Teste de materiais além da faixa viscoelástica linear: Teste de tração no DMA GABO Eplexor^®

Introdução

O teste de tração uniaxial quase estático é um método de teste destrutivo de materiais e um dos métodos mais frequentemente empregados para caracterizar as propriedades mecânicas dos materiais [1]. No caso mais simples, uma amostra é submetida a uma carga a uma taxa definida até que ocorra uma falha e a força resultante, F, é registrada como uma função da mudança de comprimento, Δl. Com base na seção transversal da amostra, _A0, e no comprimento de medição inicial, _l0, 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 que atua na amostra, σ, juntamente com a deformação resultante, ε, são calculadas (figura 1, à direita).

O resultado de um teste de tração é o chamado diagrama técnico de 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-deformação (figura 1, à esquerda). Os valores típicos derivados desse diagrama são o módulo de tração ou Módulo elásticoO módulo complexo (componente elástico), módulo de armazenamento ou G', é a parte "real" das amostras, o módulo complexo geral. Esse componente elástico indica a resposta do tipo sólido, ou em fase, da amostra que está sendo medida. módulo de elasticidade,_Et, que descreve 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 deformação na faixa elástica, 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 máxima alcançada pelo material (_σmax, _εmax) e os valores de 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 deformação na fratura (_σmax, _εbreak) e na transição do fluxo elasticamente reversível para o fluxo plástico (_σyield, _εyield). O teste de tração também fornece informações sobre contração lateral, endurecimento por deformação, estrangulamento e comportamento de falha contínua. Além disso, ao considerar medições em diferentes orientações, também é possível caracterizar a anisotropia, ou seja, a dependência das propriedades em relação à direção. Os testes geralmente são realizados em testadores de tração eletromecânicos e são padronizados de acordo com o material, o produto semiacabado e a aplicação. Os testes de tração são empregados em quase todos os estágios de uma cadeia de produção, desde o desenvolvimento do material e o controle de qualidade na produção até a análise de resistência do componente final.

O DMA GABO Eplexor^® Series

Os sistemas da série DMA GABO Eplexor^® são instrumentos de teste especialmente projetados para medições dinâmico-mecânicas (em resumo, DMA) na faixa de alta carga. Durante um teste dinâmico-mecânico, uma força senoidal é aplicada a um corpo de prova sob um programa de temperatura definido. Isso resulta em uma deformação senoidal. Ao analisar os valores de tensão e deformação, juntamente com a mudança de fase oportuna dos dois, é possível realizar a caracterização dependente da frequência e da temperatura das propriedades viscoelásticas, como o Elasticidade e módulo de elasticidadeA elasticidade da borracha ou elasticidade de entropia descreve a resistência de qualquer sistema de borracha ou elastômero contra uma deformação ou tensão aplicada externamente. módulo de armazenamento e perda (E' e E"). Com base nisso, a Temperatura de transição do vidroA transição vítrea é uma das propriedades mais importantes dos materiais amorfos e semicristalinos, por exemplo, vidros inorgânicos, metais amorfos, polímeros, produtos farmacêuticos e ingredientes alimentícios etc., e descreve a região de temperatura em que as propriedades mecânicas dos materiais mudam de duras e quebradiças para mais macias, deformáveis ou emborrachadas.transição vítrea de um polímero, por exemplo, pode ser detectada.

Conforme mostrado na figura 2a), uma força estática pode ser aplicada a uma amostra no DMA GABO Eplexor^® por meio de um acionamento superior. Na parte inferior do instrumento, um excitador de oscilação gera uma carga dinâmica com frequências de 0,01 Hz a 100 Hz (opcionalmente 0,0001 Hz e 200 Hz), bem como forças de 500 N e amplitudes de 6 mm. A câmara de temperatura permite medições de -160°C a 500°C, dependendo do sistema de resfriamento. As medições podem ser realizadas com a ajuda dos respectivos suportes de amostras em modo de cisalhamento, flexão, tração ou compressão.

No entanto, devido às forças estáticas aplicáveis separadamente de até 1,5 kN na unidade de mesa (figura 2a) e de até 4,0 kN no dispositivo de chão, juntamente com sequências de medição configuráveis, os sistemas DMA GABO Eplexor^® também são adequados para testes quase estáticos, como testes uniaxiais. Nesse caso, a unidade dinâmica permanece desativada. Dessa forma, os materiais podem ser caracterizados além de seu comportamento (visco-) elástico até o ponto de fratura. Dependendo do material a ser testado e dos respectivos requisitos de força, os suportes mecânicos de amostras de tração estão disponíveis de no máx. 700 N a max. 5 kN (figura 2b).

O programa de teste "Universal Testing", predefinido para a caracterização quase estática, permite a realização de testes de tração com controle definido de aumento de tensão ou deformação, aproximando-se de padrões de teste como DIN EN ISO 6892-1 [2] ou DIN EN ISO 527-1 [3]. Nesse caso, trata-se de um modo de teste IsotérmicoOs testes com temperatura controlada e constante são chamados de isotérmicos.isotérmico no qual um limite de força ou deformação pode ser aplicado como critério de término. selectO curso máximo de 60 mm é iniciado em taxas de até 150 mm/min, e o registro da deformação da amostra é baseado no movimento transversal. Nesse contexto, deve-se observar que, devido à derivação da deformação da amostra com base no movimento da cruzeta, o teste só pode ser realizado de acordo com os padrões de teste que prescrevem um sistema de medição tátil ou óptico a esse respeito

Teste de tração uniaxial no DMA GABO Eplexor^®

A Figura 3 mostra o diagrama técnico de tensão-deformação de um material de folha feito de espuma de PVC, juntamente com os valores característicos derivados. A medição foi realizada em temperatura ambiente a uma taxa de deformação de 1%/min. A amostra corresponde à geometria 5A, de acordo com a norma DIN EN ISO 527-2 [4], com largura de 4,0 mm, espessura de 2,8 mm e comprimento de medição paralelo de 20,0 mm, que foi primeiro fresada e depois retificada.

Dependendo do material a ser testado, da taxa de deformação e da temperatura, a forma da curva do diagrama técnico de deformação e tensão varia. De acordo com a norma DIN EN ISO 527-1 [3], por exemplo, é possível diferenciar entre quatro tipos. A curva resultante do material de espuma de PVC pode ser dividida em três áreas. Em primeiro lugar, há a faixa quase linear 1, que se expande até aproximadamente 1,5% de deformação. Em contraste com os materiais metálicos elásticos lineares, os plásticos exibem apenas uma faixa linear muito limitada, que muda rapidamente para um comportamento não linear já com baixa deformação. De acordo com a norma DIN EN ISO 527-1 [3], a avaliação do módulo de tração medido quase estaticamente na faixa de deformação de 0,05% a 0,25% é, portanto, estipulada pela determinação da secante relevante ou por meio de regressão. No caso da espuma de PVC investigada, o módulo de tração_Et, calculado por regressão, é de 0,3 GPa. Quaisquer desvios no Elasticidade e módulo de elasticidadeA elasticidade da borracha ou elasticidade de entropia descreve a resistência de qualquer sistema de borracha ou elastômero contra uma deformação ou tensão aplicada externamente. módulo de armazenamento E' para uma medição dinâmico-mecânica devem-se ao fato de que as medições dinâmico-mecânicas são selectivamente realizadas sob uma carga estática definida ou deformação resultante e a diferenciação é feita entre componentes puramente elásticos (E') e viscosos (E'').

Na seção dois a seguir, ocorre o alongamento do material de espuma porosa, o microdano inicial e a deformação plástica irreversível. A tensão aumenta de forma não linear com o aumento da deformação. O valor máximo atingido pelo material, _σmax, é 7,0 MPa. Na seção 3, a amostra continua a se contrair e ocorre a falha local do material até o ponto de fratura. Isso é caracterizado por um alongamento na ruptura, _εb, de 20,3%.

Medição de materiais de diferentes classes de resistência

Graças à capacidade de trocar as células de carga dos instrumentos Eplexor^® e também de dimensionar as dimensões da amostra, materiais de diferentes classes de resistência podem ser caracterizados, conforme ilustrado na figura 4. Além da espuma de PVC já mostrada, são apresentados os resultados de uma poliamida reforçada com fibra de vidro (PA-GF) com 30% de fibra e de um polietileno de alta DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade (PE-HD).

O preenchimento de plásticos é um procedimento típico para melhorar as propriedades mecânicas, mas também é empregado para ajustar a Condutividade elétrica (SBA)A condutividade elétrica é uma propriedade física que indica a capacidade de um material de permitir o transporte de uma carga elétrica.condutividade elétrica e térmica ou modificar outras propriedades. Por exemplo, a poliamida reforçada com fibra de vidro com uma resistência à tração de σmax de 204,3 MPa e um módulo de tração médio,_Et, de 11,4 GPa é muitas vezes mais forte ou mais rígida do que a espuma de PVC (_σmax = 7 MPa e_Et = 0,3 GPa) e o polietileno (_σmax = 20,8 MPa e_Et = 1,0 GPa). O curso das curvas de tensão-deformação é caracterizado por um aumento quase linear da tensão com fratura quase imediata em _εb = 3,6%, o que pode ser descrito como um comportamento bastante frágil. Devido às fibras de vidro, que por si só apresentam alta resistência à tração (_σmax > 2000 GPa) e rigidez (_Et > 70 GPa) [5], o material é capaz de suportar altas tensões. Se as fibras frágeis se romperem, ocorrerá a falha direta da matriz de poliamida menos resistente.

Juntamente com a medição de materiais comparativamente mais resistentes, os materiais com alto alongamento na ruptura também podem ser investigados adaptando-se o comprimento de medição paralelo - se necessário, em não conformidade com o padrão. O polietileno de alta DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade (PE-HD) é um polímero termoplástico produzido a partir do monômero etileno. A baixa ramificação das cadeias de polímero leva a uma maior DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade do material em comparação com os tipos convencionais de PE [6]. Levando em consideração o deslocamento máximo de 60 mm, o comprimento de medição foi reduzido para 10 mm para medir o material. Com _εb = 266,5%, o material apresenta um alto alongamento na ruptura em relação à espuma de PVC e ao PA-GF. O curso da curva também difere significativamente do curso dos outros materiais poliméricos. Assim, após atingir a tensão máxima, σmax = 20,8 MPa - com aproximadamente 8% de alongamento - ocorre uma zona de amolecimento comparativamente longa até o ponto de fratura.

Testes de tração em temperaturas baixas e elevadas

No projeto de componentes, a dependência das propriedades mecânicas em relação à temperatura é essencial para selectum material adequado. Os testes de tração em temperaturas baixas e elevadas fornecem informações sobre como o material se comporta em diferentes ambientes operacionais. Por exemplo, é preciso garantir que um componente estrutural em um automóvel possa suportar as tensões de sua aplicação tanto em baixas temperaturas no inverno quanto em altas temperaturas no verão, sem falhas. Juntamente com o estabelecimento de uma janela de aplicação relevante, esses testes também fornecem informações importantes para o processamento - por exemplo, a faixa de temperatura na qual um material em folha se torna macio e pode ser melhor moldado a quente. Nesse caso, os dados servem para a geração de uma janela de processamento.

Todos os instrumentos da série DMA GABO Eplexor^® podem ser equipados com uma câmara de temperatura e permitem - dependendo do sistema de resfriamento - medições de -160°C a 500°C. Os clientes que normalmente realizam caracterizações dinâmico-mecânicas com um DMA GABO Eplexor^® também têm a possibilidade de caracterizar seus materiais com a ajuda de testes de tração dependentes da temperatura e, assim, podem aprender muito mais sobre seus materiais do que por meio de medições de DMA classical.

A Figura 5 mostra o comportamento do material dependente da temperatura de uma espuma de PVC em testes de tração. Como pode ser visto, a temperatura influencia significativamente as propriedades mecânicas e as características da curva de tensão-deformação. Em baixas temperaturas de -100°C, o material apresenta um comportamento de fratura frágil. A amostra se comporta de forma elástica quase linear e quebra diretamente em deformações abaixo de 1% após atingir uma tensão de aproximadamente 6 MPa. Ao aumentar a temperatura para 26°C, que corresponde à temperatura ambiente, a inclinação na faixa elástica linear diminui, assim como o módulo de tração. Além disso, fica evidente uma faixa plástica não linear distinta com fratura subsequente. Um aumento adicional da temperatura para 40°C resulta em uma diminuição do módulo de tração (não mostrado explicitamente aqui) e uma redução da tensão máxima atingível. O alongamento na ruptura aumenta ligeiramente. Na faixa inicial da Temperatura de transição do vidroA transição vítrea é uma das propriedades mais importantes dos materiais amorfos e semicristalinos, por exemplo, vidros inorgânicos, metais amorfos, polímeros, produtos farmacêuticos e ingredientes alimentícios etc., e descreve a região de temperatura em que as propriedades mecânicas dos materiais mudam de duras e quebradiças para mais macias, deformáveis ou emborrachadas.transição vítrea a 60°C (temperatura de início de E' da medição de DMA: 61,3°C), o alongamento na ruptura quase dobra (_εb = 37%) e a resistência (_σmax = 3,5 MPa) é reduzida pela metade em comparação com a temperatura ambiente (_εb = 20,3%; _σmax = 7,0 MPa).

A 80°C - após a Temperatura de transição do vidroA transição vítrea é uma das propriedades mais importantes dos materiais amorfos e semicristalinos, por exemplo, vidros inorgânicos, metais amorfos, polímeros, produtos farmacêuticos e ingredientes alimentícios etc., e descreve a região de temperatura em que as propriedades mecânicas dos materiais mudam de duras e quebradiças para mais macias, deformáveis ou emborrachadas.transição vítrea - o material está no chamado estado entropia-elástico. As cadeias de polímero agora podem se mover livremente umas contra as outras e o material se torna macio. No teste de tração, as tensões são reduzidas a um nível abaixo de 0,3 MPa e o material pode ser esticado - dentro da estrutura das condições de medição - sem a ocorrência de fratura.

Resumo

Os instrumentos DMA GABO Eplexor^® são especialmente projetados para a medição de propriedades dinâmico-mecânicas. Graças à capacidade de aplicar forças estáticas de até 4 kN, bem como à alta flexibilidade na definição do programa, eles também podem ser empregados como dispositivos para testes de tração quase estáticos. Isso permite que o usuário caracterize seus materiais muito além da faixa viscoelástica linear. A partir de análises das características de endurecimento e amolecimento, é possível obter informações sobre o comportamento de necking e fratura. Uma funcionalidade importante do DMA GABO Eplexor^® nesse contexto é seu controle de temperatura altamente preciso, regulado por meio da câmara de temperatura. O usuário pode determinar como os materiais se comportam sob alta carga tanto na faixa de baixa temperatura, começando em -160°C, quanto em temperaturas de até 500°C, obtendo assim informações importantes sobre comparações de materiais, procedimentos de processamento e uso posterior do componente.