modulo: Proprietà viscoelastiche e proprietà meccaniche dei polimeri Introduzione alle proprietà meccaniche R. Pantani Sforzo e deformazione (stress and strain) lo sforzo è il rapporto tra la forza e la superficie su cui tale forza agisce la deformazione è la variazione relativa di una delle dimensioni dell’oggetto != l ! lo "l = lo lo lo l Sforzo ingegneristico (Engineering Stress) • Sforzo di Trazione, $: Ft • Sforzo di Taglio, ": Ft Area, A Area, A Ft Ft lb f N = 2 o $! = 2 in m Ao Area iniziale prima del carico F Fs Fs F "# = s Ao F Ft ! Unità di misura dello sforzo: N/m2 o lbf/in2 Stati semplici di carico • Trazione Semplice: cavo F F A o = area della sezione (prima del carico) F $! =! $! Ao $! • Torsione (un particolare sforzo di taglio): albero di trasmissione M Ac M 2R Fs Ao Fs "! =! Ao Nota: " = M/AcR. ! • Compressione Semplice : Ao F $! =! Ao Nota: lo sforzo di compressione è negativo ($ < 0). • tensione Bi-assiale: • Compressione Idrostatica $!%! > 0! $!z !> 0! $ h < 0# Deformazione Ingegneristica • Deformazione a Trazione: • Deformazione Laterale )!/2 (! =! )! Lo wo !!)!L (L! =! wo Lo )!L /2 • Deformazione a Taglio: %! ' = &x/y = tan %! &x 90º - % y 90º La deformazione è Adimensionale. Proprietà elastiche lineari • Modulo di elasticità, E: (noto anche come modulo di Young) • Legge di Hooke: $ = E (# $! F E! Elastico- ! lineare! (! F prova semplice a trazione Coefficiente (o modulo) di Poisson, *# • Coeff. di Poisson, *: (L! (L! ! *!=!!! (! metalli: * ~ 0.33 ceramiche: * ~ 0.25 polimeri: * ~ 0.40 Unità di misura: E: [GPa] o [psi] *: adimensionale (! -!*! solitamente compreso fra 0 e 0.5 0.5 ! incomprimibile Per alcuni materiali può essere negativo (estensione del materiale in direzione ortogonale a quella di sollecitazione) Altre proprietà elastiche • Modulo elastico di taglio, G: "! M G! '! " = G '# • Modulo elastico di volume (di Bulk), K: &V ! P = -K Vo M P! K! • Relazioni per materiali isotropi: E! G! =! 2(1 + *)! prova di torsione semplice E! K!=! 3(1 ! 2*)! &V ! ! P V!o! P P pressure test: Init. vol =Vo. Vol chg. = &V Moduli elastici: tabella comparativa Grafite Leghe e Ceramiche Polimeri metalli Semicond 1200 10 00 800 600 400 E(GPa) 200 10 0 80 60 40 109 Pa Diamond Tungsten Molybdenum Steel, Ni Tantalum Platinum Cu alloys Zinc, Ti Silver, Gold Aluminum Magnesium, Tin Si carbide Al oxide Si nitride Carbon fibers only C FRE(|| fibers)* <111> Si crystal Aramid fibers only <100> A FRE(|| fibers)* Glass -soda Glass fibers only G FRE(|| fibers)* Concrete GFRE* 20 10 8 6 4 2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 Compositi /fibre CFRE * G FRE( fibers)* G raphite Polyester PET PS PC C FRE( fibers) * AFRE( fibers) * Epoxy only PP HDP E PTF E LDPE Wood( grain) Based on data in Table B2, Callister 7e. Composite data based on reinforced epoxy with 60 vol% of aligned carbon (CFRE), aramid (AFRE), or glass (GFRE) fibers. relazioni elastiche lineari utili • trazione semplice: )! =! FL!o! )! =!!!*!Fw!o! L! E!A!o! E!A!o! F! M = momento torcente +!= angolo di torsione )!/2 A!o! wo )!L /2 • torsione semplice: 2M ! L!o! +!=! 4! ,!r!o!G! Lo Lo 2ro • I parametri del materiale, quelli geometrici, ed il carico contribuiscono alla deformazione. • All’aumentare del modulo, si riducono le deformazioni. Deformazioni plastiche (permanenti) • Prova di trazione semplce: Elastica+Plastica a sforzi elevati sforzo ingegneristico, $ Tratto iniziale elastico permanente (plastica) quando lo sforzo ritorna a zero (p! deformazione ingegneristica, ( deformazione plastica Resistenza allo snervamento Yield Strength, $y • Sforzo al quale si osserva una chiara deformazione plastica. quando (p = 0.002 sforzo di trazione, $! $y! $y = yield strength Note: per un campione di 2cm ( = 0.002 = &z/z deformazione, (! (!p = 0.002 ! &z = 0.004 cm Yield Strength : Tabella di confronto Leghe e metalli 200 Al (6061) ag Steel (1020) hr Ti (pure) a Ta (pure) Cu (71500) hr 100 70 60 50 40 Al (6061) a 30 20 10 Tin (pure) ¨ dry PC Nylon 6,6 PET PVC humid PP HDPE LDPE Difficiile da misurare 300 Compositi /fibre in matrici ceramiche e compositi a matrice epossidica, poiché in trazione la rottura avviene prima dello snervamento 700 600 500 400 Ti (5Al-2.5Sn) a W (pure) Cu (71500) cw Mo (pure) Steel (4140) a Steel (1020) cd in trazione la rottura avviene prima dello snervamento 10 00 Polimeri Steel (4140) qt Difficiele da misurare, Yield strength, !$!y (MPa) 20 00 Grafite Ceramiche Semicond Dati a T ambiente Based on data in Table B4, Callister 7e. a = temperato hr = hot rolled ag = invecchiato cd = stirato a freddo cw = lavorato a freddo qt = raffreddato rapidamente & temprato Resistenza a trazione Tensile Strength, TS • Massimo sforzo raggiunto sul diagramma sforzo-deformazione. TS F = frattura o limite di resistenza (ultimate strength) sforzo ingegneristico $y Typical response of a metal! strain deformazione ingegneristica strizione (neck) – fa aumentare lo sforzo • Metalli: avviene quando si osserva una strizione (necking). • Polimeri: avviene quando le catene sono allineate Resistenza a trazione: tab. di confronto Leghe e metalli Tensile strength, TS ! (MPa) 5000 3000 2000 1000 300 200 100 40 30 20 Grafite Ceramiche Semicond Polimeri Compositi /fibre C fibers Aramid fib E-glass fib Steel (4140) qt Diamond W (pure) Ti (5Al-2.5Sn)aa Steel (4140)cw Si nitride Cu (71500) Cu (71500) hr Al oxide Steel (1020) ag Al (6061) a Ti (pure) Ta (pure) Al (6061) a Si crystal <100> Glass-soda Concrete Graphite A FRE(|| fiber) GFRE(|| fiber) CFRE(|| fiber) Dati a T ambiente Nylon 6,6 PC PET PVC PP HDPE wood(|| fiber) GFRE( fiber) CFRE( fiber) A FRE( fiber) LDPE 10 wood ( 1 fiber) Based on data in Table B4, Callister 7e. a = temperato hr = hot rolled ag = invecchiato cd = stirato a freddo cw = lavorato a freddo qt = raffreddato rapidamente & temprato AFRE, GFRE, & CFRE = compositi epossidici a base di fibre aramidiche, di vetro, & di carbonio al 60 vol% di fibre. Duttilità (ductility) • Deformazione plastica a trazione al punto di rottura: Sforzo a trazione ingegn., $! L!f! !!L!o! x 100! %!EL! =! L!o! smaller %EL larger %EL Lo Ao Af Deformazione a trazione ing., (! • Un’altra misura di duttilità: %RA = Ao - Af x 100 Ao Lf Tenacità (Toughness) • Energia necessaria per rompere un volume unitario di materiale • Approssimata dall’area sottesa alla curva sforzo-deformazione Sforzo di! trazione! ing., $ !! bassa tenacità (ceramiche)! alta tenacità (metalli) ! bassissima tenacità! (polimeri non rinforzati) ! Deformazione a trazione ing., (! Frattura fragile: energia elastica Frattura duttile: energia plastica+elastica Resilienza (Resilience), Ur •! Capacità di un materiale di immagazzinare energia –! l’energia viene immagazzinata soprattutto nella regione elastica Ur = ! "y 0 #d" Se assumiamo un andamento lineare fra sforzo e deformazione, si ottiene 1! Ur!! -! $!y!(!y! 2! Sforzo e deformazione reali True Stress & Strain Nota: La sezione cambia se il campione è deformato •! Sforzo reale !T = F Ai "T = "(1 + ! ) •! Deformazione reale !T = ln(! i ! o ) !T = ln(1 + ! ) Indurimento (Hardening) • Aumento di $y dovuto alla deformazione plastica. !! $!y! ! 1! $!y! ! 0! elevato indurimento! basso indurimento! (! Modulo elastico a flessione • Si usa per materiali particolarmente rigidi e fragili. • Il modulo elastico si ricava dalle misure effettuate: E= F L3 3 ! 4bd rect. cross section = F L3 ! 12"R4 circ. cross section Resistenza a flessione (Flexural Strength) Schema di un 3-point bending test. cross section b L/2 R d rect. L/2 F circ. location of max tension • Resistenza a flessione: fail ! fs = ! m = 1.5FmaxL bd2 rect. = FmaxL "R3 Resistenza a flessione (Flexural Strength) •! Schema di un 3-point bending test. •! Serve a misurare il la curva sforzodeformazione per materiali particolarmente rigidi (e fragili). •! La resistenza a flessione è lo sforzo registrato alla rottura. Variabilità nelle proprietà dei materiali •! Il modulo elastico è una proprietà del materiale •! Le proprietà critiche dipendono da difetti, anche microscopici. •! Statistica n ! xn x= n –! Media –! Deviazione standard 2# &n ( ) ( x ' x i ! s=$ $ n '1 ! % " in cui n è il numero di punti 1 2