INTRODUCCIÓN

Los materiales viscoelásticos se caracterizan por tener propiedades tanto viscosas como elásticas. Estos materiales están sujetos a una disminución de la tensión dependiente del tiempo (relajación de la tensión) bajo una deformación constante, lo que conduce a una pérdida significativa de la fuerza de contacto inicial. La relajación de la tensión depende del tipo de material, la textura, la temperatura, la tensión inicial y el tiempo. Comprender la relajación de la tensión es fundamental para seleccionar los materiales óptimos que tengan la resistencia y la flexibilidad (relajación) necesarias para aplicaciones específicas.

Importancia de la medición de la relajación de tensiones

Según la norma ASTM E328i, “Métodos de prueba estándar para la relajación de tensiones en materiales y estructuras”, inicialmente se aplica una fuerza externa sobre un material o estructura con un penetrador hasta que alcanza una fuerza máxima predeterminada. Una vez alcanzada la fuerza máxima, la posición del penetrador se mantiene constante a esta profundidad. A continuación, se mide el cambio en la fuerza externa necesaria para mantener la posición del penetrador en función del tiempo. La dificultad de los ensayos de relajación de tensiones radica en mantener constante la profundidad. El ensayador mecánico Nanovea nanoindentación El módulo mide con precisión la relajación de la tensión aplicando un control de bucle cerrado (retroalimentación) de la profundidad con un actuador piezoeléctrico. El actuador reacciona en tiempo real para mantener la profundidad constante, mientras que el cambio en la carga se mide y registra mediante un sensor de carga de alta sensibilidad. Esta prueba se puede realizar en prácticamente todo tipo de materiales sin necesidad de requisitos estrictos en cuanto a las dimensiones de la muestra. Además, se pueden realizar múltiples pruebas en una sola muestra plana para garantizar la repetibilidad de la prueba.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, el módulo de nanoindentación del Nanovea Mechanical Tester mide el comportamiento de relajación de la tensión de una muestra de acrílico y cobre. Demostramos que el Nanovea Comprobador mecánico Es una herramienta ideal para evaluar el comportamiento viscoelástico dependiente del tiempo de los materiales poliméricos y metálicos.

CONDICIONES DE ENSAYO

La relajación de la tensión de una muestra de acrílico y otra de cobre se midió con el módulo de nanoindentación del Nanovea Mechanical Tester. Se aplicaron diferentes velocidades de carga de indentación, que oscilaron entre 1 y 10 µm/min. La relajación se midió a una profundidad fija una vez que se alcanzó la carga máxima objetivo. Se implementó un periodo de mantenimiento de 100 segundos a una profundidad fija y se registró el cambio en la carga a medida que transcurría el tiempo de mantenimiento. Todas las pruebas se realizaron en condiciones ambientales (temperatura ambiente de 23 °C) y los parámetros de la prueba de indentación se resumen en la Tabla 1.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Figura 2 muestra la evolución del desplazamiento y la carga en función del tiempo durante la medición de la relajación de la tensión de una muestra acrílica y una velocidad de carga de indentación de 3 µm/min como ejemplo. La totalidad de esta prueba se puede dividir en tres etapas: carga, relajación y descarga. Durante la etapa de carga, la profundidad aumentó linealmente a medida que la carga aumentaba progresivamente. La etapa de relajación se inició una vez que se alcanzó la carga máxima. Durante esta etapa, se mantuvo una profundidad constante durante 100 segundos utilizando la función de control de profundidad de bucle cerrado del instrumento y se observó que la carga disminuyó con el tiempo. La prueba completa concluyó con una etapa de descarga para retirar el indentador de la muestra acrílica.

Se realizaron pruebas de indentación adicionales utilizando las mismas velocidades de carga del indentador, pero excluyendo el periodo de relajación (fluencia). A partir de estas pruebas se obtuvieron gráficos de carga frente a desplazamiento, que se combinaron en los gráficos de la figura 3 para las muestras de acrílico y cobre. A medida que la velocidad de carga del penetrador disminuyó de 10 a 1 µm/min, la curva de carga-desplazamiento se desplazó progresivamente hacia profundidades de penetración más altas tanto para el acrílico como para el cobre. Este aumento de la deformación en función del tiempo se debe al efecto de fluencia viscoelástica de los materiales. Una velocidad de carga más baja permite que un material viscoelástico tenga más tiempo para reaccionar a la tensión externa a la que se ve sometido y deformarse en consecuencia.

La evolución de la carga a una deformación constante utilizando diferentes velocidades de carga de indentación se representa en la figura 4 para ambos materiales probados. La carga disminuyó a un ritmo mayor en las primeras etapas de la fase de relajación (período de mantenimiento de 100 segundos) de las pruebas y se ralentizó una vez que el tiempo de mantenimiento alcanzó los ~50 segundos. Los materiales viscoelásticos, como los polímeros y los metales, presentan una mayor tasa de pérdida de carga cuando se someten a velocidades de carga de indentación más altas. La tasa de pérdida de carga durante la relajación aumentó de 51,5 a 103,2 mN para el acrílico, y de 15,0 a 27,4 mN para el cobre, respectivamente, a medida que la velocidad de carga de indentación aumentaba de 1 a 10 µm/min, como se resume en Figura 5.

Como se menciona en la norma ASTM E328ii, el principal problema que se presenta en los ensayos de relajación de tensiones es la incapacidad del instrumento para mantener una deformación/profundidad constante. El ensayador mecánico Nanovea proporciona mediciones de relajación de tensión excelentes y precisas gracias a su capacidad para aplicar un control de bucle cerrado de retroalimentación de la profundidad entre el actuador piezoeléctrico de acción rápida y el sensor de profundidad del condensador independiente. Durante la fase de relajación, el actuador piezoeléctrico ajusta el indentador para mantener su restricción de profundidad constante en tiempo real, mientras que el cambio en la carga se mide y registra mediante un sensor de carga independiente de alta precisión.

CONCLUSIÓN

Se midió la relajación de la tensión de una muestra de acrílico y otra de cobre utilizando el módulo de nanoindentación del probador mecánico Nanovea a diferentes velocidades de carga. Se alcanza una mayor profundidad máxima cuando las indentaciones se realizan a velocidades de carga más bajas debido al efecto de fluencia del material durante la carga. Tanto la muestra de acrílico como la de cobre muestran un comportamiento de relajación de la tensión cuando se mantiene constante la posición del indentador a una carga máxima objetivo. Se observaron cambios mayores en la pérdida de carga durante la etapa de relajación en las pruebas con velocidades de carga de indentación más altas.

La prueba de relajación de tensiones realizada por el Nanovea Mechanical Tester demuestra la capacidad del instrumento para cuantificar y medir de forma fiable el comportamiento viscoelástico dependiente del tiempo de los materiales poliméricos y metálicos. Cuenta con unos módulos Nano y Micro multifunción sin igual en una única plataforma. Los módulos de control de humedad y temperatura se pueden combinar con estos instrumentos para realizar pruebas ambientales aplicables a una amplia gama de industrias. Tanto el módulo Nano como el Micro incluyen modos de prueba de rayado, dureza y desgaste, lo que proporciona la gama más amplia y fácil de usar de capacidades de prueba mecánica disponible en un solo sistema.