Bevezetés
Amikor egy fémet erőhatásnak tesznek ki, általában azonnal deformálódik, majd hosszú idő után is ugyanabban az alakban marad. Ha a terhelés nem volt túl nagy, a fém a terhelés megszüntetésekor is rugalmasan visszatér eredeti állapotába. Amikor a polimereket erővel terhelik, szintén azonnal deformálódnak; hosszabb idő elteltével azonban gyakran tapasztalható, hogy a test még tovább deformálódott. Ezt a viselkedést kúszásnak nevezzük. Alapvetően a fémek is kúsznak, de a polimereknél ez a viselkedés sokkal kifejezettebb, és a mechanikai viselkedés leírásakor figyelembe kell venni. Emiatt a fémek esetében gyakran elegendő a kvázi-statikus feszültség-alakváltozás diagram; a polimerek esetében azonban az időfüggő alakváltozást is figyelembe kell venni.
Itt alapvetően fontos különbséget tenni a CreepA kúszás idő- és hőmérsékletfüggő képlékeny alakváltozást ír le állandó erő hatására. Amikor egy gumikeverékre állandó erőt alkalmazunk, az erő alkalmazása következtében kapott kezdeti alakváltozás nem rögzített. A deformáció az idő múlásával növekszik. kúszás és a relaxáció között: A CreepA kúszás idő- és hőmérsékletfüggő képlékeny alakváltozást ír le állandó erő hatására. Amikor egy gumikeverékre állandó erőt alkalmazunk, az erő alkalmazása következtében kapott kezdeti alakváltozás nem rögzített. A deformáció az idő múlásával növekszik. kúszás során állandó terhelés hat a testre, amely ennek következtében deformálódik. Relaxáció esetén a test deformációja állandó marad, de idővel a szükséges erő csökken. A relaxáció bizonyos alkalmazásokban, például tömítéseknél nagy jelentőséggel bír, de sok alkatrész esetében inkább az állandó terhelés és az alakváltozás időbeli viselkedése az érdekes.
Az anyagvizsgálat során a tényleges kúszásmérést gyakran kombinálják egy helyreállítási fázissal (CreepA kúszás idő- és hőmérsékletfüggő képlékeny alakváltozást ír le állandó erő hatására. Amikor egy gumikeverékre állandó erőt alkalmazunk, az erő alkalmazása következtében kapott kezdeti alakváltozás nem rögzített. A deformáció az idő múlásával növekszik. kúszás-visszaállítás), amelyben az anyag ismét elnyeri eredeti alakját. Ily módon különbséget lehet tenni a rugalmas és az irreverzibilis CreepA kúszás idő- és hőmérsékletfüggő képlékeny alakváltozást ír le állandó erő hatására. Amikor egy gumikeverékre állandó erőt alkalmazunk, az erő alkalmazása következtében kapott kezdeti alakváltozás nem rögzített. A deformáció az idő múlásával növekszik. kúszás között. Az irreverzibilis alakváltozás large mértékben függ a hőmérséklettől és a terhelés mértékétől. Ezeket az összefüggéseket ebben a kiadványban részletesebben vizsgáljuk.
A kúszás-visszaállási mérések PE-HD-n
A polimerek kúszási viselkedését vizsgáljuk a nagy SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűségű, félkristályos polietilén (PE-HD) példáján. Az 55 x 5 x 2 mm méretű mintákat a dinamikus mechanikai nagy terhelésű NETZSCH DMA Gabo Eplexor® 500 N húzó üzemmódban vizsgáljuk (1. ábra).
A Eplexor® segítségével akár 1500 N statikus erő is alkalmazható a -160°C és +500°C közötti hőmérséklet-tartományban.
Az alkalmazási területtől függően különböző szakító mintatartók állnak rendelkezésre: A szabványos húzó mintatartóval a mintától függően akár 700 N is alkalmazható. Nagyobb erők esetén egy erősebb, akár 1500 N-ig terjedő változat is rendelkezésre áll.
Mivel elsősorban a CreepA kúszás idő- és hőmérsékletfüggő képlékeny alakváltozást ír le állandó erő hatására. Amikor egy gumikeverékre állandó erőt alkalmazunk, az erő alkalmazása következtében kapott kezdeti alakváltozás nem rögzített. A deformáció az idő múlásával növekszik. kúszás erőfüggését kell vizsgálni, az egyes méréseket növekvő terhelés mellett kell összehasonlítani. Így különböző terhelési szintek vizsgálhatók egyetlen mérési sorozatban, újbóli befogás nélkül.
Ezzel az eljárással azonban a minta elvileg deformálható a tényleges terhelési lépés előtt. Annak érdekében, hogy a referencia-geometriától való eltérések ne váljanak túlságosan nagymértékűvé, itt nem történik további terhelésnövelés a 10%-os alakváltozás elérése után. A méréseket egy-egy meghatározott mintahőmérsékleten végezzük. 50°C-on öt terhelési lépést hajtunk végre 2 és 6 MPa között, 2 várakozási órával, hogy minden esetben garantáljuk a stabil állapot kialakulását.
Emelt hőmérsékleten, 100°C-on a terhelést csak a maximális alakváltozás elérésekor növelik 4 MPa-ig.
Amint a 2. ábra mutatja, a kúszás jellemzően három fázisból áll minden terhelési lépésnél. Először a mintát viszonylag hirtelen nyújtják, majd ezt követi a viszkoelasztikus kúszás. Ez a két folyamat jellemzően reverzibilis. Ezt követően a minta inkább viszkózus áramlássá alakul át (állandó alakváltozási sebesség), és jól látható, hogy ez az áramlás nagyobb feszültségek és hőmérsékletek esetén kifejezettebb. Mivel ez a viszkózus áramlás nem reverzibilis, a remanens alakváltozás még az ezt követő tehermentesítési fázis után is fennmarad. Ez a viszko-plasztikus viselkedés magasabb hőmérsékleten és feszültségeknél fokozott intenzitással jelentkezik.
A DIN ISO 899 [4] a kúszási viselkedés meghatározására szolgáló húzó kúszásvizsgálatot írja le. Bár nem foglalkozik kifejezetten az itt alkalmazott kúszás-visszatérési kísérletekkel, tipikus értékelések kerülnek bemutatásra, amelyek az adott kúszási fázisok esetében is felhasználhatók. A 3. a) és b) ábrák tehát a fenti mérésekhez kapcsolódó izochron feszültség-nyúlás diagramokat mutatják. Az alakváltozást minden egyes feszültséghez rögzített idő után feljegyeztük és beírtuk a diagramba. Mivel ebben a vizsgálatsorozatban egy mintára különböző terheléseket alkalmaznak, az alakváltozás minden esetben a közvetlenül a terhelési lépés előtti állapotra vonatkozik. Ez a bemutatás különösen érdekes az alkatrészek tervezése szempontjából, mivel a kapott alakváltozás teljesen analóg módon olvasható le, mint a klasszikus feszültség-alakváltozás diagram egy adott terheléshez. Jellemzően az itt rögzítettnél jóval hosszabb időtartamok után is érdekesek az alakváltozások. Mint fentebb látható, hosszabb időtartamok esetén elsősorban a viszkózus viselkedés dominál, amit később részletesebben is tárgyalunk.
Egy másik tipikus bemutatásként a DIN ISO 899 az időfüggő kúszómodult írja le (3. c és d ábra). Ehelyett gyakran a modulus reciprok értékét, azaz a kúszási megfelelőséget használják, de itt a szabványnak megfelelően a kúszási modulus van feltüntetve. A kúszási modulus bemutatása különösen alkalmas az anyag nemlinearitásának vizsgálatára. Világossá válik, hogy a nagyobb feszültségek általában alacsonyabb kúszómodulhoz, és így nagyobb megfelelőséghez vezetnek.
A kúszási sebességek leírása Eyring szerint
A polimerek kúszását gyakran a négyparaméteres reológiai modellel írják le (4. ábra). A modell egy sorba kapcsolt rugó- és csillapítóelemből (Maxwell-elem) áll. A rugó a pillanatnyi alakváltozási ugrás, a csillapító pedig a viszkózus áramlás modellezésére használható. A viszkoelasztikus viselkedést a párhuzamos rugó-csillapító elem írja le. Így minden korábban elvégzett kúszás-visszatérési kísérlethez azonosítható egy megfelelő modell.
Mint fentebb látható, a hosszú távú kúszás szempontjából fontos viszko-plasztikus komponenst elsősorban a viszkózus áramlás okozza. A viszkózus áramlás hőmérséklet- és feszültségfüggése modellszerűen levezethető abból a valószínűségből, hogy egy molekula egy bizonyos akadályt leküzd. Részleteket találhatunk például a [2]-ben. Itt eredményként megállapítható, hogy e modell szerint a feszültség és a hőmérséklet közötti összefüggés lineárisan függ az alakváltozási sebesség logaritmusától. Ennek megfelelően a feszültség növekedése az alakváltozási sebesség exponenciális növekedéséhez vezet.
Az 5. ábrán a megfelelő feszültségekhez meghatározott alakváltozási sebességek láthatók. A fentebb már bemutatott mérések mellett a kísérletet 110 °C-on is elvégeztük. 50°C-on az alakváltozási sebesség és a feszültség közötti viselkedést nagyon jól leírja a modell, azaz a feszültség és a logaritmikus alakváltozási sebesség között nagyrészt lineáris kapcsolat van. Magasabb hőmérsékleten és feszültségeknél további molekuláris folyamatok lehetségesek, amelyek aztán a logaritmikus alakváltozási sebesség elhajlásához vezetnek.
Az Eyring-diagramban [1] minden hőmérsékletre külön vonal van feljegyezve. Ebben a tekintetben a grafikon lehetővé teszi az alakváltozási sebesség extrapolációjának bemutatását más feszültségekre. Meg kell azonban jegyezni, hogy léteznek fejlettebb megközelítések is egy további idő-hőmérséklet szuperpozíció felvételére; lásd például [3].
Következtetés
A kúszási viselkedés erősen függ a hőmérséklettől és a terhelési szinttől. Míg a rugalmas kúszási komponensek még kisebb erőknél is mérhetők, számos alkalmazásban nagyobb erők és feszültségek fordulnak elő. A DMA Gabo Eplexor® lehetővé teszi a terhelésfüggő képlékeny kúszás jellemzését számos, a gyakorlatban releváns esetben. Ezáltal kimutatható, hogy a hosszú távú kúszási viselkedést elsősorban a polimer viszkózus áramlása határozza meg. Pontosan az alakváltozási sebességnek a ható feszültségtől való függése jól szemléltethető egy Eyring-diagramon.