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AR Category: Mechanical Testing
Friction Evaluation at Extreme Low Speeds
Importance of Friction Evaluation at Low Speeds
Friction is the force that resists the relative motion of solid surfaces sliding against each other. When the relative motion of these two contact surfaces takes place, the friction at the interface converts the kinetic energy into heat. Such a process can also lead to wear of the material and thus performance degradation of the parts in use.
With a large stretch ratio, high resilience, as well as great waterproof properties and wear resistance, rubber is extensively applied in a variety of applications and products in which friction plays an important role, such as automobile tires, windshield wiper blades. shoe soles and many others. Depending on the nature and requirement of these applications, either high or low friction against different material is desired. As a consequence, a controlled and reliable measurement of friction of rubber against various surfaces becomes critical.
Objetivo de medición
The coefficient of friction (COF) of rubber against different materials is measured in a controlled and monitored manner using the Nanovea Tribómetro. In this study, we would like to showcase the capacity of Nanovea Tribometer for measuring the COF of different materials at extremely low speeds.
Resultados y debate
The coefficient of friction (COF) of rubber balls (6 mm dia., RubberMill) on three materials (Stainless steel SS 316, Cu 110 and optional Acrylic) was evaluated by Nanovea Tribometer. The tested metal samples were mechanically polished to a mirror-like surface finish before the measurement. The slight deformation of the rubber ball under the applied normal load created an area contact, which also helps to reduce the impact of asperities or inhomogeneity of sample surface finish to the COF measurements. The test parameters are summarized in Table 1.
The COF of a rubber ball against different materials at four different speeds is shown in Figure. 2, and the average COFs calculated automatically by the software are summarized and compared in Figure 3. It is interesting that the metal samples (SS 316 and Cu 110) exhibit significantly increased COFs as the rotational speed increases from a very low value of 0.01 rpm to 5 rpm -the COF value of the rubber/SS 316 couple increases from 0.29 to 0.8, and from 0.65 to 1.1 for the rubber/Cu 110 couple. This finding is in agreement with the results reported from several laboratories. As proposed by Grosch4 the friction of rubber is mainly determined by two mechanisms: (1) the adhesion between rubber and the other material, and (2) the energy losses due to the deformation of the rubber caused by surface asperities. Schallamach5 observed waves of detachment of rubber from the counter material across the interface between soft rubber spheres and a hard surface. The force for rubber to peel from the substrate surface and rate of waves of detachment can explain the different friction at different speeds during the test.
In comparison, the rubber/acrylic material couple exhibits high COF at different rotational speeds. The COF value slightly increases from ~ 1.02 to ~ 1.09 as the rotational speed increases from 0.01 rpm to 5 rpm. Such high COF is possibly attributed to stronger local chemical bonding at the contact face formed during the tests.
Conclusión
In this study, we show that at extremely low speeds, the rubber exhibits a peculiar frictional behavior – its friction against a hard surface increases with the increased speed of the relative movement. Rubber shows different friction when it slides on different materials. Nanovea Tribometer can evaluate the frictional properties of materials in a controlled and monitored manner at different speeds, allowing users to improve fundamental understanding of the friction mechanism of the materials and select the best material couple for targeted tribological engineering applications.
Nanovea Tribometer offers precise and repeatable wear and friction testing using ISO and ASTM compliant rotative and linear modes, with optional high-temperature wear, lubrication and tribo-corrosion modules available in one pre-integrated system. It is capable of controlling the rotational stage at extremely low speeds down to 0.01 rpm and monitor the evolution of friction in situ. Nanovea’s unmatched range is an ideal solution for determining the full range of tribological properties of thin or thick, soft or hard coatings, films, and substrates.
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Medición de la relajación de tensiones mediante nanoindentación
INTRODUCCIÓN
Viscoelastic materials are characterized as having both viscous and elastic material properties. These materials are subject to time-dependent stress decrease (stress ‘relaxation’) under constant strain, leading to a significant loss of initial contact force. Stress relaxation is dependent on the type of material, texture, temperature, initial stress, and time. Understanding stress relaxation is critical in selecting optimal materials that have the strength and flexibility (relaxation) required for specific applications.
Importance of Stress Relaxation Measurement
As per ASTM E328i, “Standard Test Methods for Stress Relaxation for Materials and Structures”, an external force is initially applied on a material or structure with an indenter until it reaches a predetermined maximum force. Once the maximum force is reached, the position of the indenter is held constant at this depth. Then the change in external force necessary to maintain the indenter’s position is measured as a function of time. The difficulty in stress relaxation testing is maintaining the depth constant. The Nanovea Mechanical Tester’s nanoindentación module accurately measures the stress relaxation by applying a closed (feedback) loop control of the depth with a piezo-electric actuator. The actuator reacts in real-time to keep the depth constant, while the change in load is measured and recorded by a highly sensitive load sensor. This test can be performed on virtually all types of materials without the need for stringent sample dimension requirements. Additionally, multiple tests can be performed on a single flat sample to ensure test repeatability
OBJETIVO DE MEDICIÓN
In this application, the Nanovea Mechanical Tester’s nanoindentation module measures the stress relaxation behavior of an acrylic and copper sample. We showcase that the Nanovea Comprobador mecánico is an ideal tool for evaluating the time-dependent viscoelastic behavior of polymer and metal materials.
CONDICIONES DE ENSAYO
The stress relaxation of an acrylic and a copper sample was measured by the Nanovea Mechanical Tester’s nanoindentation module. Different indentation loading rates were applied ranging from 1 to 10 µm/min. The relaxation was measured at a fixed depth once the target maximum load was reached. A 100 second holding period was implemented at a fixed depth and the change in load was recorded as the holding time elapsed. All of the tests were conducted at ambient conditions (room temperature of 23 °C) and the indentation test parameters are summarized in Table 1.
RESULTADOS Y DEBATE
Figure 2 shows the evolution of displacement and load as a function of time during the stress relaxation measurement of an acrylic sample and an indentation loading rate of 3 µm/min as an example. The entirety of this test can be broken down into three stages: Loading, Relaxation and Unloading. During the Loading stage, the depth linearly increased as the load progressively increased. The Relaxation stage was initiated once the maximum load was reached. During this stage a constant depth was maintained for 100 seconds by using the closed feedback loop depth control feature of the instrument and it was observed that the load decreased over time. The entire test concluded with an unloading stage in order to remove the indenter from the acrylic sample.
Additional indentation tests were conducted using the same indenter loading rates but excluding a relaxation (creep) period. Load vs. displacement plots were acquired from these tests and were combined in the graphs in Figure 3 for the acrylic and copper samples. As the indenter loading rate decreased from 10 to 1 µm/min, the load-displacement curve shifted progressively towards higher penetration depths for both Acrylic and Copper. Such a time-dependent increase in strain results from the viscoelastic creep effect of the materials. A lower loading rate allows a viscoelastic material to have more time to react to the external stress it experiences and to deform accordingly..
The evolution of load at a constant strain using different indentation loading rates were plotted in Figure 4 for both materials tested. The load decreased at a higher rate in the early stages of the relaxation stage (100 second hold period) of the tests and slowed down once the hold time reached ~50 seconds. Viscoelastic materials, such as polymers and metals, exhibit greater load loss rate when they are subjected to higher indentation loading rates. The load loss rate during relaxation increased from 51.5 to 103.2 mN for Acrylic, and from 15.0 to 27.4 mN for Copper, respectively, as the indentation loading rate increased from 1 to 10 µm/min, as summarized in Figure 5.
As mentioned In ASTM Standard E328ii, the major problem encountered in stress relaxation tests is an instrument’s inability of maintaining a constant strain/depth. The Nanovea Mechanical Tester provides excellent accurate stress relaxation measurements due to its ability to apply a closed feedback loop control of the depth between the fast acting piezo-electric actuator and the independent capacitor depth sensor. During the relaxation stage, the piezo-electric actuator adjusts the indenter to maintain its constant depth constraint in real-time while the change in load is measured and recorded by an independent high precision load sensor.
CONCLUSIÓN
The stress relaxation of an acrylic and a copper sample were measured using the nanoindentation module of the Nanovea Mechanical Tester at different loading rates. A greater maximum depth is reached when indentations are performed at lower loading rates due to the creep effect of the material during loading. Both the acrylic and the copper sample exhibit stress relaxation behavior when the indenter position at a targeted maximum load is held constant. Larger changes in load loss during the relaxation stage were observed for the tests with higher indentation loading rates.
The stress relaxation test produced by the Nanovea Mechanical Tester showcase the instruments ability to quantify and reliably measure the time-dependent viscoelastic behavior of polymer and metal materials. It has an unmatched multi-function Nano and Micro modules on a single platform. Humidity and temperature control modules can be paired with these instruments for environmental testing capabilities applicable to a wide range of industries. Both the Nano and Micro modules include scratch testing, hardness testing, and wear testing modes, providing the widest and most user-friendly range of mechanical testing capabilities available on a single system.
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Comprensión de los fallos del revestimiento mediante ensayos de rayado
Introducción:
La ingeniería de superficies de los materiales desempeña un papel importante en diversas aplicaciones funcionales, que van desde el aspecto decorativo hasta la protección de los sustratos contra el desgaste, la corrosión y otras formas de ataque. Un factor importante y primordial que determina la calidad y la vida útil de los revestimientos es su fuerza cohesiva y adhesiva.
Resistencia al rayado de los protectores de pantalla para móviles
Resistencia al rayado de los protectores de pantalla para móviles
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Importancia de probar los protectores de pantalla
Aunque las pantallas de los teléfonos están diseñadas para resistir roturas y arañazos, siguen siendo susceptibles de sufrir daños. El uso diario del teléfono hace que se desgasten y, por ejemplo, acumulen arañazos y grietas. Dado que reparar estas pantallas puede resultar caro, los protectores de pantalla son un artículo asequible para prevenir daños que suele comprarse y utilizarse para aumentar la durabilidad de una pantalla.
Utilizando el Módulo Macro del Comprobador Mecánico Nanovea PB1000 junto con el sensor de emisiones acústicas (AE), podemos identificar claramente las cargas críticas en las que los protectores de pantalla muestran fallos debido a las pruebas de rayado1 para crear un estudio comparativo entre dos tipos de protectores de pantalla.
Dos tipos comunes de materiales protectores de pantalla son el TPU (poliuretano termoplástico) y el cristal templado. De los dos, el vidrio templado se considera el mejor, ya que proporciona una mejor protección contra impactos y arañazos. Sin embargo, también es el más caro. Por otro lado, los protectores de pantalla de TPU son menos caros y una opción popular entre los consumidores que prefieren los protectores de pantalla de plástico. Dado que los protectores de pantalla están diseñados para absorber arañazos e impactos y suelen estar hechos de materiales con propiedades frágiles, los ensayos controlados de arañazos combinados con la detección de EA in situ son una configuración de ensayo óptima para determinar las cargas a las que se producen fallos cohesivos (por ejemplo, agrietamiento, astillamiento y fractura) y/o fallos adhesivos (por ejemplo, delaminación y espalación).
Objetivo de medición
En este estudio, se realizaron tres pruebas de rayado en dos protectores de pantalla comerciales diferentes utilizando el Módulo Macro del Comprobador Mecánico PB1000 de Nanovea. Mediante el uso de un sensor de emisiones acústicas y un microscopio óptico, se identificaron las cargas críticas en las que cada protector de pantalla mostraba fallos.
Procedimiento de ensayo y procedimientos
Se utilizó el comprobador mecánico Nanovea PB1000 para probar dos protectores de pantalla aplicados sobre la pantalla de un teléfono y sujetados a una mesa con sensor de fricción. Los parámetros de prueba para todos los arañazos se tabulan en la Tabla 1 a continuación.
Resultados y debate
Dado que los protectores de pantalla estaban hechos de un material diferente, cada uno de ellos presentaba distintos tipos de fallos. Sólo se observó un fallo crítico en el protector de pantalla de TPU, mientras que el protector de pantalla de vidrio templado presentó dos. Los resultados de cada muestra se muestran en la Tabla 2. La carga crítica #1 se define como la carga a la que los protectores de pantalla empezaron a mostrar signos de fallo cohesivo bajo el microscopio. La carga crítica #2 se define por el primer cambio de pico observado en los datos del gráfico de emisiones acústicas.
Para el protector de pantalla de TPU, la carga crítica #2 se correlaciona con la ubicación junto con el arañazo donde el protector comenzó a despegarse visiblemente de la pantalla del teléfono. Apareció un arañazo en la superficie de la pantalla del teléfono una vez que se superó la carga crítica #2 para el resto de las pruebas de arañazos. Para el protector de pantalla de vidrio templado, la carga crítica #1 se correlaciona con el lugar donde comenzaron a aparecer las fracturas radiales. La carga crítica #2 se produce hacia el final del rayado con cargas más elevadas. La emisión acústica es de mayor magnitud que la del protector de pantalla TPU, sin embargo, no se produjo ningún daño en la pantalla del teléfono. En ambos casos, la carga crítica #2 correspondió a un gran cambio en la profundidad, lo que indica que el penetrador había atravesado el protector de pantalla.
Conclusión
En este estudio mostramos la capacidad del comprobador mecánico Nanovea PB1000 para realizar ensayos de rayado controlados y repetibles y, simultáneamente, utilizar la detección de emisiones acústicas para identificar con precisión las cargas a las que se producen fallos adhesivos y cohesivos en protectores de pantalla fabricados con TPU y vidrio templado. Los datos experimentales presentados en este documento respaldan la hipótesis inicial de que el vidrio templado es el que mejor funciona para evitar arañazos en las pantallas de los teléfonos.
El comprobador mecánico Nanovea ofrece capacidades de medición precisas y repetibles de indentación, rayado y desgaste utilizando módulos Nano y Micro que cumplen las normas ISO y ASTM. El Comprobador mecánico es un sistema completo, lo que lo convierte en la solución ideal para determinar toda la gama de propiedades mecánicas de revestimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros.
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Automatización múltiple de muestras similares mediante el comprobador mecánico PB1000
Introducción :
Los revestimientos se utilizan ampliamente en diversas industrias por sus propiedades funcionales. La dureza de un revestimiento, su resistencia a la erosión, su baja fricción y su alta resistencia al desgaste son sólo algunas de las muchas propiedades que hacen que los revestimientos sean importantes. Un método comúnmente utilizado para cuantificar estas propiedades es el ensayo de rayado, que permite una medición repetible de las propiedades adhesivas y/o cohesivas de un revestimiento. Comparando las cargas críticas a las que se produce el fallo, pueden evaluarse las propiedades intrínsecas de un revestimiento.
Caracterización nanomecánica de las constantes elásticas
La capacidad de los muelles para almacenar energía mecánica tiene una larga historia de uso. Desde los arcos para cazar hasta las cerraduras para puertas, la tecnología de muelles existe desde hace muchos siglos. Hoy en día dependemos de los muelles, ya sean de colchones, bolígrafos o suspensión de automóviles, ya que desempeñan un papel vital en nuestra vida cotidiana. Con tanta variedad de usos y diseños, es necesario poder cuantificar sus propiedades mecánicas.
Herramienta mecánica de selección de mapas Broadview
Todos hemos oído alguna vez la expresión "el tiempo es oro". Por eso muchas empresas buscan constantemente métodos para agilizar y mejorar diversos procesos: ahorran tiempo. Cuando se trata de ensayos de indentación, la velocidad, la eficacia y la precisión pueden integrarse en un proceso de control de calidad o de I+D utilizando uno de nuestros comprobadores mecánicos Nanovea. En esta nota de aplicación, mostraremos una forma sencilla de ahorrar tiempo con nuestro comprobador mecánico Nanovea y las funciones de software Broad View Map y Selection Tool.
Haga clic para leer la nota de aplicación completa.
Transición vítrea localizada con precisión mediante DMA por nanoindentación
Transición vítrea localizada con precisión mediante DMA por nanoindentación
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Imaginemos una situación en la que una muestra a granel se calienta uniformemente a un ritmo constante. Cuando un material a granel se calienta y se acerca a su punto de fusión, empieza a perder rigidez. Si se realizan indentaciones periódicas (ensayos de dureza) con la misma fuerza objetivo, la profundidad de cada indentación debería aumentar constantemente, ya que la muestra se está volviendo más blanda (véase la figura 1). Esto continúa hasta que la muestra empieza a fundirse. En este punto, se observará un gran aumento de la profundidad por indentación. Utilizando este concepto, el cambio de fase en un material puede observarse utilizando oscilaciones dinámicas con una amplitud de fuerza fija y midiendo su desplazamiento, es decir, Análisis Mecánico Dinámico (AMD).
Lea sobre la transición vítrea localizada con precisión.
Medición de la relajación de tensiones mediante nanoindentación
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Compresión en materiales blandos y flexibles
Importancia de probar materiales blandos y flexibles
Un ejemplo de muestras muy blandas y flexibles son los sistemas microelectromecánicos. Los MEMS se utilizan en productos comerciales cotidianos como impresoras, teléfonos móviles y automóviles [1]. Sus usos también incluyen funciones especiales, como los biosensores [2] y la captación de energía [3]. Para sus aplicaciones, los MEMS deben ser capaces de transitar de forma reversible entre su configuración original y una configuración comprimida repetidamente [4]. Para entender cómo reaccionarán las estructuras a las fuerzas mecánicas, se pueden realizar ensayos de compresión. Los ensayos de compresión pueden utilizarse para probar y ajustar diversas configuraciones de MEMS, así como para comprobar los límites de fuerza superior e inferior de estas muestras.
La Nanovea Comprobador mecánico Nano La capacidad del módulo para recopilar datos con precisión a cargas muy bajas y recorrer más de 1 mm de distancia lo hace ideal para probar las muestras blandas y exibles. Al disponer de sensores de carga y profundidad independientes, los grandes desplazamientos del indentador no afectan a las lecturas del sensor de carga. La capacidad de realizar ensayos de baja carga en un rango de más de 1 mm de recorrido del indentador hace que nuestro sistema sea único en comparación con otros sistemas de nanoindentación. En comparación, una distancia de recorrido razonable para un sistema de indentación a nanoescala suele ser inferior a 250μm.
Objetivo de medición
En este estudio de caso, Nanovea realizó ensayos de compresión en dos muestras flexibles, similares a muelles, singularmente diferentes. Mostramos nuestra capacidad para llevar a cabo la compresión con cargas muy bajas y registrar grandes desplazamientos, al tiempo que obtenemos datos precisos con cargas bajas, y cómo esto puede aplicarse a la industria MEMS. Debido a las políticas de privacidad, en este estudio no se revelarán las muestras ni su origen.
Parámetros de medición
Nota: La velocidad de carga de 1 V/min es proporcional a aproximadamente 100μm de desplazamiento cuando el penetrador está en el aire.
Resultados y debate
La respuesta de la muestra a las fuerzas mecánicas puede observarse en las curvas de carga frente a profundidad. La muestra A solo muestra una deformación elástica lineal con los parámetros de ensayo indicados anteriormente. La figura 2 es un gran ejemplo de la estabilidad que se puede lograr para una curva de carga vs profundidad a 75μN. Debido a la estabilidad de los sensores de carga y profundidad, sería fácil percibir cualquier respuesta mecánica significativa de la muestra.
La muestra B muestra una respuesta mecánica diferente a la de la muestra A. A partir de 750μm de profundidad, empieza a aparecer un comportamiento similar a la fractura en el gráfico. Esto se observa con las fuertes caídas de carga a 850 y 975μm de profundidad. A pesar de viajar a una alta velocidad de carga durante más de 1mm en un rango de 8mN, nuestros sensores de carga y profundidad altamente sensibles permiten al usuario obtener las elegantes curvas de carga vs profundidad que se muestran a continuación.
La rigidez se calculó a partir de la parte de descarga de las curvas de carga frente a profundidad. La rigidez refleja cuánta fuerza es necesaria para deformar la muestra. Para calcular la rigidez, se utilizó una pseudo relación de Poisson de 0,3, ya que no se conoce la relación real del material. En este caso, la muestra B resultó ser más rígida que la muestra A.
Conclusión
Dos muestras flexibles diferentes se sometieron a ensayos de compresión con el nanomódulo del Nanovea Mechanical Tester. Las pruebas se realizaron con cargas muy bajas (1mm). Los ensayos de compresión a escala nanométrica con el Nano Módulo han demostrado la capacidad del módulo para ensayar muestras muy blandas y flexibles. Pruebas adicionales para este estudio podrían abordar cómo la carga cíclica repetida afecta al aspecto de recuperación elástica de las muestras similares a muelles a través de la opción de carga múltiple del Nanovea Mechanical Tester.
Si desea más información sobre este método de ensayo, no dude en ponerse en contacto con nosotros en info@nanovea.com. Si desea más notas de aplicación, consulte nuestra amplia biblioteca digital de notas de aplicación.
Referencias
[1] "Introducción y áreas de aplicación de los MEMS". EEHerald, 1 mar. 2017, www.eeherald.com/section/design-guide/mems_application_introduction.html.
[2] Louizos, Louizos-Alexandros; Athanasopoulos, Panagiotis G.; Varty, Kevin (2012). "Sistemas microelectromecánicos y nanotecnología. A Platform for the Next Stent Technological Era". Vasc Endovascular Surg.46 (8): 605–609. doi:10.1177/1538574412462637. PMID 23047818.
[3] Hajati, Arman; Sang-Gook Kim (2011). "Ultra-wide bandwidth piezoelectric energy harvesting". AppliedPhysics Letters. 99 (8): 083105. doi:10.1063/1.3629551.
[4] Fu, Haoran, et al. "Mesoestructuras 3D morfables y dispositivos microelectrónicos por bucklingmechanics multistable". Nature materials 17.3 (2018): 268.
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Viscoelastic Analysis of Rubber
Viscoelastic Analysis of Rubber
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Tires are subjected to cyclical high deformations when vehicles are running on the road. When exposed to harsh road conditions, the service lifetime of the tires is jeopardized by many factors, such as the wear of the thread, the heat generated by friction, rubber aging, and others.
As a result, tires usually have composite layer structures made of carbon-filled rubber, nylon cords, and steel wires, etc. In particular, the composition of rubber at different areas of the tire systems is optimized to provide different functional properties, including but not limited to wear resistant thread, cushion rubber layer, and hard rubber base layer.
A reliable and repeatable test of the viscoelastic behavior of rubber is critical in quality control and R&D of new tires, as well as evaluation of the life span of old tires. Dynamic Mechanical Analysis(DMA) during Nanoindentación is a technique of characterizing the viscoelasticity. When controlled oscillatory stress is applied, the resulting strain is measured, allowing users to determine the complex modulus of the tested materials.
