Comparație între modul de încovoiere în 3 puncte și modul de tracțiune
Material Policarbonat
Policarbonatul este un material termoplastic și - atunci când nu este întărit cu particule sau fibre - se înmoaie extrem de mult la temperaturi ridicate. Pentru a determina dependența de temperatură a proprietăților mecanice sau a temperaturii de tranziție vitroasă, sunt necesare anumite geometrii de testare și condiții speciale de testare.
Experimental
Un Eplexor® 500 N (figura 1) echipat cu un senzor de forță de 500 N și o cameră termică (-160°C până la 500°C) este utilizat pentru investigarea policarbonatului (PC alb).
îndoire în 3 puncte
Pentru multe aplicații, se utilizează în mod obișnuit testul de încovoiere în 3 puncte. Deoarece PC începe să se înmoaie foarte "devreme", adică deja cu multe grade sub temperatura sticlei (Tg), proba de PC tinde să se lase în jos sub propria greutate și să atingă fundul înainte ca temperatura sticlei să fie atinsă (figura 2). Aceasta adoptă chiar conturul suportului de îndoire în 3 puncte (aici: deschidere 30 mm)! Acest efect însoțește toate suporturile de încovoiere, indiferent de întinderea lor. Eșantioanele de PC supuse încercărilor de încovoiere suferă deformări complexe (întindere-cutură-încovoiere simultană) în intervalele de temperatură. În funcție de material, deformarea poate începe deja la temperaturi cu 10 până la 30°C sub temperatura sticlei. Procesele de deformare la care este supusă o probă în cadrul unui test de încovoiere diferă pentru toate temperaturile de cele care au loc în cadrul unui test de tracțiune. Prin urmare, în încercările de încovoiere, disiparea energiei va fi mai mare decât în încercările de tracțiune, deoarece există mai multe procese de disipare a energiei. Această constatare justifică așteptarea ca în modul de încovoiere să apară valori tanδ mai mari decât în încercările de tracțiune, chiar dacă materialul de încercare este același.
Teste de tracțiune
Cea mai bună alternativă pentru analiza dinamico-mecanică a PC este testul de tracțiune. Toate încercările la tracțiune trebuie să îndeplinească următoarele cerințe:
- Depășirea tendinței inerente de contracție a probei la temperaturi ridicate
- Asigurarea planității eșantionului (= prevenirea deformării)
Încercările la tracțiune PC configurate corespunzător minimizează influența gravitației asupra formei probei. Încercările la tracțiune convenționale aplică sarcini statice mai mari decât sarcini dinamice. Astfel, se evită apariția unor sarcini alternante în timpul ciclurilor de testare și, prin urmare, se previne flambajul probei. Dacă se pot aplica anumite măsuri pentru a exclude posibilitatea deformării, atunci nu este necesar să se respecte această regulă! În acest caz, atât sarcina statică, cât și cea dinamică pot fi alese liber pentru a se conforma necesităților experimentului. Într-adevăr, flambajul nu apare atunci când se utilizează probe scurte (cu o lungime de gabarit de câțiva milimetri) și deformări small (la scară micrometrică) în testele de tracțiune. Astfel de configurații sunt aplicate atunci când se efectuează baleiaje de temperatură pe PC.
Condiții de testare
Probele PC utilizate pentru testele de tracțiune au o lățime de 9,5 mm, o grosime de 3 mm și o lungime de 30 mm. Rezultă o lungime de gabarit de aproximativ 10 mm și se dovedește potrivită pentru sarcini dinamice controlate prin deformare. O amplitudine scăzută a forței statice (forța de contact) menține proba de PC dreaptă în orice moment al testului, atunci când nu sunt achiziționate puncte de date. Pentru comparație, se efectuează, de asemenea, un test de încovoiere în 3 puncte (deformare statică 3%, deformare dinamică 1%, forță de contact 1 N ± 0,5 N, deschidere 30 mm).
Figura 3 arată influența semnificativă a forței de tensiune asupra formelor probei în 3 exemple. Aceasta trebuie să împiedice contracția și să nu alungească semnificativ eșantionul de PC. Este evident că nivelurile forței de contact de 0,5 N (figura 3, stânga și figura 3, centru) și 0,75 N nu sunt suficiente. Nivelul forței de contact de 1 N (figura 3, dreapta) este cel care menține proba dreaptă și nu o alungește excesiv.
De fapt, contracția de limitare a forței necesare depinde de material și de aria secțiunii transversale a probei!
Deformările statice de 50 μm (deformare statică de 0,5%) și deformările dinamice de 10 μm (deformare dinamică de 0,1%) pot fi detectate bine și nu vor provoca deformare în încercările de tensiune. Modul de control al deformării selectat menține constante amplitudinile deformării la toate temperaturile prin variația nivelurilor de forță statică și dinamică corespunzătoare în funcție de schimbarea temperaturii (2°C/min, frecvență: 10 Hz).
Rezultatele măsurătorilor
Dependența de temperatură a modulului de elasticitate |E*| și tanδ este prezentată în figura 4 pentru o încercare de tracțiune și o încercare de încovoiere în 3 puncte.
Modulul elastic |E*| la temperatură scăzută prezintă o valoare de aproximativ 2300 MPa în ambele cazuri. Maximul curbei tanδ este situat în jurul valorii de 166,5°C (Tg). La temperaturi sub 25°C, modulele |E*| afișate diferă semnificativ. Amortizarea tanδ la încovoiere este mai mare deoarece sunt active mai multe procese diferite de deformare decât în cazul încercărilor la tracțiune. Modulele de încovoiere |E*| sunt mai puțin semnificative deoarece dimensiunile inițiale ale probei sunt utilizate pentru calculul lor, dar forma reală diferă mult de aceasta.
La tracțiune, aria secțiunii transversale a probei scade treptat la temperaturi ridicate din cauza alungirii probei. Presupunând un volum constant al probei atunci când aceasta este supusă unei sarcini de deformare, suprafața reală (= corectată) a secțiunii transversale poate fi determinată dacă se măsoară alungirea reală. Modulul rezultat |E*| se referă la suprafața corectată a secțiunii transversale.
Concluzie
Încercarea la tracțiune oferă condiții de încercare mai bine definite pentru analizele dinamico-mecanice ale materialelor termoplastice care - atunci când nu sunt ranforsate - se înmoaie semnificativ deja la 20 °C sau 30 °C sub Tg. Forma probei este păstrată pe întregul interval de temperatură mult mai bine în cazul încercărilor la tracțiune decât în cazul încercărilor la încovoiere. Ipotezele geometrice făcute pentru calcularea proprietăților mecanice dinamice sunt îndeplinite mai bine în geometria încercărilor la tracțiune - un motiv important pentru a favoriza încercările la tracțiune în practica experimentală.