Introduzione
Quando un metallo è sottoposto a una forza, di solito si deforma immediatamente e rimane nella stessa forma anche dopo un lungo periodo di tempo. Se il carico non era troppo elevato, il metallo ritorna elasticamente al suo stato originale quando il carico viene rimosso. Quando i polimeri vengono caricati con una forza, anch'essi si deformano immediatamente; dopo un periodo di tempo più lungo, tuttavia, spesso si scopre che il corpo si è ulteriormente deformato. Questo comportamento è chiamato creep. Fondamentalmente, anche i metalli si deformano, ma con i polimeri questo comportamento è molto più marcato e deve essere tenuto in considerazione quando si descrive il comportamento meccanico. Per questo motivo, per i metalli è spesso sufficiente un diagramma sforzo-deformazione quasi statico; per i polimeri, invece, è necessario tenere conto anche della deformazione dipendente dal tempo.
A questo proposito, è importante distinguere tra creep e RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento: Nel creep, un carico costante agisce sul corpo, che di conseguenza si deforma. Nel RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento, la deformazione di un corpo rimane costante, ma nel tempo la forza richiesta si riduce. Il RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento è di grande interesse per alcune applicazioni, come ad esempio per le guarnizioni; ma per molti componenti, è piuttosto il carico che è costante e il comportamento temporale della deformazione che è di interesse.
Nelle prove sui materiali, la misurazione del creep vero e proprio è spesso combinata con una fase di recupero (Recupero del creepIl recupero del creep è il rapporto tra la cedevolezza recuperabile e la cedevolezza iniziale, espresso in percentuale. Spesso nei test MSCR (multiple stress creep recovery), il recupero del creep è considerato un indicatore di prestazione: un recupero maggiore indica un legante meno incline all'insidia.recupero del creep) in cui il materiale può ottenere nuovamente la sua forma originale. In questo modo, è possibile distinguere tra creep elastico e irreversibile. La deformazione irreversibile dipende in large misura dalla temperatura e dal livello di carico. Queste relazioni saranno analizzate più in dettaglio nella presente pubblicazione.
Misure di recupero da scorrimento su PE-HD
Il comportamento a scorrimento dei polimeri viene qui studiato utilizzando l'esempio del polietilene semicristallino ad alta densità (PE-HD). I campioni con dimensioni di 55 x 5 x 2 mm sono stati testati con l'ausilio del sistema dinamico-meccanico ad alto carico NETZSCH DMA GABO Eplexor® 500 N in modalità di trazione (figura 1).
Con Eplexor® è possibile applicare forze statiche fino a 1500 N nell'intervallo di temperatura compreso tra -160°C e +500°C.
A seconda del campo di applicazione, sono disponibili diversi portacampioni di trazione: Con il portacampione di trazione standard è possibile applicare fino a 700 N, a seconda del campione. Per forze più elevate, è disponibile una versione più robusta, fino a 1500 N.
Poiché si vuole studiare in particolare la dipendenza del creep dalla forza, le singole misure vengono confrontate con carichi crescenti. In questo modo, è possibile studiare diversi livelli di carico in un'unica serie di misurazioni, senza dover ricorrere al ricampionamento.
Con questa procedura, tuttavia, il campione può in linea di principio essere deformato prima della fase di carico vera e propria. Per evitare che le deviazioni dalla geometria di riferimento diventino troppo ampie, non viene effettuato un ulteriore aumento del carico una volta raggiunta una deformazione del 10%. Le misurazioni vengono effettuate ciascuna a una determinata temperatura del campione. A 50°C, vengono eseguite cinque fasi di carico da 2 a 6 MPa, con 2 ore di attesa per garantire che si possa stabilire una condizione stabile in ogni caso.
A una temperatura elevata di 100°C, il carico viene aumentato a 4 MPa solo quando si raggiunge la deformazione massima.
Come mostrato nella figura 2, il creep consiste tipicamente in tre fasi per ogni fase di carico. In primo luogo, il campione viene allungato in modo relativamente brusco, seguito da uno scorrimento visco-elastico. Questi due processi sono tipicamente reversibili. Successivamente, il campione si trasforma in un flusso viscoso (velocità di deformazione costante) e si può chiaramente notare che questo flusso è più pronunciato a sollecitazioni e temperature più elevate. Poiché questo flusso viscoso non è reversibile, rimane una deformazione rimanente anche dopo la successiva fase di scarico. Questo comportamento visco-plastico si manifesta con maggiore intensità a temperature e sollecitazioni più elevate.
Nella norma DIN ISO 899 [4] viene descritta la prova di scorrimento a trazione per la determinazione del comportamento a scorrimento. Sebbene non si occupi specificamente degli esperimenti di Recupero del creepIl recupero del creep è il rapporto tra la cedevolezza recuperabile e la cedevolezza iniziale, espresso in percentuale. Spesso nei test MSCR (multiple stress creep recovery), il recupero del creep è considerato un indicatore di prestazione: un recupero maggiore indica un legante meno incline all'insidia.recupero del creep qui impiegati, vengono presentate valutazioni tipiche che possono essere utilizzate anche per le rispettive fasi di creep. Le figure 3 a) e b) mostrano i diagrammi isocroni di sollecitazione-deformazione associati alle misurazioni di cui sopra. La deformazione viene annotata per ogni sollecitazione dopo un tempo fisso e inserita nel diagramma. Poiché in questa serie di prove vengono applicati carichi diversi a un campione, la deformazione si riferisce in ogni caso allo stato immediatamente precedente alla fase di carico. Questa presentazione è di particolare interesse per la progettazione dei componenti, perché la deformazione risultante può essere letta in modo del tutto analogo al classico diagramma sforzo-deformazione per un determinato carico. In genere, le deformazioni sono interessanti anche dopo periodi di tempo molto più lunghi di quelli registrati qui. Come si è visto in precedenza, per periodi di tempo più lunghi domina soprattutto il comportamento viscoso, che verrà discusso più avanti in dettaglio.
Come altra presentazione tipica, la norma DIN ISO 899 descrive il modulo di scorrimento in funzione del tempo (figure 3 c e d). Spesso si usa il valore reciproco del modulo, cioè la cedevolezza, ma in questo caso il modulo di scorrimento è mostrato in conformità alla norma. La presentazione del modulo di creep è particolarmente adatta per indagare la non linearità del materiale. Risulta evidente che le sollecitazioni più elevate portano generalmente a un modulo di creep più basso e quindi a una maggiore conformità.
Descrizione dei tassi di scorrimento secondo Eyring
Lo scorrimento dei polimeri è spesso descritto dal modello reologico a quattro parametri (figura 4). Il modello consiste in una molla e in un elemento di smorzamento (elemento di Maxwell) collegati in serie. La molla può essere usata per illustrare il salto di deformazione istantaneo e lo smorzatore per modellare il flusso viscoso. Il comportamento visco-elastico è descritto dall'elemento parallelo molla-smorzatore. In questo modo, per ogni esperimento di Recupero del creepIl recupero del creep è il rapporto tra la cedevolezza recuperabile e la cedevolezza iniziale, espresso in percentuale. Spesso nei test MSCR (multiple stress creep recovery), il recupero del creep è considerato un indicatore di prestazione: un recupero maggiore indica un legante meno incline all'insidia.recupero del creep eseguito in precedenza, è possibile identificare un modello corrispondente.
Come mostrato in precedenza, la componente visco-plastica rilevante per il creep a lungo termine è principalmente causata dal flusso viscoso. La dipendenza del flusso viscoso dalla temperatura e dalle sollecitazioni può essere derivata, sulla base di modelli, dalle probabilità che una molecola superi un determinato ostacolo. I dettagli si trovano, ad esempio, in [2]. Qui si afferma come risultato che, secondo questo modello, la relazione tra sollecitazione e temperatura dipende linearmente dal logaritmo della velocità di deformazione. Di conseguenza, un aumento della sollecitazione porta a un aumento esponenziale della velocità di deformazione.
La figura 5 mostra le velocità di deformazione determinate per le rispettive sollecitazioni. Oltre alle misurazioni già presentate sopra, l'esperimento è stato condotto anche a 110°C. A 50°C, il comportamento tra la velocità di deformazione e la sollecitazione è molto ben descritto dal modello, cioè c'è una relazione ampiamente lineare tra la sollecitazione e la velocità di deformazione logaritmica. A temperature e sollecitazioni più elevate, sono possibili ulteriori processi molecolari, che portano a una flessione della velocità di deformazione logaritmica.
Nel diagramma di Eyring [1], viene registrata una linea separata per ogni temperatura. A questo proposito, il grafico consente di presentare l'estrapolazione del tasso di deformazione per altre sollecitazioni. Si noti, tuttavia, che esistono anche approcci più avanzati per includere un'ulteriore sovrapposizione tempo-temperatura; si veda, ad esempio, [3].
Conclusione
Il comportamento del creep dipende fortemente dalla temperatura e dal livello di carico. Mentre le componenti elastiche del creep possono essere misurate anche con forze minori, in molte applicazioni si verificano forze e sollecitazioni più elevate. Il DMA GABO Eplexor® consente di caratterizzare il creep plastico dipendente dal carico in molti casi rilevanti per la pratica. È stato così dimostrato che il comportamento di creep a lungo termine è determinato principalmente dal flusso viscoso del polimero. Esattamente questa dipendenza della velocità di deformazione dalla sollecitazione agente può essere chiaramente illustrata in un diagramma di Eyring.