WPROWADZENIE

Materiały lepkosprężyste charakteryzują się tym, że posiadają zarówno lepkie, jak i sprężyste właściwości materiałowe. Materiały te podlegają zależnemu od czasu zmniejszeniu naprężenia ("relaksacja" naprężenia) przy stałym naprężeniu, co prowadzi do znacznej utraty początkowej siły kontaktu. Relaksacja naprężeń zależy od rodzaju materiału, tekstury, temperatury, naprężenia początkowego i czasu. Zrozumienie relaksacji naprężeń jest kluczowe w wyborze optymalnych materiałów, które mają wytrzymałość i elastyczność (relaksację) wymaganą w konkretnych zastosowaniach.

Znaczenie pomiaru relaksacji stresu

Zgodnie z normą ASTM E328i "Standardowe metody testowania relaksacji naprężeń w materiałach i strukturach", zewnętrzna siła jest początkowo przykładana do materiału lub struktury za pomocą wgłębnika, aż do osiągnięcia wcześniej określonej maksymalnej siły. Po osiągnięciu maksymalnej siły, pozycja wgłębnika jest utrzymywana na stałej głębokości. Następnie mierzona jest zmiana siły zewnętrznej niezbędnej do utrzymania pozycji wgłębnika w funkcji czasu. Trudność w testowaniu relaksacji naprężeń polega na utrzymaniu stałej głębokości. Tester mechaniczny Nanovea nanoindentacja Moduł dokładnie mierzy relaksację naprężeń poprzez zastosowanie zamkniętej pętli (sprzężenia zwrotnego) kontroli głębokości za pomocą siłownika piezoelektrycznego. Siłownik reaguje w czasie rzeczywistym, aby utrzymać stałą głębokość, podczas gdy zmiana obciążenia jest mierzona i rejestrowana przez bardzo czuły czujnik obciążenia. Test ten może być przeprowadzony na praktycznie wszystkich rodzajach materiałów, bez konieczności spełniania rygorystycznych wymagań dotyczących wymiarów próbki. Ponadto na jednej płaskiej próbce można przeprowadzić wiele testów, aby zapewnić powtarzalność badania

CEL POMIARU

W tym zastosowaniu moduł nanoindentacji testera mechanicznego Nanovea mierzy zachowanie relaksacji naprężeń próbki akrylu i miedzi. Przedstawiamy tę Nanoveę Tester mechaniczny jest idealnym narzędziem do oceny zależnego od czasu zachowania lepkosprężystego materiałów polimerowych i metalowych.

WARUNKI BADANIA

Za pomocą modułu nanoindentacji Nanovea Mechanical Tester zmierzono relaksację naprężeń w próbce akrylowej i miedzianej. Zastosowano różne szybkości obciążenia wgłębnego w zakresie od 1 do 10 µm/min. Po osiągnięciu docelowego maksymalnego obciążenia mierzono relaksację na ustalonej głębokości. Zastosowano 100 sekundowy okres zatrzymania na stałej głębokości, a zmiana obciążenia była rejestrowana w miarę upływu czasu zatrzymania. Wszystkie badania przeprowadzono w warunkach otoczenia (temperatura pokojowa 23 °C), a parametry próby wgniatania zestawiono w tabeli 1.

WYNIKI I DYSKUSJA

Rysunek 2 przedstawia ewolucję przemieszczenia i obciążenia w funkcji czasu podczas pomiaru relaksacji naprężeń dla próbki akrylowej i przykładowej prędkości obciążania wgłębnika 3 µm/min. Całość tego badania można podzielić na trzy etapy: Loading, Relaxation i Unloading. Podczas etapu obciążenia, głębokość liniowo wzrastała wraz z postępującym wzrostem obciążenia. Etap relaksacji rozpoczyna się po osiągnięciu maksymalnego obciążenia. Podczas tego etapu utrzymywano stałą głębokość przez 100 sekund, wykorzystując funkcję kontroli głębokości z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego. Cała próba zakończyła się etapem rozładowania w celu usunięcia wgłębnika z próbki akrylowej.

Przeprowadzono dodatkowe próby wgniatania z zastosowaniem tych samych prędkości obciążenia wgłębnika, ale z wyłączeniem okresu relaksacji (pełzania). Z tych badań uzyskano wykresy zależności obciążenia od przemieszczenia, które połączono w wykresy na rysunku 3 dla próbek akrylowych i miedzianych. W miarę zmniejszania szybkości obciążania wgłębnika z 10 do 1 µm/min, krzywa obciążenie-przemieszczenie przesuwała się stopniowo w kierunku większych głębokości penetracji zarówno dla akrylu jak i miedzi. Taki zależny od czasu wzrost odkształcenia wynika z efektu lepkosprężystego pełzania materiałów. Niższa prędkość obciążenia pozwala materiałowi lepkosprężystemu mieć więcej czasu na reakcję na naprężenia zewnętrzne, których doświadcza i odpowiednio się odkształcić...

Na rysunku 4 przedstawiono ewolucję obciążenia przy stałym odkształceniu z zastosowaniem różnych szybkości obciążania wgłębnego dla obu badanych materiałów. Obciążenie malało z większą prędkością we wczesnych etapach relaksacji (100-sekundowy okres wstrzymania) badań i zwolniło po osiągnięciu czasu wstrzymania ~50 sekund. Materiały lepkosprężyste, takie jak polimery i metale, wykazują większą szybkość utraty obciążenia, gdy są poddawane wyższym wartościom obciążenia wgłębnego. Szybkość utraty obciążenia podczas relaksacji wzrosła z 51,5 do 103,2 mN dla akrylu i z 15,0 do 27,4 mN dla miedzi, odpowiednio, gdy szybkość obciążenia wgłębnika wzrosła z 1 do 10 µm/min, jak podsumowano w Rysunek 5.

Jak wspomniano w normie ASTM E328ii, głównym problemem napotykanym w badaniach relaksacji naprężeń jest niemożność utrzymania przez urządzenie stałej wartości odkształcenia/głębokości. Tester mechaniczny Nanovea zapewnia bardzo dokładne pomiary relaksacji naprężeń dzięki możliwości zastosowania zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego sterującego głębokością pomiędzy szybko działającym siłownikiem piezoelektrycznym a niezależnym kondensatorowym czujnikiem głębokości. Podczas etapu relaksacji, piezoelektryczny siłownik reguluje wgłębnik w celu utrzymania stałej głębokości w czasie rzeczywistym, podczas gdy zmiana obciążenia jest mierzona i rejestrowana przez niezależny, precyzyjny czujnik obciążenia.

PODSUMOWANIE

Za pomocą modułu nanoindentacji Nanovea Mechanical Tester zmierzono relaksację naprężeń w próbce akrylowej i miedzianej przy różnych prędkościach obciążenia. Większa głębokość maksymalna jest osiągana podczas wgłębiania przy niższych prędkościach obciążania ze względu na efekt pełzania materiału podczas obciążania. Zarówno próbka akrylowa jak i miedziana wykazują zachowanie relaksacyjne, gdy pozycja wgłębnika przy docelowym maksymalnym obciążeniu jest utrzymywana na stałym poziomie. Większe zmiany strat obciążenia w fazie relaksacji zaobserwowano dla prób z wyższymi prędkościami obciążenia wgłębnika.

Testy relaksacji naprężeń wykonane przez Nanovea Mechanical Tester pokazują zdolność urządzenia do ilościowego i wiarygodnego pomiaru zależnego od czasu zachowania lepkosprężystego materiałów polimerowych i metalowych. Posiada niezrównaną wielofunkcyjność modułów Nano i Micro na jednej platformie. Moduły kontroli wilgotności i temperatury mogą być sparowane z tymi urządzeniami w celu zapewnienia możliwości prowadzenia badań środowiskowych w szerokim zakresie branż. Zarówno moduły Nano jak i Micro zawierają tryby do badania zarysowań, twardości i zużycia, zapewniając najszerszy i najbardziej przyjazny dla użytkownika zakres możliwości badań mechanicznych dostępnych w jednym urządzeniu.