτω από τη θερμοκρασία γυαλιού (Tg), το δείγμα PC τείνει να κρεμάει κάτω από το ίδιο του το βάρος και να ακουμπά στον πυθμένα πριν επιτευχθεί η θερμοκρασία γυαλιού (σχήμα 2). Υιοθετεί μάλιστα το περίγραμμα της υποδοχής κάμψης 3 σημείων (εδώ: άνοιγμα 30 mm)! Το φαινόμενο αυτό συνοδεύει όλους τους καμπτήρες κάμψης ανεξάρτητα από το άνοιγμά τους. Τα δοκίμια PC που υποβάλλονται σε δοκιμές κάμψης υφίστανται πολύπλοκες παραμορφώσεις (ταυτόχρονη διάταση-διάτμηση-κάμψη) σε θερμοκρασιακές μεταβολές. Ανάλογα με το υλικό, η παραμόρφωση μπορεί να αρχίσει ήδη σε θερμοκρασίες 10 έως 30 °C κάτω από τη θερμοκρασία γυαλιού. Οι διαδικασίες παραμόρφωσης που υφίσταται ένα δείγμα σε δοκιμή κάμψης διαφέρουν για όλες τις θερμοκρασίες από εκείνες που συμβαίνουν σε δοκιμή εφελκυσμού. Επομένως, στις δοκιμές κάμψης, η διάχυση ενέργειας θα είναι υψηλότερη από ό,τι στις δοκιμές εφελκυσμού, επειδή υπάρχουν περισσότερες διεργασίες διάχυσης ενέργειας. Το εύρημα αυτό δικαιολογεί την προσδοκία ότι στη λειτουργία κάμψης εμφανίζονται υψηλότερες τιμές tanδ από ό,τι στις δοκιμές εφελκυσμού, ακόμη και αν το υλικό δοκιμής είναι το ίδιο.
Δοκιμές εφελκυσμού
Η καλύτερη εναλλακτική λύση για τη δυναμική-μηχανική ανάλυση του PC είναι η δοκιμή εφελκυσμού. Όλες οι δοκιμές εφελκυσμού πρέπει να πληρούν τις ακόλουθες απαιτήσεις:
- Να ξεπεραστεί η εγγενής τάση συστολής του δείγματος σε υψηλότερες θερμοκρασίες
- Διασφάλιση της επιπεδότητας του δείγματος (= αποφυγή λυγισμού)
Οι κατάλληλα διαμορφωμένες δοκιμές εφελκυσμού PC ελαχιστοποιούν την επίδραση της βαρύτητας στο σχήμα του δείγματος. Οι συμβατικές δοκιμές εφελκυσμού εφαρμόζουν larger στατικά φορτία παρά δυναμικά φορτία. Με τον τρόπο αυτό αποφεύγεται η εμφάνιση εναλλασσόμενων φορτίων κατά τη διάρκεια των κύκλων δοκιμής και έτσι αποτρέπεται ο λυγισμός του δείγματος. Εάν μπορεί κανείς να εφαρμόσει ορισμένα μέτρα για να αποκλείσει την πιθανότητα λυγισμού, τότε δεν χρειάζεται να ακολουθήσει αυτόν τον κανόνα! Στην περίπτωση αυτή, τόσο το στατικό όσο και το δυναμικό φορτίο μπορούν να επιλέγονται ελεύθερα ώστε να ανταποκρίνονται στις ανάγκες του πειράματος. Πράγματι, ο λυγισμός δεν εμφανίζεται όταν σε δοκιμές εφελκυσμού χρησιμοποιούνται μικρά δείγματα (με μήκος μετρητή μερικών χιλιοστών) και παραμορφώσεις small (σε μικρομετρική κλίμακα). Τέτοιες διαμορφώσεις εφαρμόζονται όταν πραγματοποιούνται σαρώσεις θερμοκρασίας σε Η/Υ.
Συνθήκες δοκιμής
Τα δείγματα PC που χρησιμοποιήθηκαν για τις δοκιμές εφελκυσμού έχουν πλάτος 9,5 mm, πάχος 3 mm και μήκος 30 mm. Προκύπτει ένα μήκος μετρητή περίπου 10 mm και αποδεικνύεται κατάλληλο για δυναμικές φορτίσεις ελεγχόμενης παραμόρφωσης. Ένα χαμηλό πλάτος στατικής δύναμης (δύναμη επαφής) διατηρεί το δείγμα PC ευθεία σε όλες τις στιγμές της δοκιμής, όταν δεν λαμβάνονται σημεία δεδομένων. Για σύγκριση, εκτελείται επίσης δοκιμή κάμψης 3 σημείων (στατική παραμόρφωση 3%, δυναμική παραμόρφωση 1%, δύναμη επαφής 1 N ± 0,5 N, άνοιγμα 30 mm).
Το Σχήμα 3 δείχνει τη σημαντική επίδραση της δύναμης τάσης στα σχήματα του δείγματος σε 3 παραδείγματα. Πρέπει να αποτρέπει τη συστολή και να μην επιμηκύνει σημαντικά το δείγμα PC. Είναι προφανές ότι τα επίπεδα δύναμης επαφής 0,5 N (σχήμα 3, αριστερά και σχήμα 3, κέντρο) και 0,75 N δεν είναι επαρκή. Είναι το επίπεδο δύναμης επαφής 1 N (σχήμα 3, δεξιά) που διατηρεί το δείγμα σε ευθεία και δεν το επιμηκύνει υπερβολικά.
Στην πραγματικότητα, η απαιτούμενη δύναμη περιορισμού της συρρίκνωσης εξαρτάται από το υλικό και το εμβαδόν διατομής του δείγματος!
Οι στατικές παραμορφώσεις των 50 μm (0,5% στατική παραμόρφωση) και οι δυναμικές παραμορφώσεις των 10 μm (0,1% δυναμική παραμόρφωση) μπορούν να ανιχνευθούν καλά και δεν θα προκαλέσουν λυγισμό στις δοκιμές εφελκυσμού. Η λειτουργία ελέγχου παραμόρφωσης selected διατηρεί τα πλάτη παραμόρφωσης σταθερά σε όλες τις θερμοκρασίες μεταβάλλοντας τα αντίστοιχα επίπεδα στατικής και δυναμικής δύναμης με την αλλαγή της θερμοκρασίας (2°C/min, συχνότητα: 10 Hz).
Αποτελέσματα μέτρησης
Η εξάρτηση του μέτρου ελαστικότητας |E*| και του tanδ από τη θερμοκρασία παρουσιάζεται στο σχήμα 4 για δοκιμή εφελκυσμού και δοκιμή κάμψης 3 σημείων.
Το μέτρο ελαστικότητας |E*| σε χαμηλή θερμοκρασία έχει τιμή περίπου 2300 MPa και στις δύο περιπτώσεις. Το μέγιστο της καμπύλης tanδ εντοπίζεται γύρω στους 166,5°C (Tg). Σε θερμοκρασίες κάτω των 25°C, τα εμφανιζόμενα ελαστικά μεγέθη |E*| διαφέρουν σημαντικά. Η απόσβεση tanδbending είναι υψηλότερη επειδή είναι ενεργές περισσότερες διαφορετικές διεργασίες παραμόρφωσης από ό,τι στις δοκιμές εφελκυσμού. Οι συντελεστές κάμψης |E*| έχουν μικρότερη σημασία επειδή για τον υπολογισμό τους χρησιμοποιούνται οι αρχικές διαστάσεις του δείγματος, αλλά το πραγματικό σχήμα διαφέρει πολύ από αυτές.
Σε εφελκυσμό, η διατομή του δείγματος μειώνεται σταδιακά σε υψηλές θερμοκρασίες λόγω της επιμήκυνσης του δείγματος. Με την παραδοχή σταθερού όγκου του δείγματος όταν αυτό φορτίζεται υπό τάση, η πραγματική (=διορθωμένη) επιφάνεια διατομής μπορεί να προσδιοριστεί εάν μετρηθεί η πραγματική επιμήκυνση. Η προκύπτουσα τιμή του συντελεστή διαμόρφωσης |E*| αναφέρεται στη διορθωμένη επιφάνεια διατομής.
Συμπέρασμα
Η δοκιμή εφελκυσμού προσφέρει καλύτερα καθορισμένες συνθήκες δοκιμής για δυναμικές-μηχανικές αναλύσεις θερμοπλαστικών υλικών τα οποία - όταν δεν είναι ενισχυμένα - μαλακώνουν σημαντικά ήδη 20 °C ή 30 °C κάτω από την Tg. Το σχήµα του δείγµατος διατηρείται σε όλο το εύρος θερµοκρασίας πολύ καλύτερα στις δοκιµές εφελκυσµού από ό,τι στις δοκιµές κάµψης. Οι γεωμετρικές παραδοχές που γίνονται για τον υπολογισμό των δυναμικών μηχανικών ιδιοτήτων πληρούνται περισσότερο στη γεωμετρία των δοκιμών εφελκυσμού - ένας σημαντικός λόγος για να προτιμηθούν οι δοκιμές εφελκυσμού στην πειραματική πρακτική.