KOHESIVA LAGAR I SKJUVNING EN EXPERIMENTELL METOD MED PLASTICERANDE ADHERENDER

Transkript

1 KOHESIVA LAGAR I SKJUVNING EN EXPERIMENTELL METOD MED PLASTICERANDE ADHERENDER Tomas Walander 1 1 Materialmekanik, Högskolan i Skövde, Box 408, Skövde, e-post: tomas.walander@his.se Bild 1

2 END NOTCH FLEXURE-PROVSTAV (ENF) Används för att bestämma limfogars kohesiva egenskaper i skjuvbelastning. Två delvis limmade adherender som belastas symmetriskt i trepunktsböjning. Genom att experimentellt mäta energifrigörelsehastigheten, J, kan limmets kohesiva egenskaper bestämmas. Den kohesiva lagen, dvs. spännings- mot deformations-samband ges av 2 Odeformerad ENF-provstav Deformerad ENF-provstav Bild 2

3 METOD I FÖR ENF-PROVSTAV Eftersom kan energifrigörelsehastigheten uppmätas till Ekv. (1) kräver att adherenderna deformeras elastiskt under experimentet samt att limmets processzon ryms mellan sprickspets och lastangreppspunkt. Längden på processzonen kan uppskattas med.. (1) a) ENF-provstaven tenderar till att vara instabil för spricklängder 0.35 L (LEFM) F/F max F/F max L Stabil L Instabil / max / max a) ALFREDSSON, K. S. (2004). CONSTITUTIVE BEHAVIOUR AND FRACTURE OF ADHESIVE LAYERS (PHD THESIS). CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA, GÖTEBORG. Bild 3

4 DIMENSIONERINGSEXEMPEL Ansätt för att vara konservativ vilket ger Lim med hög brottenergi och hög skjuvstyrka 30 kj/m 2, 40 MPa ger 1500 µm Linjär-elastiskt stål 200 GPa, 60mm Bi-linjär kohesiv lag Krav på elasticitet, stabilitet samt krav på processzonens längd ger L > 2.19 m. Den kraft för att skapa sprickpropagering, 70 kn för detta exempel. Om kravet på elasticitet kan överges skulle en betydligt mindre provkropp kunna användas vilket även skulle kräva en mindre provmaskin. Bild 4

5 METOD II, J-INTEGRALEN Metod för att bestämma energifrigörelsehastighet en icke-linjär elastisk provkropp med en skarp spricka. d d Summera töjningsenergier runt en godtycklig integrationsväg, C. Om avstånd är så pass stort att töjningarna på den högra randen kan försummas ger integrationsväg den slutna lösningen b) 1 sin sin sin b) U. STIGH, K.S. ALFREDSSON, A. BIEL. MEASUREMENT OF COHESIVE LAWS AND RELATED PROBLEMS. PROCEEDINGS OF THE ASME INTERNATIONAL MECHANICAL ENGINEERING CONGRESS AND EXPOSITION, IMECE2009. ISBN Bild 5

6 JÄMFÖRELSER, METOD I & II Metod II gäller för icke-linjära, elastiska, adherender, metod I enbart för linjär-elastiska. För att avgöra om ett material har plasticerat måste det avlastas. Metod II är således även giltig ickelinjära plastiska material förutsatt att ingen avlastning sker. Metod II är en sluten, materialoberoende, lösning vilket innebär att den kohesiva lagen kan uppmätas utan att veta spännings-töjningssambandet för adherendmaterialet. En mindre nackdel med metod II är att provkroppen plasticerat och måste kasseras efter experimentet, provkropparna i metod I kan återanvändas. För att undvika avlastning väljs ett stål med stort hårdnande, Uddeholm Rigor. Metod II kräver ytterligare mätning av tre rotationer, förutom, och. Bild 6

7 FEM-JÄMFÖRELSE, METOD I & II 40MPa = 30 kj/m 2 Bi-linjär kohesiv lag 2.8 m. Höjden varieras för att styra mängden plasticitet Bild 7

8 UTFÖRT EXPERIMENT, METOD II Verifiera att metod I och II ger liknande kohesiv lag Provstavsdimensioner L = 200 mm B = 5.88 mm h = mm t = 0.27 mm d= 20 mm c = 50 mm a = 70 (+20) mm Asymmetrisk lastangreppspunkt med = 0.7 Optiskt mätsystem för att mäta rotationerna c) Epoxilim: SikaPower µm/s 60 mm 140 mm c) WALANDER. T. (2009). SYSTEM FOR MEASUREMENT OF COHESIVE LAWS. M.SC. THESIS, UNIVERISTY OF SKÖVDE, SWEDEN Bild 8

9 RESULTAT EXPERIMENT, METOD II Resultat från c) c) WALANDER. T. (2009). SYSTEM FOR MEASUREMENT OF COHESIVE LAWS. M.SC. THESIS, UNIVERISTY OF SKÖVDE, SWEDEN Bild 9

10 SLUTSATSER En materialoberoende, sluten, lösning för att bestämma energifrigörelsehastigheten i skjuvning för en ENF provstav är utvärderad. Metoden är verifierad både med finita element-simuleringar samt med experimentella resultat. Metoden är giltig även ifall ENF-provstaven plasticerat, förutsatt att avlastning ej sker innan sprickpropagering vilket FEM-analyserna påvisar. Epoxilimmet SikaPower 498 har enligt den nya metoden en brottenergi på 12.9 kj/m 2 samt en maximal skjuvspänning på 37.3 MPa. Detta baseras på 0.27 mm i limtjocklek. Liknande experimentella resultat är erhållna med metod I. Metod II är att föredra på grund av svårigheter vid att få en jämn limfog vid tillverkning av stora provstavar. Bild 10

11 TACK, FRÅGOR? KOHESIVA LAGAR I SKJUVNING EN EXPERIMENTELL METOD MED PLASTICERANDE ADHERENDER Tomas Walander 1 1 Materialmekanik, Högskolan i Skövde, Box 408, Skövde, e-post: tomas.walander@his.se Bild 11

12 KOHESIVA MATERIAL DEFORMATIONSMODER,,, Mod I. Fläkning Mod II. Skjuvning Bild 12

13 FEM-JÄMFÖRELSE, METOD I & II Höjden ökas så att processzonen blir för stor för att rymmas i L 2.8 m. Höjden varieras för att styra mängden plasticitet Med 100 mm blir L Detta medför att metod I ej kan återge indata medans metod II verkar oberörd av detta. Bild 13

14 RESULTAT EXPERIMENT, METOD II Resultat Figure 10: Energy release rate (left) and cohesive stress (right) vs. shear deformation of the adhesive layer. Solid lines: experiment with elastically deforming adherends, i.e. the results are given by Eq. (3) and (4). Dotted lines: experiment with plastically deforming adherends, i.e. the results is given by Eq. (4) and Eq. (5). Bild 14