مقدمة

تتميز المواد اللزجة المرنة بخصائصها اللزجة والمرنة. تخضع هذه المواد لتقليل الضغط المعتمد على الوقت (الإجهاد "الاسترخاء") تحت ضغط مستمر ، مما يؤدي إلى خسارة كبيرة في قوة الاتصال الأولية. يعتمد استرخاء الإجهاد على نوع المادة والملمس ودرجة الحرارة والضغط الأولي والوقت. يعد فهم استرخاء الإجهاد أمرًا بالغ الأهمية في اختيار المواد المثلى التي تتمتع بالقوة والمرونة (الاسترخاء) المطلوبين لتطبيقات معينة.

أهمية قياس استرخاء الإجهاد

وفقًا لـ ASTM E328i ، "طرق الاختبار القياسية لاسترخاء الإجهاد للمواد والتركيبات" ، يتم تطبيق قوة خارجية مبدئيًا على مادة أو هيكل مع مسافة داخلية حتى تصل إلى أقصى قوة محددة مسبقًا. بمجرد الوصول إلى الحد الأقصى للقوة ، يتم تثبيت موضع المسافة البادئة عند هذا العمق. ثم يتم قياس التغيير في القوة الخارجية اللازمة للحفاظ على وضع indenter كدالة للوقت. تكمن الصعوبة في اختبار استرخاء الإجهاد في الحفاظ على ثبات العمق. مختبر نانوفيا الميكانيكي nanoindentation وحدة قياس استرخاء الإجهاد بدقة من خلال تطبيق حلقة مغلقة (تغذية راجعة) للتحكم في العمق باستخدام مشغل كهربائي بيزو. يتفاعل المشغل في الوقت الفعلي للحفاظ على ثبات العمق ، بينما يتم قياس التغيير في الحمل وتسجيله بواسطة مستشعر حمل شديد الحساسية. يمكن إجراء هذا الاختبار على جميع أنواع المواد تقريبًا دون الحاجة إلى متطلبات صارمة لأبعاد العينة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إجراء اختبارات متعددة على عينة مسطحة واحدة لضمان تكرار الاختبار

هدف القياس

في هذا التطبيق، تقوم وحدة التحسس النانوي الخاصة بجهاز اختبار Nanovea الميكانيكي بقياس سلوك تخفيف الضغط لعينة من الأكريليك والنحاس. نعرض أن النانوفيا اختبار ميكانيكي هي أداة مثالية لتقييم السلوك اللزج المرن المعتمد على الوقت للمواد البوليمرية والمعادن.

شروط الاختبار

تم قياس استرخاء الإجهاد لعينة من الأكريليك والنحاس بواسطة وحدة nanoindentation في Nanovea Mechanical Tester. تم تطبيق معدلات تحميل مختلفة للمسافة البادئة تتراوح من 1 إلى 10 ميكرومتر / دقيقة. تم قياس الاسترخاء على عمق ثابت بمجرد الوصول إلى الحد الأقصى للحمل المستهدف. تم تنفيذ فترة حجز مدتها 100 ثانية على عمق ثابت وتم تسجيل التغيير في الحمل مع مرور وقت الحجز. أجريت جميع الاختبارات في ظروف محيطة (درجة حرارة الغرفة 23 درجة مئوية) وتم تلخيص معلمات اختبار المسافة البادئة في الجدول 1.

النتائج والمناقشة

الشكل 2 يوضح تطور الإزاحة والحمل كدالة للوقت أثناء قياس استرخاء الإجهاد لعينة أكريليك ومعدل تحميل مسافة بادئة يبلغ 3 ميكرومتر / دقيقة كمثال. يمكن تقسيم هذا الاختبار بالكامل إلى ثلاث مراحل: التحميل والاسترخاء والتفريغ. أثناء مرحلة التحميل ، زاد العمق خطيًا مع زيادة الحمل تدريجيًا. بدأت مرحلة الاسترخاء بمجرد الوصول إلى الحد الأقصى للحمل. خلال هذه المرحلة ، تم الحفاظ على عمق ثابت لمدة 100 ثانية باستخدام ميزة التحكم في عمق حلقة التغذية الراجعة المغلقة للأداة ولوحظ أن الحمل انخفض بمرور الوقت. انتهى الاختبار بأكمله بمرحلة تفريغ لإزالة البادئة من عينة الأكريليك.

تم إجراء اختبارات المسافة البادئة الإضافية باستخدام نفس معدلات تحميل المسافة البادئة ولكن باستثناء فترة الاسترخاء (الزحف). تم الحصول على مؤامرات التحميل مقابل الإزاحة من هذه الاختبارات وتم دمجها في الرسوم البيانية في الشكل 3 لعينات الأكريليك والنحاس. نظرًا لانخفاض معدل تحميل indenter من 10 إلى 1 ميكرومتر / دقيقة ، تحول منحنى الحمل والإزاحة تدريجياً نحو أعماق اختراق أعلى لكل من الأكريليك والنحاس. تنتج هذه الزيادة المعتمدة على الوقت في الإجهاد عن تأثير الزحف اللزج المرن للمواد. يسمح معدل التحميل المنخفض للمادة المرنة اللزجة بالحصول على مزيد من الوقت للتفاعل مع الإجهاد الخارجي الذي تتعرض له والتشوه وفقًا لذلك ..

تم رسم تطور الحمل عند إجهاد ثابت باستخدام معدلات تحميل مختلفة المسافة البادئة في الشكل 4 لكلتا المادتين المختبرتين. انخفض الحمل بمعدل أعلى في المراحل الأولى من مرحلة الاسترخاء (فترة الانتظار 100 ثانية) من الاختبارات وتباطأ بمجرد وصول وقت الانتظار إلى ~ 50 ثانية. تُظهر المواد اللزجة المرنة ، مثل البوليمرات والمعادن ، معدل فقد أكبر للحمل عندما تتعرض لمعدلات تحميل أعلى مسافة بادئة. زاد معدل فقد الحمل أثناء الاسترخاء من 51.5 إلى 103.2 مليون نيوتن للأكريليك ، ومن 15.0 إلى 27.4 مليون نيوتن للنحاس ، على التوالي ، حيث زاد معدل تحميل المسافة البادئة من 1 إلى 10 ميكرومتر / دقيقة ، كما تم تلخيصه في الشكل 5.

كما هو مذكور في ASTM Standard E328ii ، فإن المشكلة الرئيسية التي تمت مواجهتها في اختبارات استرخاء الإجهاد هي عدم قدرة الأداة على الحفاظ على إجهاد / عمق ثابت. يوفر جهاز الفحص الميكانيكي Nanovea قياسات دقيقة وممتازة لاسترخاء الضغط نظرًا لقدرته على تطبيق التحكم في حلقة التغذية الراجعة المغلقة للعمق بين المشغل الكهربائي البيزو سريع المفعول ومستشعر عمق المكثف المستقل. أثناء مرحلة الاسترخاء ، يقوم المشغل الكهربائي بيزو بضبط المسافة البادئة للحفاظ على قيد العمق الثابت في الوقت الفعلي بينما يتم قياس التغيير في الحمل وتسجيله بواسطة مستشعر حمل عالي الدقة مستقل.

خاتمة

تم قياس استرخاء الإجهاد لعينة من الأكريليك والنحاس باستخدام وحدة nanoindentation لجهاز Nanovea الميكانيكي بمعدلات تحميل مختلفة. يتم الوصول إلى أقصى عمق أكبر عندما يتم إجراء المسافات البادئة بمعدلات تحميل منخفضة بسبب تأثير الزحف للمادة أثناء التحميل. يُظهر كل من عينة الأكريليك والنحاس سلوك استرخاء للضغط عندما يكون موضع indenter عند أقصى حمل مستهدف ثابتًا. لوحظت تغييرات أكبر في فقد الحمل أثناء مرحلة الاسترخاء للاختبارات ذات معدلات تحميل المسافة البادئة الأعلى.

يُظهر اختبار استرخاء الإجهاد الذي تم إنتاجه بواسطة جهاز اختبار Nanovea الميكانيكي قدرة الأدوات على تحديد وقياس سلوك اللزوجة المرتبط بالوقت للمواد المعدنية والبوليمر. يحتوي على وحدات Nano و Micro متعددة الوظائف لا مثيل لها على منصة واحدة. يمكن إقران وحدات التحكم في الرطوبة ودرجة الحرارة بهذه الأدوات لإمكانيات الاختبار البيئي المطبقة على مجموعة واسعة من الصناعات. تشتمل كل من وحدات Nano و Micro على اختبار الخدش واختبار الصلابة وأوضاع اختبار التآكل ، مما يوفر أوسع نطاق من إمكانات الاختبار الميكانيكي المتاحة في نظام واحد وأكثرها سهولة في الاستخدام.