INDENTAREA - nouă metodologie pentru caracterizarea mecanică a materialelor polimerice

Indentarea este o metodă de testare care are la bază principiile utilizate la determinarea durităţii materialelor metalice. În ultimii ani metodele de indentare au fost dezvoltate şi aplicate pentru determinarea modulului de elasticitate şi a durităţii materialelor plastice, filmelor polimerice, cauciucului etc. În funcţie de domeniul analizat, testele de amprentare permit obţinerea proprietăţilor viscoelasto-plastice la scara macro – micro– sau nano-meterică.

Din punct de vedere practic, în domeniul materialelor polimerice, caracterizarea prin indentare prezintă un avantaj major faţă de metodele clasice de testare pe epruvete standardizare şi anume, testarea se poate face direct pe piesele finite. Acest avantaj este cu atât mai important cu cât metodele de prelucrare alterează semnificativ comportarea originală a materialelor polimerice.

Figura 1, prezintă răspunsul unui material în timpul unui test de indentare, curba forţă – deplasare. Forţa aplicată pe indentor creşte continuu în tipul fazei de încărcare, este menţinută constantă la valoarea maxima, , în timpul fazei de menţinere şi descreşte la zero în faza de descărcare. În funcţie de tipul problemei studiate, faza de menţinere poate să fie prezentă sau nu. Faza de menţinere poartă şi numele de fluaj, adâncimea de indentare variază în timp, forţa fiind constantă. Adâncimea maximă se obţine pentru valoarea maximă a forţei aplicată, . Datorită deformaţiilor plastice, după descărcarea completă, se obţine o adâncime reziduală, permanentă, .

FIGURA 1. Curba forţă-deplasare pentru un test de indentare

Pe baza curbei de încărcare-descărcare   se pot determina o serie de mărimi care permit caracterizarea viscoelasto-plastică a unui material polimeric, şi anume [10]:

• Duritatea la indentare

(Pa), (1)

unde reprezintă forţa maximă de amprentare, este proiecţia ariei suprafeţei de contact corespunzătoare forţei maxime (Tabelul 1).

• Modulul de indentare se determină ţinând seama de proprietăţile indentorului () şi coeficientul lui Poisson pentru materialul testat, , după cum urmează

(2)

în care modulul redus se calculează cu relaţia

(Pa), (3)

unde reprezintă factorul geometric de corecţie pentru indentor.

• Duritatea Vickers

în Vickers (Kgf/mm²) (4)

• Duritatea Martens

(5)

unde reprezintă aria suprafeţei de contact (Tabelul 1).

Tabelul 1. Aria suprafeţei de contact pentru două tipuri de indentoare

Adâncimea de contact, , poate fi obţinută folosind metoda tangentei sau metoda Oliver&Pharr [10]. Conform metodei tangentei porţiunea superioară a curbei de descăarcare este extrapolată astfel încât să intersecteze abscisa în punctul , adâncimea de contact fiind dată de relaţia

 (6)

unde reprezintă un factor dependent de geometria indentorului.

Conform metodei Oliver & Pharr, adâncimea de contact este dată de relaţia

, (7)

unde

(8)

în care S reprezintă panta curbei de descărcăre calculată pentru . În cazul metodei Oliver & Pharr, curba de descărcare este descrisă de o lege putere [ ].

Aplicaţie – Indentarea polimetacrilatul de metil (PMMA)

În figura 2 se prezintă curba forţă-deplasare obţinută pentru polimetacrilatul de metil (PMMA). Testele de indentare au fost realizate pe un echipament CSM Micro Indentation Tester (MHT) la Universitatea Tor Vergata din Roma, folosind un indentor Vickers. Determinarea experimentală a curbei de indentare s-a făcut în următoarele condiţii: forţa maximă 1000 mN, viteza de încărcare 4000mN, viteza de descărcare 4000 mN, timpul de menţinere 120 secunde. De asemenea, în figura 2 se prezintă şi curba de fluaj obtinuţă în faza de menţinere. În Tabelul 2 sunt prezentate principalele mărimi extrase pe baza curbei de indentare prezentată în figura 2.

Pe baza curbei de indentare s-au extras şi informaţiile referiroare la deformaţiile elastice şi plastice, şi anume: lucrul mecanic elastic , eliberat în timpul descărcării, şi lucrul mecanic plastic, , care caracterizează energia disipată în timpul indentării plus energia reziduală din zona de ampentare.

FIGURA 2. Curba Forţa-deplasare de indentare pentru PMMA

Tabelul 2. Parametri obţinuţi prin indentare pentru PMMA

Testele de indentare permit extragerea proprietăţilor viscoelasto-plastice la scara macro – micro– sau nano-meterică direct de pe piesele finite. Utilizarea acestei metode de testare va avea un impact major deoarece permite eliminarea discrepanţelor dintre proprietăţile determinate experimental în laborator şi proprietăţile pieselor finite.

___________________________________________________________________________

Felicia Stan conf. dr. ing., Cătălin Fetecău prof. dr. ing Universitatea Dunărea de Jos din Galaţi, Facultatea de Mecanică

___________________________________________________________________________

Bibliografie

A.C. Fischer-Cripps, Nanoindentation, 2nd Ed, New York, Springer-Verlag, 2004.

____________________________________________________________________________