INTRODUCCIÓN

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

Importancia de la medición de la relajación del estrés

Según la norma ASTM E328i, "Standard Test Methods for Stress Relaxation for Materials and Structures", inicialmente se aplica una fuerza externa sobre un material o estructura con un penetrador hasta alcanzar una fuerza máxima predeterminada. Una vez alcanzada la fuerza máxima, la posición del penetrador se mantiene constante a esta profundidad. A continuación, se mide la variación de la fuerza externa necesaria para mantener la posición del penetrador en función del tiempo. La dificultad de los ensayos de relajación de tensiones estriba en mantener constante la profundidad. El probador mecánico Nanovea nanoindentación 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 constante la profundidad, mientras que el cambio de carga se mide y registra mediante un sensor de carga de alta sensibilidad. Este ensayo puede realizarse en prácticamente todo tipo de materiales sin necesidad de cumplir estrictos requisitos de dimensión de la muestra. Además, pueden realizarse varias 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 tensiones de una muestra de acrílico y cobre. Mostramos que Nanovea Probador Mecánico es una herramienta ideal para evaluar el comportamiento viscoelástico dependiente del tiempo de materiales poliméricos y metálicos.

CONDICIONES DE PRUEBA

La relajación de la tensión de una muestra de acrílico y de cobre se midió con el módulo de nanoindentación del Probador Mecánico Nanovea. Se aplicaron diferentes tasas de carga de indentación que iban de 1 a 10 µm/min. La relajación se midió a una profundidad fija una vez alcanzada la carga máxima deseada. Se aplicó un periodo de retención de 100 segundos a una profundidad fija y se registró el cambio de carga a medida que transcurría el tiempo de retención. Todos los ensayos se realizaron en condiciones ambientales (temperatura ambiente de 23 °C) y los parámetros del ensayo 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 tensiones de una muestra acrílica y una velocidad de carga de indentación de 3 µm/min como ejemplo. La totalidad de este ensayo puede desglosarse 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 disminuía con el tiempo. La prueba completa concluyó con una etapa de descarga para retirar el penetrador de la muestra acrílica.

Se realizaron ensayos de indentación adicionales utilizando las mismas tasas de carga del indentador pero excluyendo un periodo de relajación (fluencia). Se obtuvieron gráficos de carga frente a desplazamiento a partir de estas pruebas y 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 disminuía de 10 a 1 µm/min, la curva carga-desplazamiento se desplazaba progresivamente hacia mayores profundidades de penetración 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 tasa de carga más baja permite que un material viscoelástico tenga más tiempo para reaccionar a la tensión externa que experimenta y se deforme en consecuencia...

En la figura 4 se representa la evolución de la carga a una deformación constante utilizando diferentes velocidades de carga de indentación para ambos materiales ensayados. La carga disminuyó a un ritmo mayor en las primeras etapas de la fase de relajación (período de retención de 100 segundos) de los ensayos y se ralentizó una vez que el tiempo de retención 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 mayores tasas de carga de indentación. 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 tasa de carga de indentación aumentó de 1 a 10 µm/min, como se resume en Figura 5.

Como se menciona en la norma E328ii de la ASTM, el principal problema que se encuentra en los ensayos de relajación de tensiones es la incapacidad del instrumento para mantener una tensión/profundidad constante. El Probador Mecánico Nanovea proporciona excelentes mediciones precisas de relajación de esfuerzos debido a su capacidad de 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 etapa de relajación, el actuador piezoeléctrico ajusta el penetrador para mantener su restricción de profundidad constante en tiempo real, mientras que el cambio en la carga es medido y registrado por un sensor de carga independiente de alta precisión.

CONCLUSIÓN

Se midió la relajación de tensiones de una muestra de acrílico y otra de cobre utilizando el módulo de nanoindentación del Nanovea Mechanical Tester 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 tensiones cuando la posición del penetrador a una carga máxima determinada se mantiene constante. Se observaron mayores cambios en la pérdida de carga durante la etapa de relajación en los ensayos con tasas de carga de indentación más altas.

La prueba de relajación de tensión producida por el Nanovea Mechanical Tester muestra la capacidad de los instrumentos para cuantificar y medir de forma fiable el comportamiento viscoelástico dependiente del tiempo de los materiales poliméricos y metálicos. Dispone de un inigualable módulo multifunción Nano y Micro en una sola plataforma. Los módulos de control de la humedad y la temperatura pueden emparejarse con estos instrumentos para obtener capacidades de pruebas ambientales aplicables a una amplia gama de industrias. Tanto el módulo Nano como el Micro incluyen modos de ensayo de rayado, de dureza y de desgaste, proporcionando la gama más amplia y fácil de usar de capacidades de ensayo mecánico disponibles en un solo sistema.