Bevezetés
A kvázi-statikus egytengelyű szakítóvizsgálat a roncsolásos anyagvizsgálat egyik módszere, és az egyik leggyakrabban alkalmazott módszer az anyagok mechanikai tulajdonságainak jellemzésére [1]. A legegyszerűbb esetben a mintát meghatározott sebességgel terhelik, amíg a tönkremenetel be nem következik, és a keletkező erőt, F-t, a hosszváltozás, Δl, függvényében rögzítik. A minta keresztmetszete, A0, és a kezdeti mérési hossz, l0, alapján kiszámítjuk a mintára ható σ feszültséget és az ebből eredő ε alakváltozást (1. ábra, jobbra).
A szakítóvizsgálat eredménye egy úgynevezett technikai feszültség-alakváltozás diagram (1. ábra, balra). Az ebből származtatott tipikus értékek a szakító modulus vagy Rugalmassági modulusA komplex modulus (rugalmas komponens), tárolási modulus vagy G', a minták "valós" része a teljes komplex modulus. Ez a rugalmas komponens jelzi a mérendő minta szilárd, vagy fázisban lévő válaszát. rugalmassági modulus,Et, amely a feszültség és az alakváltozás arányát írja le a rugalmas tartományban, az anyag által elérhető legnagyobb feszültség (σmax, εmax), valamint a feszültség és az alakváltozás értékei a törésnél (σmax, εbreak) és az elasztikusan reverzibilis és a képlékeny folyás közötti átmenetnél (σyield, εyield). A szakítóvizsgálat további információkat szolgáltat az oldalirányú összehúzódásról, a nyúláskeményedésről, a nyakképződésről és a folyamatos tönkremeneteli viselkedésről. Továbbá a különböző orientációjú mérések figyelembevételével az anizotrópia, azaz a tulajdonságok iránytól való függése is jellemezhető. A vizsgálatokat általában elektromechanikus szakítóvizsgálókon végzik, és az anyag, a félkész termék és az alkalmazás szerint szabványosítják. A szakítóvizsgálatokat a gyártási lánc szinte minden szakaszában alkalmazzák, az anyagfejlesztéstől és a gyártás közbeni minőségellenőrzéstől a végső alkatrész szilárdságvizsgálatáig.
A DMA GABO Eplexor® sorozat
A DMA GABO Eplexor® sorozatba tartozó rendszerek kifejezetten dinamikus mechanikai mérésekhez (röviden DMA) tervezett, nagy terhelési tartományban végzett mérőműszerek. A dinamikus-mechanikai vizsgálat során egy meghatározott hőmérsékleti program mellett szinuszos erő hat a próbatestre. Ez szinuszos deformációt eredményez. A feszültség- és alakváltozási értékek, valamint a kettő időbeni fáziseltolódásának elemzésével a viszkoelasztikus tulajdonságok, például a tárolási és veszteségmodul (E' és E") frekvencia- és hőmérsékletfüggő jellemzése valósítható meg. Ez alapján például egy polimer üvegesedése kimutatható.
Amint a 2a) ábrán látható, a DMA GABO Eplexor® készülékben egy felső meghajtással statikus erőt lehet kifejteni a mintára. A műszer alsó részében egy rezgésgerjesztő generál dinamikus terhelést 0,01 Hz és 100 Hz közötti frekvenciával (opcionálisan 0,0001 Hz és 200 Hz), valamint 500 N-ig terjedő erővel és 6 mm-ig terjedő amplitúdóval. A hőmérsékletkamra -160°C és 500°C közötti méréseket tesz lehetővé, a hűtőrendszertől függően. A mérések a megfelelő mintatartók segítségével nyíró, hajlító, húzó vagy nyomó üzemmódban végezhetők.
A külön-külön alkalmazható, akár 1,5 kN statikus erőnek köszönhetően az asztali készülékben (2a. ábra), illetve 4,0 kN-nak köszönhetően a padlóra állítható készülékben, valamint a konfigurálható mérési sorrendeknek köszönhetően a DMA GABO Eplexor® rendszerek kvázi-statikus vizsgálatokra, például egytengelyű vizsgálatokra is alkalmasak. A dinamikus egység ebben az esetben kikapcsolva marad. Így az anyagok (viszko)rugalmas viselkedésükön túl egészen a törésig jellemezhetők. A vizsgálandó anyagtól és a megfelelő erőigénytől függően mechanikus húzó mintatartók állnak rendelkezésre max. 700 N és max. 5 kN-ig (2b. ábra).
A kvázi-statikus jellemzéshez előre meghatározott "Universal Testing" vizsgálati program lehetővé teszi, hogy a DIN EN ISO 6892-1 [2] vagy a DIN EN ISO 527-1 [3] szabványokhoz közelítő szakítóvizsgálatokat végezzenek meghatározott feszültség- vagy nyúlásnövekedés-szabályozással. Ebben az esetben ez egy IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus vizsgálati mód, amelyben egy erő- vagy alakváltozási határértéket lehet alkalmazni befejezési kritériumként. A maximálisan 60 mm-es löketet szabadon választható, legfeljebb 150 mm/perc sebességgel indítjuk el, és a minta alakváltozásának rögzítése a traverzmozgás alapján történik. Ezzel kapcsolatban meg kell jegyezni, hogy - mivel a minta alakváltozását a keresztfej mozgása alapján vezetik le - a vizsgálat csak olyan vizsgálati szabványok szerint végezhető el, amelyek e tekintetben tapintásos vagy optikai mérőrendszert írnak elő
Egytengelyű szakítóvizsgálat a DMA GABO-ban Eplexor®
A 3. ábra egy PVC-habból készült lemezanyag műszaki feszültség-alakváltozás diagramját mutatja a származtatott jellemző értékekkel együtt. A mérést szobahőmérsékleten végeztük 1 %/perc alakváltozási sebességgel. A minta a DIN EN ISO 527-2 [4] szerinti 5A-geometriának felel meg, 4,0 mm szélességgel, 2,8 mm vastagsággal és 20,0 mm párhuzamos mérési hosszal, amelyet előbb marással, majd csiszolással készítettünk.
A vizsgálandó anyagtól, az alakváltozási sebességtől és a hőmérséklettől függően változik a műszaki alakváltozási feszültségdiagram görbéjének alakja. A DIN EN ISO 527-1 [3] szerint például négy típust lehet megkülönböztetni. A PVC habanyag eredő görbéje nagyjából három területre osztható. Először is van a közel lineáris 1. tartomány, amely kb. 1,5%-os alakváltozásig terjed. A lineárisan rugalmas fémes anyagokkal ellentétben a műanyagok csak egy nagyon korlátozott lineáris tartományt mutatnak, amely már kis alakváltozásnál gyorsan átvált nemlineáris viselkedésre. A DIN EN ISO 527-1 [3] szabvány szerint ezért a 0,05% és 0,25% közötti alakváltozási tartományban a kvázi statikusan mért szakító modulus értékelését a megfelelő szekáns meghatározásával vagy regresszióval kell elvégezni. A vizsgált PVC-hab esetében a regresszióval számítottEt szakítómodul 0,3 GPa. Az E' tárolási modulusban a dinamikai-mechanikai mérés esetén tapasztalható eltérések abból adódnak, hogy a dinamikai-mechanikai méréseket szelektíven, meghatározott statikus terhelés vagy eredő alakváltozás mellett végzik, és különbséget tesznek a tisztán rugalmas (E') és a viszkózus (E'') komponensek között.
A következő második szakaszban a porózus habanyag nyújtása, kezdeti mikrokárosodás és irreverzibilis plasztikus deformáció következik be. A feszültség nemlineárisan nő a növekvő alakváltozással. Az anyag által elért maximális érték, σmax, 7,0 MPa. A 3. szakaszban a minta tovább szűkül, és a törésig tartó helyi anyagtörés következik be. Ezt 20,3%-os szakadási nyúlás, εb jellemzi.
Különböző szilárdsági osztályú anyagok mérése
A Eplexor® műszerek terhelésmérő celláinak cseréjének és a minta méretének skálázásának köszönhetően különböző szilárdsági osztályok anyagai jellemezhetők a 4. ábrán látható módon. A már bemutatott PVC-hab mellett egy 30%-os száltartalmú üvegszál-erősítésű poliamid (PA-GF) és egy nagy SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűségű polietilén (PE-HD) eredményeit is bemutatjuk.
A műanyagok töltése tipikus eljárás a mechanikai tulajdonságok javítására, de alkalmazzák az elektromos és Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség beállítására vagy egyéb tulajdonságok módosítására is. Például az üvegszállal erősített poliamid σmax 204,3 MPa szakítószilárdsággal és 11,4 GPa átlagos szakítómodulussal (Et) sokszor erősebb vagy merevebb, mint a PVC-hab (σmax = 7 MPa ésEt = 0,3 GPa) és a polietilén (σmax = 20,8 MPa ésEt = 1,0 GPa). A feszültség-nyúlás görbék menetét a feszültség kvázi lineáris növekedése jellemzi, εb = 3,6%-nál szinte azonnali töréssel, ami meglehetősen rideg viselkedésként írható le. Az üvegszálaknak köszönhetően, amelyek maguk is nagy szakítószilárdságot (σmax > 2000 GPa) és merevséget (Et > 70 GPa) mutatnak [5], az anyag képes nagy feszültségeket elviselni. Ha a rideg szálak eltörnek, a kevésbé erős poliamid mátrix közvetlen tönkremenetele következik be.
A viszonylag keményebb anyagok mérése mellett a párhuzamos mérési hossz - szükség esetén a szabványtól eltérő - adaptálásával a nagy szakadási nyúlással rendelkező anyagok is vizsgálhatók. A nagy SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűségű polietilén (PE-HD) az etilén monomerjéből előállított hőre lágyuló polimer. A polimerláncok alacsony elágazása az anyag nagyobb SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűségét eredményezi a hagyományos PE-típusokhoz képest [6]. A 60 mm-es maximális elmozdulást figyelembe véve a mérési hosszat 10 mm-re rövidítettük az anyag méréséhez. Az εb = 266,5%-os értékkel az anyag magas szakadási nyúlással rendelkezik mind a PVC-habhoz, mind a PA-GF-hez képest. A görbe lefolyása is jelentősen eltér a többi polimer anyagétól. Így a maximális feszültség, σmax = 20,8 MPa elérése után - kb. 8%-os nyúlásnál - egy viszonylag hosszú lágyulási zóna következik be a törésig.
Szakítóvizsgálatok alacsony és magas hőmérsékleten
Az alkatrészek tervezésénél a mechanikai tulajdonságok hőmérsékletfüggése alapvető fontosságú a megfelelő anyag kiválasztásához. Az alacsony és magas hőmérsékleten végzett szakítóvizsgálatok információt nyújtanak arról, hogy az anyag hogyan viselkedik a különböző üzemi környezetekben. Biztosítani kell például, hogy egy gépjármű szerkezeti eleme télen alacsony hőmérsékleten és nyáron magas hőmérsékleten egyaránt ellenálljon az alkalmazásból eredő igénybevételeknek meghibásodás nélkül. A megfelelő alkalmazási ablak megállapítása mellett ezek a vizsgálatok a feldolgozás szempontjából is fontos információkat szolgáltatnak - például azt, hogy egy lemezanyag milyen hőmérséklettartományban válik lágyabbá, és milyen hőmérsékleten lehet a legjobban melegen alakítani. Ebben az esetben az adatok egy feldolgozási ablak létrehozására szolgálnak.
A DMA GABO Eplexor® sorozat minden műszere felszerelhető hőmérséklet-kamrával, és - a hűtőrendszertől függően - -160°C és 500°C közötti méréseket tesz lehetővé. Azok az ügyfelek, akik jellemzően dinamikus-mechanikai jellemzéseket végeznek a DMA GABO Eplexor® készülékkel, ezáltal a hőmérsékletfüggő szakítóvizsgálatok segítségével is jellemezhetik anyagaikat, és így sokkal többet tudhatnak meg anyagaikról, mint a klasszikus DMA mérésekkel.
Az 5. ábra egy PVC-hab hőmérsékletfüggő anyagviselkedését mutatja be szakítóvizsgálatok során. Mint látható, a hőmérséklet jelentősen befolyásolja mind a mechanikai tulajdonságokat, mind a feszültség-nyúlás görbe jellemzőit. Alacsony, -100°C-os hőmérsékleten az anyag rideg törési viselkedést mutat. A minta közel lineárisan rugalmasan viselkedik, és 1% alatti alakváltozásnál közvetlenül törik, miután elérte a körülbelül 6 MPa feszültséget. A hőmérsékletet 26°C-ra növelve, ami megfelel a szobahőmérsékletnek, a lineáris rugalmassági tartományban a meredekség csökken, és ezzel együtt a szakító modulus is. Továbbá, egy határozott nemlineáris képlékeny tartomány válik láthatóvá, későbbi töréssel. A hőmérséklet további emelése 40°C-ra a szakító modulus csökkenését eredményezi (itt kifejezetten nem látható), és az elérhető legnagyobb feszültség csökkenését. A szakadási nyúlás enyhén növekszik. Az üvegesedési átmenet kezdeti tartományában, 60°C-on (E' kezdeti hőmérséklete a DMA-mérésből: 61,3°C) a törési nyúlás majdnem megduplázódik (εb = 37%) és a szilárdság (σmax = 3,5 MPa) felére csökken a szobahőmérséklethez képest (εb = 20,3%; σmax = 7,0 MPa).
80°C-on - az üvegesedést követően - az anyag az úgynevezett entrópia-elasztikus állapotban van. A polimerláncok most már szabadon mozoghatnak egymáshoz képest, és az anyag lágyul. A szakítóvizsgálat során a feszültségek 0,3 MPa alá csökkennek, és az anyag - a mérési feltételek keretein belül - törés kialakulása nélkül nyújtható.
Összefoglaló
A DMA GABO Eplexor® műszerek kifejezetten a dinamikai-mechanikai tulajdonságok mérésére szolgálnak. A 4 kN-ig terjedő statikus erők alkalmazására való képességüknek, valamint a nagyfokú rugalmasságnak köszönhetően a programok meghatározásában, kvázi-statikus szakítóvizsgálatokhoz is alkalmazhatók. Ez lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy a lineáris viszkoelasztikus tartományon messze túlmenően jellemezze anyagait. A keményedési és lágyulási jellemzők elemzésétől kezdve a nyákosodásra és a törési viselkedésre vonatkozó információk nyerhetők. A DMA GABO Eplexor® fontos funkciója ebben az összefüggésben a hőmérséklet-kamra segítségével szabályozott, rendkívül pontos hőmérséklet-szabályozás. A felhasználó mind a -160°C-nál kezdődő alacsony hőmérséklet-tartományban, mind az 500°C-ig terjedő hőmérsékleten meghatározhatja, hogyan viselkednek az anyagok nagy terhelés alatt, így fontos információkhoz juthat az anyagösszehasonlításokkal, a feldolgozási eljárásokkal és az alkatrész későbbi felhasználásával kapcsolatban.