Introducere
Când un metal este supus unei forțe, de obicei se deformează imediat și apoi rămâne în aceeași formă chiar și după o perioadă lungă de timp. Dacă sarcina nu a fost prea mare, metalul va reveni elastic la starea sa inițială atunci când sarcina este îndepărtată. Atunci când polimerii sunt încărcați cu o forță, și ei se deformează imediat; cu toate acestea, după o perioadă mai lungă de timp, se constată adesea că corpul s-a deformat și mai mult. Acest comportament se numește fluaj. În principiu, și metalele au fluaj, dar în cazul polimerilor, acest comportament este mult mai pronunțat și trebuie luat în considerare atunci când se descrie comportamentul mecanic. Din acest motiv, o diagramă cvasi-statică tensiune-deformare este adesea suficientă pentru metale; pentru polimeri, însă, trebuie luată în considerare și deformarea în funcție de timp.
Aici, este important să se facă o distincție de bază între fluaj și RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare: În cazul fluajului, o sarcină constantă acționează asupra corpului, care în consecință se deformează. În cazul relaxării, deformarea unui corp rămâne constantă, dar în timp, forța necesară este redusă. Relaxarea prezintă un mare interes pentru anumite aplicații, cum ar fi pentru etanșări; dar pentru multe componente, este mai degrabă sarcina care este constantă și comportamentul în timp al deformării care prezintă interes.
În testarea materialelor, măsurarea efectivă a fluajului este adesea combinată cu o fază de recuperare (recuperare a fluajului) în care materialul își poate obține din nou forma inițială. În acest fel, se poate face o distincție între CreepFluajul descrie o deformare plastică dependentă de timp și temperatură sub acțiunea unei forțe constante. Atunci când se aplică o forță constantă unui compus de cauciuc, deformarea inițială obținută ca urmare a aplicării forței nu este fixă. Deformarea va crește cu timpul.creep elastic și CreepFluajul descrie o deformare plastică dependentă de timp și temperatură sub acțiunea unei forțe constante. Atunci când se aplică o forță constantă unui compus de cauciuc, deformarea inițială obținută ca urmare a aplicării forței nu este fixă. Deformarea va crește cu timpul.creep ireversibil. Deformarea ireversibilă depinde într-o măsură large de temperatură și de nivelul de încărcare. Aceste relații vor fi analizate mai în detaliu în prezenta publicație.
Măsurători de recuperare a fluajului pe PE-HD
Comportamentul de fluaj al polimerilor este investigat aici folosind exemplul polietilenei semicristaline de înaltă DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate (PE-HD). Probele cu dimensiuni de 55 x 5 x 2 mm sunt testate cu ajutorul aparatului dinamic-mecanic de sarcină mare NETZSCH DMA GABO Eplexor® 500 N în modul tracțiune (figura 1).
Cu ajutorul Eplexor®, se pot aplica forțe statice de până la 1500 N în intervalul de temperatură de la -160°C la +500°C.
În funcție de domeniul de aplicare, sunt disponibile diferite suporturi pentru probe de tracțiune: Cu suportul standard pentru probe de tracțiune, se pot aplica până la 700 N, în funcție de probă. Pentru forțe mai mari, este disponibilă o versiune mai puternică de până la 1500 N.
Deoarece dependența fluajului de forță trebuie investigată în special, măsurătorile individuale sunt comparate la sarcini crescute. În acest fel, diferite niveluri de sarcină pot fi investigate într-o singură serie de măsurători, fără a fi nevoie de reprimiri.
Cu toate acestea, prin această procedură, eșantionul poate fi, în principiu, deformat înainte de etapa de încărcare efectivă. Pentru a evita ca abaterile de la geometria de referință să devină prea mari, nu se mai efectuează nicio altă creștere a sarcinii după ce se atinge o deformare de 10 %. Măsurătorile sunt efectuate fiecare la o temperatură definită a probei. La 50°C, se efectuează cinci trepte de încărcare de la 2 la 6 MPa, cu 2 ore de așteptare pentru a garanta că se poate stabili o condiție stabilă în fiecare caz.
La o temperatură ridicată de 100°C, sarcina este crescută la 4 MPa doar atunci când se atinge deformația maximă.
După cum se arată în figura 2, fluajul constă de obicei în trei faze pentru fiecare etapă de încărcare. În primul rând, proba este întinsă relativ brusc, urmată de fluajul vâsco-elastic. Aceste două procese sunt de obicei reversibile. Ulterior, proba se transformă mai degrabă într-un flux vâscos (viteză de deformare constantă) și se poate observa clar că acest flux este mai pronunțat la tensiuni și temperaturi mai ridicate. Deoarece această curgere vâscoasă nu este reversibilă, rămâne o deformare remanentă chiar și după faza ulterioară de descărcare. Acest comportament vâsco-plastic apare cu o intensitate crescută la temperaturi și tensiuni mai mari.
În DIN ISO 899 [4], este descris testul de fluaj prin tracțiune pentru determinarea comportamentului de fluaj. Deși nu se referă în mod specific la experimentele de CreepFluajul descrie o deformare plastică dependentă de timp și temperatură sub acțiunea unei forțe constante. Atunci când se aplică o forță constantă unui compus de cauciuc, deformarea inițială obținută ca urmare a aplicării forței nu este fixă. Deformarea va crește cu timpul.creep-recuperare utilizate aici, sunt prezentate evaluări tipice care pot fi utilizate și pentru fazele de CreepFluajul descrie o deformare plastică dependentă de timp și temperatură sub acțiunea unei forțe constante. Atunci când se aplică o forță constantă unui compus de cauciuc, deformarea inițială obținută ca urmare a aplicării forței nu este fixă. Deformarea va crește cu timpul.creep respective. Figurile 3 a) și b) prezintă astfel diagramele izocrone de tensiune-deformare asociate măsurătorilor de mai sus. Deformația este notată pentru fiecare tensiune după un timp fix și introdusă în diagramă. Deoarece în această serie de teste se aplică sarcini diferite unei probe, deformația se referă în fiecare caz la starea imediat anterioară pasului de sarcină. Această prezentare este deosebit de interesantă pentru proiectarea componentelor, deoarece deformația rezultată poate fi citită în mod complet analog cu diagrama clasică tensiune-deformație pentru o sarcină dată. În mod obișnuit, deformațiile sunt de interes și după perioade de timp mult mai lungi decât cele înregistrate aici. După cum s-a văzut mai sus, comportamentul vâscos domină în principal pentru perioade de timp mai lungi, care vor fi discutate ulterior mai detaliat.
Ca o altă prezentare tipică, DIN ISO 899 descrie modulul de fluaj în funcție de timp (figurile 3 c și d). Valoarea reciprocă a modulului, și anume conformitatea la fluaj, este adesea utilizată în schimb, dar aici modulul de fluaj este prezentat în conformitate cu standardul. Prezentarea modulului de fluaj este deosebit de potrivită pentru investigarea neliniarității materialului. Devine clar că tensiunile mai mari conduc în general la un modul de fluaj mai mic și, prin urmare, la o conformitate mai mare.
Descrierea ratelor de fluaj în conformitate cu Eyring
Fluajul polimerilor este adesea descris de modelul reologic cu patru parametri (figura 4). Modelul constă dintr-un arc și un element de amortizare (element Maxwell) conectate în serie. Arcul poate fi utilizat pentru a ilustra saltul de deformare instantanee, iar amortizorul pentru a modela curgerea vâscoasă. Comportamentul vâsco-elastic este descris de elementul paralel arc-amping. Astfel, pentru fiecare experiment de fluaj-recuperare efectuat anterior, poate fi identificat un model corespunzător.
După cum s-a arătat mai sus, componenta visco-plastică relevantă pentru fluajul pe termen lung este cauzată în principal de curgerea vâscoasă. Dependența curgerii vâscoase de temperatură și tensiune poate fi derivată, pe baza unui model, din probabilitățile ca o moleculă să depășească un anumit obstacol. Detalii pot fi găsite, de exemplu, în [2]. Aici, se afirmă ca rezultat că, în conformitate cu acest model, relația dintre StresTensiunea este definită ca un nivel al forței aplicate pe o probă cu o secțiune transversală bine definită. (Tensiune = forță/zonă). Eșantioanele cu secțiune circulară sau dreptunghiulară pot fi comprimate sau întinse. Materialele elastice, cum ar fi cauciucul, pot fi întinse până la de 5 până la 10 ori lungimea lor inițială.stres și temperatură depinde liniar de logaritmul vitezei de deformare. În consecință, o creștere a tensiunii conduce la o creștere exponențială a vitezei de deformare.
În figura 5 sunt prezentate vitezele de deformare determinate pentru tensiunile respective. Împreună cu măsurătorile deja prezentate mai sus, experimentul a fost efectuat suplimentar la 110°C. La 50°C, comportamentul dintre rata de deformare și tensiune este foarte bine descris de model, și anume, există o relație în mare parte liniară între tensiune și rata de deformare logaritmică. La temperaturi și tensiuni mai ridicate, sunt posibile procese moleculare suplimentare, care conduc apoi la o curbură a ratei logaritmice de deformare.
În graficul Eyring [1], o linie separată este înregistrată pentru fiecare temperatură. În acest sens, graficul permite prezentarea extrapolării ratei de deformare pentru alte tensiuni. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că există și abordări mai avansate pentru includerea unei suprapuneri suplimentare timp-temperatură; a se vedea, de exemplu, [3].
Concluzie
Comportamentul de fluaj depinde foarte mult de temperatură și de nivelul de încărcare. În timp ce componentele de fluaj elastic pot fi măsurate chiar și la forțe mai mici, în multe aplicații apar forțe și tensiuni mai mari. DMA GABO Eplexor® permite caracterizarea fluajului plastic dependent de sarcină în multe cazuri relevante în practică. Se demonstrează astfel că comportamentul de fluaj pe termen lung este determinat în principal de curgerea vâscoasă a polimerului. Exact această dependență a vitezei de deformare de tensiunea activă poate fi ilustrată în mod clar într-un grafic Eyring.