Introdução
Quando um metal é submetido a uma força, ele geralmente se deforma imediatamente e permanece com a mesma forma mesmo após um longo período de tempo. Se a carga não for muito alta, o metal também retornará elasticamente ao seu estado original quando a carga for removida. Quando os polímeros são carregados com uma força, eles também se deformam imediatamente; depois de um longo período de tempo, no entanto, é comum descobrir que o corpo se deformou ainda mais. Esse comportamento é chamado de fluência. Basicamente, os metais também se deformam, mas, no caso dos polímeros, esse comportamento é muito mais pronunciado e deve ser levado em consideração ao descrever o comportamento mecânico. Por esse motivo, um diagrama de tensão-deformação quase estático geralmente é suficiente para metais; para polímeros, no entanto, a deformação dependente do tempo também deve ser levada em consideração.
Aqui, é importante distinguir basicamente entre fluência e RelaxamentoQuando uma tensão constante é aplicada a um composto de borracha, a força necessária para manter essa tensão não é constante, mas diminui com o tempo; esse comportamento é conhecido como relaxamento de tensão. O processo responsável pelo relaxamento da tensão pode ser físico ou químico e, em condições normais, ambos ocorrerão ao mesmo tempo. relaxamento: Na fluência, uma carga constante atua sobre o corpo, que consequentemente se deforma. No RelaxamentoQuando uma tensão constante é aplicada a um composto de borracha, a força necessária para manter essa tensão não é constante, mas diminui com o tempo; esse comportamento é conhecido como relaxamento de tensão. O processo responsável pelo relaxamento da tensão pode ser físico ou químico e, em condições normais, ambos ocorrerão ao mesmo tempo. relaxamento, a deformação de um corpo permanece constante, mas, com o tempo, a força necessária é reduzida. O RelaxamentoQuando uma tensão constante é aplicada a um composto de borracha, a força necessária para manter essa tensão não é constante, mas diminui com o tempo; esse comportamento é conhecido como relaxamento de tensão. O processo responsável pelo relaxamento da tensão pode ser físico ou químico e, em condições normais, ambos ocorrerão ao mesmo tempo. relaxamento é de grande interesse para determinadas aplicações, como vedações; porém, para muitos componentes, o que interessa é a carga constante e o comportamento temporal da deformação.
Nos testes de materiais, a medição real da deformação por fluência geralmente é combinada com uma fase de recuperação (recuperação por fluência), na qual o material pode obter sua forma original novamente. Dessa forma, é possível fazer uma distinção entre deformação elástica e irreversível. A deformação irreversível depende, em uma large extensão, da temperatura e do nível de carga. Essas relações serão investigadas em mais detalhes nesta publicação.
Medições de recuperação de fluência em PE-HD
O comportamento de fluência dos polímeros é investigado aqui usando o exemplo do polietileno semicristalino de alta DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade (PE-HD). As amostras com dimensões de 55 x 5 x 2 mm são testadas com a ajuda do equipamento dinâmico-mecânico de alta carga NETZSCH DMA GABO Eplexor® 500 N no modo de tração (figura 1).
Com o Eplexor®, forças estáticas de até 1500 N podem ser aplicadas na faixa de temperatura de -160°C a +500°C.
Dependendo da faixa de aplicação, estão disponíveis diferentes suportes de amostras de tração: Com o suporte de amostra de tração padrão, é possível aplicar até 700 N, dependendo da amostra. Para forças mais altas, está disponível uma versão mais forte de até 1500 N.
Como a dependência da fluência em relação à força deve ser investigada em particular, as medições individuais são comparadas sob cargas crescentes. Dessa forma, diferentes níveis de carga podem ser investigados em uma única série de medições, sem a necessidade de reaperto.
No entanto, com esse procedimento, a amostra pode, em princípio, ser deformada antes da etapa de carga real. Para evitar que os desvios da geometria de referência se tornem muito grandes, nenhum outro aumento de carga é realizado aqui depois que uma deformação de 10% é atingida. As medições são realizadas em uma temperatura de amostra definida. A 50°C, cinco etapas de carga são realizadas de 2 a 6 MPa, com 2 horas de espera para garantir que uma condição estável possa ser estabelecida em cada caso.
Em uma temperatura elevada de 100°C, a carga só é aumentada para 4 MPa quando a deformação máxima é atingida.
Conforme mostrado na figura 2, a fluência normalmente consiste em três fases para cada etapa de carga. Primeiro, a amostra é esticada de forma relativamente abrupta, seguida pela fluência viscoelástica. Esses dois processos são normalmente reversíveis. Depois disso, a amostra se transforma em um fluxo viscoso (taxa de deformação constante) e pode-se ver claramente que esse fluxo é mais pronunciado em tensões e temperaturas mais altas. Como esse fluxo viscoso não é reversível, uma deformação remanescente permanece mesmo após a fase de descarregamento subsequente. Esse comportamento visco-plástico ocorre com maior intensidade em temperaturas e tensões mais altas.
Na norma DIN ISO 899 [4], é descrito o teste de fluência por tração para determinar o comportamento de fluência. Embora não trate especificamente dos experimentos de Recuperação de fluênciaA recuperação de fluência é a relação entre a conformidade de fluência recuperável e a conformidade de fluência inicial, expressa em porcentagem. Muitas vezes, nos testes MSCR (multiple stress creep recovery), a recuperação da fluência é considerada um indicador de desempenho, sendo que uma maior recuperação indica um ligante menos propenso a afundamentos.recuperação de fluência empregados aqui, são apresentadas avaliações típicas que também podem ser usadas para as respectivas fases de fluência. As Figuras 3 a) e b) mostram os diagramas isócronos de tensão-deformação associados às medições acima. A deformação é anotada para cada EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão após um tempo fixo e inserida no diagrama. Como diferentes cargas são aplicadas a uma amostra nessa série de testes, a deformação refere-se, em cada caso, ao estado imediatamente anterior à etapa de carga. Essa apresentação é particularmente interessante para o projeto de componentes porque a deformação resultante pode ser lida de forma completamente análoga ao diagrama clássico de tensão-deformação para uma determinada carga. Normalmente, as deformações também são de interesse após períodos de tempo muito mais longos do que os registrados aqui. Como visto acima, o comportamento viscoso predomina principalmente em períodos de tempo mais longos, o que será discutido posteriormente em mais detalhes.
Como outra apresentação típica, a norma DIN ISO 899 descreve o módulo de deformação dependente do tempo (figuras 3 c e d). O valor recíproco do módulo, ou seja, a conformidade de fluência, costuma ser usado, mas aqui o módulo de fluência é mostrado de acordo com a norma. A apresentação do módulo de fluência é particularmente adequada para a investigação da não linearidade do material. Fica claro que as tensões mais altas geralmente levam a um módulo de fluência mais baixo e, portanto, a uma conformidade mais alta.
Descrição das taxas de fluência de acordo com a Eyring
A fluência do polímero é frequentemente descrita pelo modelo reológico de quatro parâmetros (figura 4). O modelo consiste em uma mola e um elemento de amortecimento (elemento Maxwell) conectados em série. A mola pode ser usada para ilustrar o salto de deformação instantâneo e o amortecedor para modelar o fluxo viscoso. O comportamento viscoelástico é descrito pelo elemento paralelo de mola e amortecimento. Assim, para cada experimento de Recuperação de fluênciaA recuperação de fluência é a relação entre a conformidade de fluência recuperável e a conformidade de fluência inicial, expressa em porcentagem. Muitas vezes, nos testes MSCR (multiple stress creep recovery), a recuperação da fluência é considerada um indicador de desempenho, sendo que uma maior recuperação indica um ligante menos propenso a afundamentos.recuperação de fluência realizado anteriormente, é possível identificar um modelo correspondente.
Conforme mostrado acima, o componente visco-plástico relevante para a fluência de longo prazo é causado principalmente pelo fluxo viscoso. A dependência do fluxo viscoso em relação à temperatura e à EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão pode ser derivada, com base em modelos, das probabilidades de uma molécula superar um determinado obstáculo. Os detalhes podem ser encontrados, por exemplo, em [2]. Aqui, afirma-se como resultado que, de acordo com esse modelo, a relação entre a EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão e a temperatura depende linearmente do logaritmo da taxa de deformação. Dessa forma, um aumento na EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão leva a um aumento exponencial na taxa de deformação.
Na figura 5, são mostradas as taxas de deformação determinadas para as respectivas tensões. Juntamente com as medições já apresentadas acima, o experimento foi realizado adicionalmente a 110°C. A 50°C, o comportamento entre a taxa de deformação e a tensão é muito bem descrito pelo modelo, ou seja, há uma relação amplamente linear entre a tensão e a taxa de deformação logarítmica. Em temperaturas e tensões mais altas, outros processos moleculares são possíveis, levando a uma curva na taxa de deformação logarítmica.
No gráfico de Eyring [1], uma linha separada é registrada para cada temperatura. Nesse sentido, o gráfico permite apresentar a extrapolação da taxa de deformação para outras tensões. Deve-se observar, no entanto, que também existem abordagens mais avançadas para incluir uma superposição adicional de tempo-temperatura; veja, por exemplo, [3].
Conclusão
O comportamento da fluência depende muito da temperatura e do nível de carga. Embora os componentes de fluência elástica possam até ser medidos em forças menores, em muitas aplicações ocorrem forças e tensões mais altas. O DMA GABO Eplexor® permite a caracterização da fluência plástica dependente da carga em muitos casos relevantes na prática. Dessa forma, é demonstrado que o comportamento de fluência de longo prazo é determinado principalmente pelo fluxo viscoso do polímero. Exatamente essa dependência da taxa de deformação em relação à tensão atuante pode ser claramente ilustrada em um gráfico de Eyring.