Introduzione
La prova di trazione uniassiale quasi statica è un metodo di prova distruttiva dei materiali e uno dei metodi più utilizzati per caratterizzare le proprietà meccaniche dei materiali [1]. Nel caso più semplice, un campione viene sottoposto a un carico a una velocità definita fino a quando si verifica la rottura e la forza risultante, F, viene registrata in funzione della variazione di lunghezza, Δl. In base alla sezione trasversale del campione, A0, e alla lunghezza di misura iniziale, l0, si calcola la sollecitazione che agisce sul campione, σ, e la deformazione risultante, ε (figura 1, a destra).
Il risultato di una prova di trazione è il cosiddetto diagramma tecnico sforzo-deformazione (figura 1, a sinistra). I valori tipici che ne derivano sono il modulo di trazione o modulo di elasticità,Et, che descrive il rapporto tra sollecitazione e deformazione nell'intervallo elastico, la sollecitazione massima raggiungibile dal materiale (σmax, εmax) e i valori di sollecitazione e deformazione alla frattura (σmax, εbreak) e alla transizione da flusso elastico reversibile a flusso plastico (σyield, εyield). Le prove di trazione forniscono inoltre informazioni sulla contrazione laterale, sull'indurimento da deformazione, sul necking e sul comportamento di rottura in corso. Inoltre, considerando misurazioni in diverse orientazioni, è possibile caratterizzare l'anisotropia, cioè la dipendenza delle proprietà dalla direzione. Le prove vengono solitamente eseguite con tester di trazione elettromeccanici e sono standardizzate a seconda del materiale, del semilavorato e dell'applicazione. Le prove di trazione sono impiegate in quasi tutte le fasi della catena produttiva, dallo sviluppo del materiale al controllo di qualità in produzione, fino all'analisi della resistenza del componente finale.
La serie DMA GABO Eplexor®
I sistemi della serie DMA GABO Eplexor® sono strumenti di prova appositamente progettati per le misure dinamico-meccaniche (in breve, DMA) nell'intervallo di carico elevato. Durante un test dinamico-meccanico, una forza sinusoidale viene applicata a un provino nell'ambito di un programma di temperatura definito. Ciò determina una deformazione sinusoidale. Analizzando i valori di sollecitazione e di deformazione, insieme allo sfasamento puntuale dei due, è possibile caratterizzare le proprietà viscoelastiche in funzione della frequenza e della temperatura, come il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo e di perdita (E' ed E"). Su questa base, è possibile rilevare la transizione vetrosa di un polimero, ad esempio.
Come mostrato nella figura 2a), una forza statica può essere applicata a un campione nel DMA GABO Eplexor® per mezzo di un azionamento superiore. Nella parte inferiore dello strumento, un eccitatore di oscillazioni genera un carico dinamico con frequenze da 0,01 Hz a 100 Hz (opzionalmente 0,0001 Hz e 200 Hz), nonché forze fino a 500 N e ampiezze fino a 6 mm. La camera di temperatura consente di effettuare misure da -160°C a 500°C, a seconda del sistema di raffreddamento. Le misure possono essere effettuate con l'aiuto dei rispettivi portacampioni in modalità taglio, flessione, trazione o compressione.
Tuttavia, grazie alle forze statiche applicabili separatamente, fino a 1,5 kN nell'unità da tavolo (figura 2a) e fino a 4,0 kN nel dispositivo da pavimento, e alle sequenze di misura configurabili, i sistemi DMA GABO Eplexor® sono adatti anche per prove quasi statiche come le prove uniassiali. In questo caso, l'unità dinamica rimane disattivata. In questo modo, i materiali possono essere caratterizzati al di là del loro comportamento (visco-)elastico fino al punto di frattura. A seconda del materiale da testare e dei rispettivi requisiti di forza, i portacampioni di trazione meccanica sono disponibili da max. 700 N a max. 5 kN (figura 2b).
Il programma di prova "Universal Testing", predefinito per la caratterizzazione quasi statica, consente di eseguire prove di trazione con un controllo definito dell'aumento della sollecitazione o della deformazione, in approssimazione agli standard di prova come DIN EN ISO 6892-1 [2] o DIN EN ISO 527-1 [3]. In questo caso, si tratta di una modalità di prova isotermica in cui è possibile applicare una forza o una deformazione limite come criterio di terminazione. selectLa corsa massima di 60 mm viene avviata a velocità libera fino a 150 mm/min. e la registrazione della deformazione del campione si basa sul movimento di traslazione. In questo contesto, va notato che - a causa della derivazione della deformazione del campione in base al movimento della traversa - la prova può essere eseguita solo in conformità agli standard di prova che prescrivono un sistema di misurazione tattile o ottico a questo proposito
Prova di trazione monoassiale nel DMA GABO Eplexor®
La Figura 3 mostra il diagramma tecnico sollecitazione-deformazione di una lastra di PVC espanso e i valori caratteristici derivati. La misurazione è stata effettuata a temperatura ambiente con una velocità di deformazione dell'1%/min. Il campione corrisponde alla geometria 5A in conformità alla norma DIN EN ISO 527-2 [4] con una larghezza di 4,0 mm, uno spessore di 2,8 mm e una lunghezza di misurazione parallela di 20,0 mm, che è stata prima fresata e poi rettificata.
A seconda del materiale da testare, della velocità di deformazione e della temperatura, la forma della curva del diagramma sforzo-deformazione tecnica varia. In conformità alla norma DIN EN ISO 527-1 [3], ad esempio, è possibile distinguere tra quattro tipi. La curva risultante del materiale PVC espanso può essere suddivisa approssimativamente in tre aree. In primo luogo, vi è l'intervallo quasi lineare 1, che si espande fino a circa l'1,5% di deformazione. A differenza dei materiali metallici elastici lineari, le materie plastiche presentano solo un intervallo lineare molto limitato, che passa rapidamente a un comportamento non lineare già a basse deformazioni. In conformità alla norma DIN EN ISO 527-1 [3], la valutazione del modulo di trazione misurato quasi staticamente nell'intervallo di deformazione compreso tra lo 0,05% e lo 0,25% viene pertanto effettuata determinando la relativa secante o mediante regressione. Nel caso del PVC espanso analizzato, il modulo di trazioneEt, calcolato mediante regressione, è pari a 0,3 GPa. Eventuali scostamenti nel Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo E' per una misurazione dinamico-meccanica sono dovuti al fatto che le misurazioni dinamico-meccaniche vengono selecteffettuate sotto un carico statico definito o una deformazione risultante e viene effettuata una differenziazione tra le componenti puramente elastiche (E') e viscose (E'').
Nella sezione due successiva, si verifica lo stiramento del materiale espanso poroso, un microdanno iniziale e una deformazione plastica irreversibile. La sollecitazione aumenta in modo non lineare con l'aumentare della deformazione. Il valore massimo raggiunto dal materiale, σmax, è di 7,0 MPa. Nella sezione 3, il campione continua a restringersi e si verifica un cedimento locale del materiale fino al punto di frattura. Questo è caratterizzato da un allungamento a rottura, εb, del 20,3%.
Misurazione di materiali di diverse classi di resistenza
Grazie alla possibilità di scambiare le celle di carico degli strumenti Eplexor® e di scalare le dimensioni dei campioni, è possibile caratterizzare materiali di diverse classi di resistenza, come illustrato in figura 4. Oltre alla schiuma di PVC già mostrata, vengono presentati i risultati di una poliammide rinforzata con fibre di vetro (PA-GF) con un contenuto di fibre del 30% e di un polietilene ad alta densità (PE-HD).
Il riempimento delle materie plastiche è una procedura tipica per migliorare le proprietà meccaniche, ma viene impiegato anche per regolare la conducibilità elettrica e termica o per modificare altre proprietà. Ad esempio, la poliammide rinforzata con fibre di vetro, con una resistenza alla trazione σmax di 204,3 MPa e un modulo di trazione medio,Et, di 11,4 GPa, è molto più forte o più rigida del PVC espanso (σmax = 7 MPa eEt = 0,3 GPa) e del polietilene (σmax = 20,8 MPa eEt = 1,0 GPa). L'andamento delle curve sforzo-deformazione è caratterizzato da un aumento quasi lineare delle sollecitazioni con frattura quasi immediata a εb = 3,6%, che può essere descritto come un comportamento piuttosto fragile. Grazie alle fibre di vetro, che di per sé presentano un'elevata resistenza alla trazione (σmax > 2000 GPa) e rigidità (Et > 70 GPa) [5], il materiale è in grado di sopportare sollecitazioni elevate. Se le fibre fragili si rompono, si verifica un cedimento diretto della matrice poliammidica, meno resistente.
Oltre a misurare materiali relativamente più duri, è possibile studiare anche materiali con un elevato allungamento a rottura adattando la lunghezza di misura parallela - se necessario, non conforme agli standard. Il polietilene ad alta densità (PE-HD) è un polimero termoplastico prodotto dal monomero etilene. La bassa ramificazione delle catene polimeriche porta a una maggiore densità del materiale rispetto ai tipi di PE convenzionali [6]. Considerando lo spostamento massimo di 60 mm, la lunghezza di misura è stata ridotta a 10 mm per misurare il materiale. Con εb = 266,5%, il materiale presenta un elevato allungamento a rottura rispetto al PVC espanso e al PA-GF. Anche l'andamento della curva differisce significativamente da quello degli altri materiali polimerici. Così, dopo aver raggiunto la sollecitazione massima, σmax = 20,8 MPa - a circa l'8% di allungamento - si verifica una zona di rammollimento relativamente lunga fino al punto di frattura.
Prove di trazione a bassa e alta temperatura
Nella progettazione dei componenti, la dipendenza delle proprietà meccaniche dalla temperatura è essenziale per selectun materiale adatto. Le prove di trazione a basse ed elevate temperature forniscono informazioni sul comportamento del materiale in diversi ambienti operativi. Ad esempio, è necessario garantire che un componente strutturale di un'automobile possa resistere alle sollecitazioni della sua applicazione sia alle basse temperature invernali che alle alte temperature estive senza cedimenti. Oltre a stabilire una finestra applicativa pertinente, questi test forniscono anche informazioni importanti per la lavorazione, ad esempio l'intervallo di temperatura in cui una lastra di materiale diventa morbida e può essere meglio formata a caldo. In questo caso, i dati servono a generare una finestra di lavorazione.
Tutti gli strumenti della serie DMA GABO Eplexor® possono essere dotati di una camera di temperatura e consentono, a seconda del sistema di raffreddamento, di effettuare misure da -160°C a 500°C. I clienti che normalmente eseguono caratterizzazioni dinamico-meccaniche con un DMA GABO Eplexor® hanno anche la possibilità di caratterizzare i loro materiali con l'aiuto di prove di trazione dipendenti dalla temperatura e possono quindi imparare molto di più sui loro materiali rispetto alle misure DMA classic.
La Figura 5 mostra il comportamento del materiale in funzione della temperatura di una schiuma di PVC nelle prove di trazione. Come si può notare, la temperatura influenza in modo significativo sia le proprietà meccaniche sia le caratteristiche della curva sforzo-deformazione. A basse temperature (-100°C), il materiale presenta un comportamento di frattura fragile. Il campione si comporta in modo elastico quasi lineare e si rompe direttamente a deformazioni inferiori all'1% dopo aver raggiunto una sollecitazione di circa 6 MPa. Aumentando la temperatura a 26°C, che corrisponde alla temperatura ambiente, la pendenza nell'intervallo elastico lineare diminuisce e così il modulo di trazione. Inoltre, diventa evidente un distinto intervallo plastico non lineare con conseguente frattura. Un ulteriore aumento della temperatura a 40°C comporta una diminuzione del modulo di trazione (qui non esplicitamente mostrato) e una riduzione della massima sollecitazione raggiungibile. L'allungamento a rottura aumenta leggermente. Nell'intervallo iniziale della transizione vetrosa a 60°C (temperatura di insorgenza di E' dalla misurazione DMA: 61,3°C), l'allungamento a rottura quasi raddoppia (εb = 37%) e la resistenza (σmax = 3,5 MPa) si dimezza rispetto alla temperatura ambiente (εb = 20,3%; σmax = 7,0 MPa).
A 80°C - dopo la transizione vetrosa - il materiale si trova nel cosiddetto stato entropico-elastico. Le catene polimeriche possono ora muoversi liberamente l'una contro l'altra e il materiale diventa morbido. Nelle prove di trazione, le sollecitazioni sono ridotte a un livello inferiore a 0,3 MPa e il materiale può essere allungato - nell'ambito delle condizioni di misurazione - senza che si verifichi una frattura.
Sintesi
Gli strumenti DMA GABO Eplexor® sono progettati appositamente per la misurazione delle proprietà dinamico-meccaniche. Grazie alla capacità di applicare forze statiche fino a 4 kN e all'elevata flessibilità nella definizione dei programmi, possono essere impiegati anche come dispositivi per prove di trazione quasi statiche. Ciò consente all'utente di caratterizzare i propri materiali ben oltre il campo viscoelastico lineare. Partendo dall'analisi delle caratteristiche di indurimento e rammollimento, si possono ottenere informazioni sul comportamento di distacco e di frattura. Un'importante funzionalità del DMA GABO Eplexor® in questo contesto è il controllo estremamente preciso della temperatura, regolato tramite la camera di temperatura. L'utente può determinare il comportamento dei materiali sotto carico elevato sia a bassa temperatura, a partire da -160°C, sia a temperature fino a 500°C, ottenendo così importanti informazioni sul confronto dei materiali, sulle procedure di lavorazione e sul successivo utilizzo del componente.