Pengujian Material di Luar Kisaran Linear Visco-Elastis: Pengujian Tarik di DMA GABO Eplexor^®

Pendahuluan

Pengujian tarik uniaksial kuasi-statis adalah metode pengujian material yang merusak dan salah satu metode yang paling sering digunakan untuk mengkarakterisasi sifat mekanik material [1]. Dalam kasus yang paling sederhana, sampel dikenai beban dengan laju yang ditentukan hingga terjadi kegagalan dan gaya yang dihasilkan, F, dicatat sebagai fungsi perubahan panjang, Δl. Berdasarkan penampang sampel, _A0, dan panjang pengukuran awal, _l0, tegangan yang bekerja pada sampel, σ, beserta SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan yang dihasilkan, ε, dihitung (gambar 1, kanan).

Hasil dari uji tarik adalah apa yang disebut diagram tegangan-regangan teknis (gambar 1, kiri). Nilai tipikal yang diperoleh dari hal ini adalah modulus tarik atau Modulus elastisitasModulus kompleks (komponen elastis), modulus penyimpanan, atau G', adalah bagian "nyata" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen elastis ini menunjukkan respons seperti padat, atau dalam fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus elastisitas,_Et, yang menggambarkan rasio tegangan dan SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan dalam rentang elastis, tegangan maksimum yang dapat dicapai oleh material (_σmax, _εmax), dan nilai tegangan dan SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan pada saat patah (_σmax, _εpatah) dan pada transisi dari elastisitas yang dapat dibalik menjadi aliran plastis (_σyield, _εyield). Pengujian tarik lebih lanjut memberikan informasi mengenai kontraksi lateral, pengerasan SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan, leher dan perilaku kegagalan yang sedang berlangsung. Selain itu, dengan mempertimbangkan pengukuran dalam orientasi yang berbeda, juga memungkinkan untuk mengkarakterisasi anisotropi, yaitu ketergantungan sifat pada arah. Pengujian biasanya dilakukan di penguji tarik elektromekanis dan distandarisasi sesuai dengan bahan, produk setengah jadi, dan aplikasinya. Pengujian tarik digunakan di hampir semua tahap rantai produksi, mulai dari pengembangan material dan kontrol kualitas dalam produksi hingga analisis kekuatan pada komponen akhir.

Seri DMA GABO Eplexor^®

Sistem seri DMA GABO Eplexor^® adalah instrumen uji yang dirancang khusus untuk pengukuran dinamis-mekanis (singkatnya, DMA) dalam rentang beban tinggi. Selama pengujian dinamis-mekanis, gaya sinusoidal diterapkan pada spesimen di bawah program suhu yang ditentukan. Hal ini menghasilkan deformasi sinusoidal. Dengan menganalisis nilai tegangan dan SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan serta pergeseran fasa yang tepat waktu dari keduanya, karakterisasi yang bergantung pada frekuensi dan suhu dari sifat visko-elastis seperti penyimpanan dan Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan (E' dan E") dapat direalisasikan. Berdasarkan hal ini, transisi gelas polimer, misalnya, dapat dideteksi.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar 2a), gaya statis dapat diterapkan pada sampel di DMA GABO Eplexor^® dengan menggunakan penggerak atas. Di bagian bawah instrumen, sebuah pembangkit osilasi menghasilkan beban dinamis dengan frekuensi dari 0,01 Hz hingga 100 Hz (opsional 0,0001 Hz dan 200 Hz) serta gaya hingga 500 N dan amplitudo hingga 6 mm. Ruang suhu memungkinkan pengukuran dari -160 ° C hingga 500 ° C, tergantung pada sistem pendingin. Pengukuran dapat dilakukan dengan bantuan masing-masing pemegang sampel dalam mode geser, tekuk, tarik, atau kompresi.

Namun, karena gaya statis yang dapat diterapkan secara terpisah hingga 1,5 kN pada unit di atas meja (gambar 2a), dan hingga 4,0 kN pada perangkat yang berdiri di lantai bersama dengan urutan pengukuran yang dapat dikonfigurasi, sistem DMA GABO Eplexor^® juga cocok untuk pengujian kuasi-statis seperti pengujian uniaksial. Unit dinamis tetap dinonaktifkan dalam kasus ini. Dengan cara ini, material dapat dikarakterisasi di luar perilaku elastis (visko) hingga titik patah. Bergantung pada material yang akan diuji dan persyaratan gaya masing-masing, pemegang sampel tarik mekanis tersedia dari maks. 700 N hingga maks. 5 kN (gambar 2b).

Program pengujian "Pengujian Universal", yang telah ditetapkan untuk karakterisasi kuasi-statis, memungkinkan pengujian tarik dengan kontrol peningkatan tegangan atau regangan yang ditentukan untuk dilakukan dengan pendekatan standar pengujian seperti DIN EN ISO 6892-1 [2] atau DIN EN ISO 527-1 [3]. Dalam hal ini, ini adalah mode uji IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal di mana batas gaya atau regangan dapat diterapkan sebagai kriteria penghentian. Stroke maksimum 60 mm dimulai pada kecepatan yang dapat dipilih secara bebas hingga 150 mm/menit, dan perekaman regangan sampel didasarkan pada gerakan lintasan. Dalam konteks ini, perlu dicatat bahwa - karena penurunan regangan sampel berdasarkan gerakan kepala bab - pengujian hanya dapat dilakukan dengan mendekati standar pengujian yang menetapkan sistem pengukuran taktil atau optik dalam hal ini

Uji Tarik Uniaksial di DMA GABO Eplexor^®

Gambar 3 menunjukkan diagram tegangan-regangan teknis dari bahan lembaran yang terbuat dari busa PVC beserta nilai karakteristik yang diturunkan. Pengukuran dilakukan pada suhu kamar dengan laju regangan 1%/menit. Sampel sesuai dengan geometri 5A sesuai dengan DIN EN ISO 527-2 [4] dengan lebar 4,0 mm, ketebalan 2,8 mm dan panjang pengukuran paralel 20,0 mm, yang pertama kali digiling dan kemudian digiling.

Tergantung pada bahan yang akan diuji, laju regangan dan suhu, bentuk kurva diagram regangan-tegangan teknis bervariasi. Sesuai dengan DIN EN ISO 527-1 [3], misalnya, dimungkinkan untuk membedakan di antara empat jenis. Kurva yang dihasilkan dari bahan busa PVC secara kasar dapat dibagi menjadi tiga area. Pertama, ada kisaran hampir linier 1, yang mengembang hingga kira-kira 1,5% regangan. Berbeda dengan bahan logam elastis linier, plastik hanya menunjukkan rentang linier yang sangat terbatas, yang dengan cepat berubah menjadi perilaku nonlinier pada regangan rendah. Sesuai dengan DIN EN ISO 527-1 [3], evaluasi modulus tarik yang diukur secara kuasi-statis dalam rentang regangan dari 0,05% hingga 0,25% ditentukan dengan menentukan secant yang relevan atau dengan cara regresi. Dalam kasus busa PVC yang diselidiki, modulus tarik_Et, dihitung dengan regresi, berjumlah 0,3 GPa. Setiap penyimpangan dalam modulus penyimpanan E' untuk pengukuran dinamis-mekanis disebabkan oleh fakta bahwa pengukuran dinamis-mekanis dilakukan secara selektif di bawah beban statis yang ditentukan atau regangan yang dihasilkan dan diferensiasi dibuat antara komponen elastis murni (E') dan kental (E'').

Pada bagian dua berikut, peregangan bahan busa berpori, kerusakan mikro awal dan deformasi plastis yang tidak dapat dipulihkan terjadi. Tegangan meningkat secara non-linear dengan meningkatnya regangan. Nilai maksimum yang dicapai oleh material, _σmax, adalah 7,0 MPa. Pada bagian 3, sampel terus mengerut dan terjadi kegagalan material lokal hingga mencapai titik patah. Hal ini ditandai dengan perpanjangan putus, _εb, sebesar 20,3%.

Pengukuran Material dengan Kelas Kekuatan yang Berbeda

Berkat kemampuan untuk menukar sel beban dari instrumen Eplexor^® dan juga penskalaan dimensi sampel, material dari kelas kekuatan yang berbeda dapat dikarakterisasi seperti yang diilustrasikan pada gambar 4. Selain busa PVC yang telah ditunjukkan, hasil untuk poliamida yang diperkuat serat kaca (PA-GF) dengan kandungan serat 30% dan polietilena densitas tinggi (PE-HD) disajikan.

Pengisian plastik adalah prosedur umum untuk meningkatkan sifat mekanis, tetapi juga digunakan untuk penyesuaian Konduktivitas Listrik (SBA)Konduktivitas listrik adalah properti fisik yang menunjukkan kemampuan material untuk memungkinkan pengangkutan muatan listrik.konduktivitas listrik dan termal atau memodifikasi sifat lainnya. Sebagai contoh, poliamida yang diperkuat serat kaca dengan kekuatan tarik σmaks 204,3 MPa dan modulus tarik rata-rata,_Et, 11,4 GPa berkali-kali lipat lebih kuat atau lebih kaku daripada busa PVC (_σmaks = 7 MPa dan_Et = 0,3 GPa) dan polietilena (_σmaks = 20,8 MPa dan_Et = 1,0 GPa). Lintasan kurva tegangan-regangan dicirikan oleh peningkatan tegangan semu-linier dengan fraktur yang hampir segera terjadi pada _εb = 3,6%, yang dapat digambarkan sebagai perilaku yang agak rapuh. Karena serat kaca, yang menunjukkan kekuatan tarik tinggi (_σmax > 2000 GPa) dan kekakuan (_Et > 70 GPa) [5], material ini mampu menahan tekanan tinggi. Jika serat yang rapuh putus, maka akan terjadi kegagalan langsung pada matriks poliamida yang kurang kuat.

Bersamaan dengan mengukur material yang relatif lebih keras, material dengan perpanjangan putus yang tinggi juga dapat diselidiki dengan mengadaptasi panjang pengukuran paralel - jika perlu, tidak sesuai dengan standar. Polietilena densitas tinggi (PE-HD) adalah polimer termoplastik yang diproduksi dari monomer etilena. Percabangan rantai polimer yang rendah menyebabkan densitas material yang lebih tinggi dibandingkan dengan jenis PE konvensional [6]. Dengan mempertimbangkan perpindahan maksimum 60 mm, panjang pengukuran dipersingkat menjadi 10 mm untuk mengukur material. Dengan _εb = 266,5%, material ini memiliki perpanjangan putus yang tinggi dibandingkan dengan busa PVC dan PA-GF. Lintasan kurva juga berbeda secara signifikan dari bahan polimer lainnya. Jadi, setelah mencapai tegangan maksimum, σmax = 20,8 MPa - dengan perpanjangan sekitar 8% - zona pelunakan yang relatif panjang terjadi hingga titik patah.

Uji Tarik pada Suhu Rendah dan Tinggi

Dalam desain komponen, ketergantungan sifat mekanik pada suhu sangat penting untuk memilih bahan yang sesuai. Uji tarik pada suhu rendah dan tinggi memberikan informasi tentang bagaimana material berperilaku pada lingkungan operasi yang berbeda. Sebagai contoh, harus dipastikan bahwa komponen struktural pada mobil dapat menahan tekanan aplikasinya baik pada suhu rendah di musim dingin maupun suhu tinggi di musim panas tanpa kegagalan. Bersamaan dengan penetapan jendela aplikasi yang relevan, pengujian tersebut juga menghasilkan informasi penting untuk diproses - misalnya, kisaran suhu di mana bahan lembaran menjadi lunak dan paling baik untuk dibentuk dengan panas. Dalam hal ini, data berfungsi untuk pembuatan jendela pemrosesan.

Semua instrumen seri DMA GABO Eplexor^® dapat dilengkapi dengan ruang suhu dan memungkinkan - tergantung pada sistem pendingin - untuk pengukuran dari -160 ° C hingga 500 ° C. Pelanggan yang biasanya melakukan karakterisasi dinamis-mekanis dengan DMA GABO Eplexor^® juga memiliki kemampuan untuk mengkarakterisasi material mereka dengan bantuan uji tarik yang bergantung pada suhu dan dengan demikian dapat mempelajari lebih banyak tentang material mereka daripada melalui pengukuran DMA klasik.

Gambar 5 menunjukkan perilaku material yang bergantung pada suhu dari busa PVC dalam uji tarik. Seperti yang dapat dilihat, suhu secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik dan karakteristik kurva tegangan-regangan. Pada suhu rendah -100 ° C, material menunjukkan perilaku patah getas. Sampel berperilaku elastis hampir linier dan langsung patah pada regangan di bawah 1% setelah mencapai tegangan sekitar 6 MPa. Dengan meningkatkan suhu hingga 26°C, yang sesuai dengan suhu kamar, kemiringan dalam rentang elastis linier menurun dan begitu pula dengan modulus tarik. Lebih jauh lagi, rentang plastis non-linier yang berbeda dengan fraktur berikutnya menjadi jelas. Peningkatan suhu lebih lanjut hingga 40°C menghasilkan penurunan modulus tarik (tidak secara eksplisit ditunjukkan di sini) dan pengurangan tegangan maksimum yang dapat dicapai. Perpanjangan putus sedikit meningkat. Pada kisaran awal Suhu Transisi KacaTransisi gelas adalah salah satu sifat terpenting dari bahan amorf dan semi-kristal, misalnya, gelas anorganik, logam amorf, polimer, obat-obatan dan bahan makanan, dll., dan menggambarkan wilayah suhu di mana sifat mekanis bahan berubah dari keras dan rapuh menjadi lebih lunak, dapat diubah bentuknya atau kenyal.transisi kaca pada suhu 60°C (suhu awal E' dari pengukuran DMA: 61,3°C), perpanjangan putus hampir dua kali lipat (_εb = 37%) dan kekuatan (_σmax = 3,5 MPa) berkurang setengahnya dibandingkan dengan suhu kamar (_εb = 20,3%; _σmax = 7,0 MPa).

Pada suhu 80°C - setelah transisi gelas - bahan berada dalam kondisi yang disebut entropi-elastis. Rantai polimer sekarang dapat bergerak bebas satu sama lain dan material menjadi lunak. Dalam pengujian tarik, tegangan dikurangi hingga level di bawah 0,3 MPa dan material dapat diregangkan - dalam kerangka kondisi pengukuran - tanpa terjadinya patahan.

Ringkasan

Instrumen DMA GABO Eplexor^® dirancang khusus untuk pengukuran sifat mekanik-dinamis. Berkat kemampuan menerapkan gaya statis hingga 4 kN serta fleksibilitas yang tinggi dalam definisi program, instrumen ini juga dapat digunakan sebagai perangkat untuk pengujian tarik kuasi-statis. Hal ini memungkinkan pengguna untuk mengkarakterisasi materialnya jauh melampaui rentang visko-elastis linier. Dimulai dengan analisis karakteristik pengerasan dan pelunakan, informasi tentang perilaku leher dan patahan dapat diperoleh. Fungsi penting dari DMA GABO Eplexor^® dalam konteks ini adalah kontrol suhu yang sangat presisi yang diatur melalui ruang suhu. Pengguna dapat menentukan bagaimana material berperilaku di bawah beban tinggi baik pada kisaran suhu rendah mulai dari -160°C dan pada suhu hingga 500°C, sehingga memperoleh informasi penting tentang perbandingan material, prosedur pemrosesan, dan penggunaan komponen di kemudian hari.