Introducere
Încercarea de tracțiune uniaxială cvasi-statică este o metodă de testare distructivă a materialelor și una dintre cele mai frecvent utilizate metode pentru caracterizarea proprietăților mecanice ale materialelor [1]. În cel mai simplu caz, o probă este supusă unei sarcini la o rată definită până la rupere, iar forța rezultată, F, este înregistrată în funcție de modificarea lungimii, Δl. Pe baza secțiunii transversale a probei,A0, și a lungimii inițiale de măsurare, l0, se calculează tensiunea care acționează asupra probei, σ, împreună cu deformația rezultată, ε (figura 1, dreapta).
Rezultatul unui test de tracțiune este o așa-numită diagramă tehnică tensiune-deformare (figura 1, stânga). Valorile tipice derivate din aceasta sunt modulul de tracțiune sau modulul de elasticitate,Et, care descrie raportul dintre tensiune și deformație în domeniul elastic, tensiunea maximă care poate fi atinsă de material (σmax, εmax), precum și valorile tensiunii și deformației la rupere (σmax, εrupere) și la trecerea de la reversibilitatea elastică la curgerea plastică (σyield, εyield). Încercarea la tracțiune furnizează, de asemenea, informații privind contracția laterală, întărirea la deformare, gâtuirea și comportamentul de rupere în curs. În plus, prin luarea în considerare a măsurătorilor în diferite orientări, este posibilă și caracterizarea anizotropiei, adică dependența proprietăților de direcție. Încercarea se efectuează de obicei în aparate electromecanice de testare la tracțiune și este standardizată în funcție de material, de produsul semifabricat și de aplicație. Încercarea la tracțiune este utilizată în aproape toate etapele unui lanț de producție, de la dezvoltarea materialului și controlul calității în producție până la analiza rezistenței componentei finale.
Seria DMA GABO Eplexor®
Sistemele din seria DMA GABO Eplexor® sunt instrumente de testare special concepute pentru măsurători dinamico-mecanice (pe scurt, DMA) în domeniul de sarcină ridicată. În timpul unui test dinamic-mecanic, o forță sinusoidală este aplicată unui specimen în cadrul unui program de temperatură definit. Aceasta duce la o deformare sinusoidală. Prin analizarea valorilor tensiunii și deformației împreună cu defazajul oportun al celor două, se poate realiza caracterizarea în funcție de frecvență și temperatură a proprietăților viscoelastice, cum ar fi Elasticitate și modul de elasticitateElasticitatea cauciucului sau elasticitatea entropică descrie rezistența oricărui sistem de cauciuc sau elastomer la o deformare sau tensiune aplicată din exterior. modulul de stocare și modulul de pierdere (E' și E"). Pe această bază, poate fi detectată tranziția vitroasă a unui polimer, de exemplu.
După cum se arată în figura 2a), o forță statică poate fi aplicată unei probe în DMA GABO Eplexor® prin intermediul unei unități superioare. În partea inferioară a instrumentului, un excitator de oscilație generează o sarcină dinamică cu frecvențe de la 0,01 Hz la 100 Hz (opțional 0,0001 Hz și 200 Hz), precum și forțe de până la 500 N și amplitudini de până la 6 mm. Camera de temperatură permite măsurători de la -160°C la 500°C, în funcție de sistemul de răcire. Măsurătorile pot fi efectuate cu ajutorul suporturilor de probe respective în mod de forfecare, încovoiere, tracțiune sau compresie.
Cu toate acestea, datorită forțelor statice aplicabile separat de până la 1,5 kN în unitatea de masă (figura 2a) și de până la 4,0 kN în dispozitivul de podea, împreună cu secvențele de măsurare configurabile, sistemele DMA GABO Eplexor® sunt, de asemenea, potrivite pentru teste cvasi-statice, cum ar fi testarea uniaxială. Unitatea dinamică rămâne dezactivată în acest caz. În acest fel, materialele pot fi caracterizate dincolo de comportamentul lor (visco-) elastic până la punctul de fractură. În funcție de materialul care urmează să fie testat și de cerințele de forță respective, sunt disponibile suporturi mecanice pentru probe de tracțiune de la max. 700 N până la max. 5 kN (figura 2b).
Programul de testare "Universal Testing", predefinit pentru caracterizarea cvasi-statică, permite efectuarea de încercări de tracțiune cu control definit al creșterii tensiunii sau al deformației, apropiindu-se de standardele de testare precum DIN EN ISO 6892-1 [2] sau DIN EN ISO 527-1 [3]. În acest caz, este vorba de un mod de încercare izoterm în care se poate aplica o forță sau o limită de deformare ca criteriu de terminare. Cursa maximă de 60 mm este pornită la viteze liber selectabile de până la 150 mm/min, iar înregistrarea deformării probei se bazează pe mișcarea transversală. În acest context, trebuie remarcat faptul că - datorită derivării deformării eșantionului pe baza mișcării traversei - testul poate fi efectuat numai în conformitate cu standardele de testare care prescriu un sistem de măsurare tactil sau optic în această privință
Test de tracțiune uniaxial în DMA GABO Eplexor®
Figura 3 prezintă diagrama tehnică tensiune-deformare a unui material sub formă de foaie fabricat din spumă de PVC, împreună cu valorile caracteristice derivate. Măsurarea a fost efectuată la temperatura camerei la o rată de deformare de 1 %/min. Eșantionul corespunde geometriei 5A în conformitate cu DIN EN ISO 527-2 [4] cu o lățime de 4,0 mm, o grosime de 2,8 mm și o lungime de măsurare paralelă de 20,0 mm, care a fost mai întâi frezat și apoi măcinat.
În funcție de materialul care urmează să fie testat, de viteza de deformare și de temperatură, forma curbei diagramei tehnice deformare-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 variază. În conformitate cu DIN EN ISO 527-1 [3], de exemplu, este posibilă diferențierea între patru tipuri. Curba rezultată a materialului din spumă PVC poate fi împărțită aproximativ în trei zone. În primul rând, există domeniul aproape liniar 1, care se extinde până la aproximativ 1,5% deformație. Spre deosebire de materialele metalice cu elasticitate liniară, materialele plastice prezintă doar o gamă liniară foarte limitată, care trece rapid la un comportament neliniar încă de la o deformație redusă. În conformitate cu DIN EN ISO 527-1 [3], evaluarea modulului de tracțiune măsurat cvasi-static în intervalul de deformare de la 0,05% la 0,25% este, prin urmare, stipulată prin determinarea secantei relevante sau prin intermediul regresiei. În cazul spumei din PVC investigate, modulul de tracțiuneEt, calculat prin regresie, se ridică la 0,3 GPa. Eventualele abateri ale modulului de stocare E' pentru o măsurare dinamico-mecanică se datorează faptului că măsurătorile dinamico-mecanice sunt efectuate în mod selectiv sub o sarcină statică definită sau o deformare rezultată și se face o diferențiere între componentele pur elastice (E') și vâscoase (E'').
În următoarea secțiune doi, are loc întinderea materialului spumant poros, microdeteriorarea inițială și deformarea plastică ireversibilă. Tensiunea crește neliniar cu creșterea deformației. Valoarea maximă atinsă de material, σmax, este de 7,0 MPa. În secțiunea 3, proba continuă să se constrângă și apare cedarea locală a materialului până la punctul de fractură. Aceasta este caracterizată de o alungire la rupere, εb, de 20,3%.
Măsurarea materialelor din diferite clase de rezistență
Datorită capacității de a schimba celulele de sarcină ale instrumentelor Eplexor® și, de asemenea, de a redimensiona dimensiunile probelor, pot fi caracterizate materiale din diferite clase de rezistență, așa cum este ilustrat în figura 4. În plus față de spuma din PVC deja prezentată, sunt prezentate rezultatele pentru o poliamidă armată cu fibră de sticlă (PA-GF) cu un conținut de 30% fibre și o polietilenă de înaltă DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate (PE-HD).
Umplerea materialelor plastice este o procedură tipică pentru îmbunătățirea proprietăților mecanice, dar este utilizată și pentru ajustarea conductivității electrice și termice sau pentru modificarea altor proprietăți. De exemplu, poliamida armată cu fibre de sticlă cu o rezistență la tracțiune σmax de 204,3 MPa și un modul de tracțiune mediu,Et, de 11,4 GPa este de multe ori mai puternică sau mai rigidă decât spuma de PVC (σmax = 7 MPa șiEt = 0,3 GPa) și polietilenă (σmax = 20,8 MPa șiEt = 1,0 GPa). Cursul curbelor tensiune-deformare este caracterizat printr-o creștere cvasi-liniară a tensiunii cu fractură aproape imediată la εb = 3,6%, care poate fi descrisă ca un comportament mai degrabă fragil. Datorită fibrelor de sticlă, care prezintă ele însele o rezistență ridicată la tracțiune (σmax > 2000 GPa) și rigiditate (Et > 70 GPa) [5], materialul este capabil să suporte tensiuni ridicate. Dacă fibrele fragile se rup, apare cedarea directă a matricei de poliamidă mai puțin rezistentă.
Pe lângă măsurarea materialelor comparativ mai rezistente, materialele cu alungire mare la rupere pot fi, de asemenea, investigate prin adaptarea lungimii paralele de măsurare - dacă este necesar, neconforme cu standardul. Polietilena de înaltă DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate (PE-HD) este un polimer termoplastic produs din monomerul etilenă. Ramificarea redusă a lanțurilor polimerice conduce la o DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate mai mare a materialului comparativ cu tipurile convenționale de PE [6]. Luând în considerare deplasarea maximă de 60 mm, lungimea de măsurare a fost redusă la 10 mm pentru măsurarea materialului. Cu εb = 266,5%, materialul prezintă o alungire la rupere ridicată în raport atât cu spuma din PVC, cât și cu PA-GF. De asemenea, evoluția curbei diferă semnificativ de cea a celorlalte materiale polimerice. Astfel, după atingerea tensiunii maxime, σmax = 20,8 MPa - la aproximativ 8% alungire - apare o zonă de înmuiere relativ lungă până la punctul de fractură.
Încercări de tracțiune la temperaturi scăzute și ridicate
În proiectarea componentelor, dependența proprietăților mecanice de temperatură este esențială pentru selectarea unui material adecvat. Încercările de tracțiune la temperaturi scăzute și ridicate furnizează informații privind modul în care materialul se comportă în diferite medii de funcționare. De exemplu, trebuie să se asigure că o componentă structurală dintr-un automobil poate rezista fără defecțiuni la solicitările aplicației sale atât la temperaturi scăzute iarna, cât și la temperaturi ridicate vara. Pe lângă stabilirea unei ferestre de aplicare relevante, aceste teste furnizează, de asemenea, informații importante pentru prelucrare - de exemplu, intervalul de temperatură în care o foaie de material devine moale și poate fi cel mai bine deformată la cald. În acest caz, datele servesc la generarea unei ferestre de prelucrare.
Toate instrumentele din seria DMA GABO Eplexor® pot fi echipate cu o cameră de temperatură și permit - în funcție de sistemul de răcire - măsurători de la -160°C la 500°C. Clienții care efectuează în mod obișnuit caracterizări dinamico-mecanice cu un DMA GABO Eplexor® au astfel posibilitatea de a-și caracteriza materialele cu ajutorul testelor de tracțiune dependente de temperatură și pot afla astfel mult mai multe despre materialele lor decât prin măsurători DMA clasice.
Figura 5 prezintă comportamentul materialului în funcție de temperatură al unei spume din PVC în cadrul testelor de tracțiune. După cum se poate observa, temperatura influențează semnificativ atât proprietățile mecanice, cât și caracteristicile curbei tensiune-deformare. La temperaturi scăzute de -100°C, materialul prezintă un comportament de fractură fragilă. Eșantionul se comportă într-o manieră elastică aproape liniară și se rupe direct la tensiuni mai mici de 1% după atingerea unei tensiuni de aproximativ 6 MPa. Prin creșterea temperaturii la 26°C, care corespunde temperaturii camerei, panta în intervalul elastic liniar scade, la fel și modulul de tracțiune. În plus, devine vizibilă o gamă plastică neliniară distinctă cu fractură ulterioară. O nouă creștere a temperaturii până la 40 °C duce la o scădere a modulului de tracțiune (care nu este prezentată explicit aici) și la o reducere a tensiunii maxime realizabile. Alungirea la rupere crește ușor. În intervalul inițial al tranziției vitroase la 60°C (temperatura de debut a E' din măsurarea DMA: 61,3°C), alungirea la rupere aproape se dublează (εb = 37%), iar rezistența (σmax = 3,5 MPa) se reduce la jumătate în comparație cu temperatura camerei (εb = 20,3%; σmax = 7,0 MPa).
La 80°C - după tranziția vitroasă - materialul se află în așa-numita stare entropico-elastică. Lanțurile polimerice se pot mișca acum liber unele împotriva altora, iar materialul devine moale. La încercarea de tracțiune, tensiunile sunt reduse la un nivel mai mic de 0,3 MPa, iar materialul poate fi întins - în cadrul condițiilor de măsurare - fără să apară fracturi.
Rezumat
Instrumentele DMA GABO Eplexor® sunt special concepute pentru măsurarea proprietăților dinamico-mecanice. Datorită capacității de a aplica forțe statice de până la 4 kN, precum și a flexibilității ridicate în definirea programului, acestea pot fi utilizate și ca dispozitive pentru teste de tracțiune cvasi-statică. Acest lucru permite utilizatorului să își caracterizeze materialele mult dincolo de domeniul vâsco-elastic liniar. Pornind de la analizele caracteristicilor de întărire și înmuiere, se pot obține informații privind comportamentul la încleiere și fractură. O funcționalitate importantă a DMA GABO Eplexor® în acest context este controlul extrem de precis al temperaturii, reglat prin intermediul camerei de temperatură. Utilizatorul poate determina modul în care materialele se comportă în condiții de sarcină ridicată atât în intervalul de temperaturi scăzute, începând de la -160°C, cât și la temperaturi de până la 500°C, obținând astfel informații importante privind comparația materialelor, procedurile de prelucrare și utilizarea ulterioară a componentei.