INTRODUÇÃO

Os materiais viscoelásticos são caracterizados por possuírem propriedades tanto viscosas quanto elásticas. Estes materiais estão sujeitos a uma diminuição da tensão dependente do tempo (stress 'relaxation') sob tensão constante, levando a uma perda significativa da força de contato inicial. O relaxamento de tensão depende do tipo de material, da textura, da temperatura, da tensão inicial e do tempo. A compreensão do relaxamento de tensão é fundamental na seleção de materiais ideais que tenham a força e a flexibilidade (relaxamento) necessárias para aplicações específicas.

Importância da Medição do Relaxamento de Estresse

De acordo com a norma ASTM E328i, "Standard Test Methods for Stress Relaxation for Materials and Structures" (Métodos de teste padrão para relaxamento de tensão em materiais e estruturas), uma força externa é aplicada inicialmente em um material ou estrutura com um indentador até atingir uma força máxima predeterminada. Quando a força máxima é atingida, a posição do indentador é mantida constante nessa profundidade. Em seguida, a alteração na força externa necessária para manter a posição do indentador é medida em função do tempo. A dificuldade no teste de relaxamento de tensão é manter a profundidade constante. O testador mecânico da Nanovea nanoindentação O módulo mede com precisão o relaxamento da tensão aplicando um controle de loop fechado (feedback) da profundidade com um atuador piezoelétrico. O atuador reage em tempo real para manter a profundidade constante, enquanto a alteração na carga é medida e registrada por um sensor de carga altamente sensível. Esse teste pode ser realizado em praticamente todos os tipos de materiais sem a necessidade de requisitos rigorosos de dimensão da amostra. Além disso, vários testes podem ser realizados em uma única amostra plana para garantir a repetibilidade do teste

OBJETIVO DA MEDIÇÃO

Nesta aplicação, o módulo de nanoindentação do Nanovea Mechanical Tester mede o comportamento de relaxamento de tensão de uma amostra de acrílico e cobre. Mostramos que a Nanovea Testador Mecânico é uma ferramenta ideal para avaliar o comportamento viscoelástico dependente do tempo de materiais poliméricos e metálicos.

CONDIÇÕES DE TESTE

O relaxamento de tensão de uma amostra de acrílico e cobre foi medido pelo módulo de nanoindentação do Nanovea Mechanical Tester. Diferentes taxas de carga de indentação foram aplicadas variando de 1 a 10 µm/min. O relaxamento foi medido a uma profundidade fixa, uma vez atingida a carga máxima desejada. Um período de retenção de 100 segundos foi implementado a uma profundidade fixa e a mudança na carga foi registrada conforme o tempo de retenção transcorrido. Todos os testes foram realizados em condições ambientais (temperatura ambiente de 23 °C) e os parâmetros do teste de indentação estão resumidos na Tabela 1.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Figura 2 mostra a evolução do deslocamento e da carga em função do tempo durante a medição do relaxamento de tensão de uma amostra de acrílico e uma taxa de carga de indentação de 3 µm/min, como exemplo. A totalidade deste teste pode ser decomposta em três etapas: Carregamento, Relaxamento e Descarregamento. Durante a fase de Carregamento, a profundidade aumentou linearmente à medida que a carga aumentava progressivamente. O estágio de Relaxamento foi iniciado assim que a carga máxima foi atingida. Durante este estágio, uma profundidade constante foi mantida por 100 segundos usando o recurso de controle de profundidade do circuito fechado de feedback do instrumento e foi observado que a carga diminuiu ao longo do tempo. Todo o teste foi concluído com uma etapa de descarga a fim de remover o indentro da amostra de acrílico.

Testes adicionais de indentação foram conduzidos utilizando as mesmas taxas de carga indentada, mas excluindo um período de relaxamento (creep). Os lotes de carga vs. deslocamento foram adquiridos destes testes e foram combinados nos gráficos da Figura 3 para as amostras de acrílico e cobre. Como a taxa de carga indentada diminuiu de 10 para 1 µm/min, a curva de carga-deslocamento se deslocou progressivamente para profundidades de penetração mais altas tanto para Acrílico como para Cobre. Tal aumento de tensão dependente do tempo resulta do efeito de fluência viscoelástica dos materiais. Uma menor taxa de carga permite que um material viscoelástico tenha mais tempo para reagir à tensão externa que experimenta e para deformar de acordo...

A evolução da carga a uma tensão constante usando diferentes taxas de carga de recuo foram plotadas na Figura 4 para ambos os materiais testados. A carga diminuiu a uma taxa maior nos estágios iniciais da fase de relaxamento (período de retenção de 100 segundos) dos testes e diminuiu uma vez que o tempo de retenção atingiu ~50 segundos. Materiais viscoelásticos, tais como polímeros e metais, apresentam maior taxa de perda de carga quando são submetidos a taxas de carga de indentação mais altas. A taxa de perda de carga durante o relaxamento aumentou de 51,5 para 103,2 mN para Acrílico, e de 15,0 para 27,4 mN para Cobre, respectivamente, à medida que a taxa de carga de indentação aumentou de 1 para 10 µm/min, conforme resumido em Figura 5.

Como mencionado na Norma ASTM E328ii, o principal problema encontrado nos testes de relaxamento de estresse é a incapacidade do instrumento de manter uma tensão/profundidade constante. O Testador Mecânico Nanovea proporciona excelentes medições precisas de relaxamento de tensão devido a sua capacidade de aplicar um controle fechado de loop de realimentação da profundidade entre o atuador piezoelétrico de ação rápida e o sensor de profundidade do capacitor independente. Durante o estágio de relaxamento, o atuador piezoelétrico ajusta o indentro para manter sua constante restrição de profundidade em tempo real enquanto a mudança de carga é medida e registrada por um sensor de carga independente de alta precisão.

CONCLUSÃO

O relaxamento de tensão de uma amostra de acrílico e cobre foi medido usando o módulo de nanoindentação do Nanovea Mechanical Tester a diferentes taxas de carga. Uma profundidade máxima maior é atingida quando as reentrâncias são realizadas com taxas de carga menores devido ao efeito de rastejamento do material durante a carga. Tanto o acrílico quanto a amostra de cobre apresentam comportamento de relaxamento de tensão quando a posição de indentação a uma carga máxima alvo é mantida constante. Maiores mudanças na perda de carga durante a fase de relaxamento foram observadas para os testes com maiores taxas de carga de indentação.

O teste de relaxamento de tensão produzido pelo Nanovea Mechanical Tester mostra a capacidade dos instrumentos de quantificar e medir de forma confiável o comportamento viscoelástico dependente do tempo dos materiais de polímeros e metais. Ele possui um Nano e Micro módulos multifuncionais inigualáveis em uma única plataforma. Os módulos de controle de umidade e temperatura podem ser emparelhados com estes instrumentos para capacidades de testes ambientais aplicáveis a uma ampla gama de indústrias. Ambos os módulos Nano e Micro incluem testes de arranhões, testes de dureza e modos de testes de desgaste, proporcionando a mais ampla e mais amigável gama de capacidades de testes mecânicos disponíveis em um único sistema.