[論文レビュー] Use of Digital Image Correlation to study the effect of temperature on the development of plastic instabilities in a semi-crystalline polymer

Laurent Farge, Stéphane André+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2018

Polymer crystallization and properties参考文献 43被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、3次元デジタル画像相関（DIC）を用いて高密度ポリエチレン（HDPE）の温度依存性塑性不安定性を分析した。60 °C未満ではひずみ局在化が温度上昇に伴い減少するが、60 °Cを超えると第二の降伏点（E_Y₂）が現れ、層状構造破壊の開始を示し、温度に依存しない臨界ひずみ閾値を示す。ネック安定化はひずみ駆動メカニズムに従い、Haward-Thackrayモデルと一致する。

ABSTRACT

The plastic deformation processes that occur in a tensily deformed High Density Polyethylene specimen were studied from full-field strain and strain rate measurements obtained by 3D DIC (Digital Image Correlation).The tensile tests were performed every 10{\ extdegree}C from room temperature to 120{\ extdegree}C . For temperatures below 60{\ extdegree}C , it is shown that the strain localization effect becomes less pronounced when the temperature increases. For temperatures higher than 60{\ extdegree}C , the material is found to exhibit double yielding behavior. By analyzing the DIC data in Lagrangian representation, it was possible to quantitatively highlight the strain localization effect that is specifically associated with the second yield. The second yield strain (E_{Y_2}) was measured and appeared to be independent of temperature. For temperatures smaller than 60{\ extdegree}C , it was found that the threshold strain corresponding to (E_{Y_2}) also marks the onset of the deformation process phase during which the volume strain strongly increases. Based on previous studies of our research team and on literature we concluded that the critical strain (E_{Y_2}) corresponds to the onset of the lamellar morphology destruction. At high strain levels, the neck stabilization phase was shown to proceed according to a strain driven scheme characterized by threshold strains that are temperature independent. The experimental values of the threshold strain marking the onset of the stabilization phase are found to be in good agreement with those found using the Haward-Thackray model.

研究の動機と目的

• 半結晶性ポリマー（HDPEを含む）における温度の影響が塑性不安定性に与える影響を調査すること。
• 全フィールド測定を用いて、広い温度範囲におけるひずみ局在化と変形進化を定量すること。
• 臨界ひずみ閾値を用いて層状構造の破壊の開始を同定すること。
• 実験的閾値ひずみがネック安定化のHaward-Thackrayモデルとの整合性を評価すること。

提案手法

• 引張試験中に全フィールドひずみおよびひずみ率分布を取得するために、3次元デジタル画像相関（DIC）が用いられた。
• 引張試験は室温から120 °Cまで10 °Cごとの間隔で実施された。
• DICデータはラグランジュ的表現で解析され、変形進化とひずみ集中の局在化を追跡した。
• 第二の降伏ひずみ（E_Y₂）が定量的に測定され、微細構造的変化と相関づけられた。
• ネック安定化のための閾値ひずみが抽出され、Haward-Thackrayモデルの予測と比較された。
• 本研究では、実験的DICデータと先行研究を統合し、層状構造破壊の開始を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 引張変形中のHDPEにおける温度上昇がひずみ局在化の発達に与える影響は何か？
• RQ2 第二の降伏点（E_Y₂）は、塑性不安定性および微細構造的変化の開始に果たす役割は何か？
• RQ3 HDPEにおけるネック安定化のための閾値ひずみは温度に依存するか？
• RQ4 実験的に測定されたネック安定化のための閾値ひずみは、Haward-Thackrayモデルの予測と一致するか？
• RQ5 E_Y₂の物理的意味は、層状構造破壊の観点から何を示しているか？

主な発見

• 60 °C未満では、温度上昇に伴いひずみ局在化の影響が減少する。
• 60 °Cを超えると、HDPEは二重降伏挙動を示し、明確な第二の降伏点（E_Y₂）が観察される。
• 第二の降伏ひずみ（E_Y₂）は温度に依存せず、体積ひずみの著しい増加の開始を示す。
• E_Y₂は、層状構造の微細構造破壊が開始する臨界ひずみに対応する。
• ネック安定化は、温度に依存しない閾値ひずみを示すひずみ駆動メカニズムに従う。
• 実験的に測定されたネック安定化のための閾値ひずみは、Haward-Thackrayモデルの予測と良好に一致する。