[논문 리뷰] 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 André외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 30.

Polymer crystallization and properties참고 문헌 43인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)에서 온도에 따라 변화하는 영역의 플라스틱 불안정성을 분석하기 위해 3D 디지털 영상 상관분석(DIC)을 사용한다. 연구 결과, 60 °C 이하에서는 변형 국소화가 온도 상승에 따라 감소하는 반면, 60 °C 이상에서는 제2 인장점(E_Y₂)이 나타나며, 이는 층상 구조 파손의 시작을 나타내고 온도에 영향을 받지 않는 임계 변형률을 보이며, 목 부분 안정화 메커니즘은 변형 주도 메커니즘으로서 Haward-Thackray 모델과 일치함을 밝혀냈다.

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.

연구 동기 및 목표

• 반응성 고체 폴리머인 HDPE와 같은 반결정성 고분자에서 온도의 영향을 조사하기 위해.
• 전장 측정을 통해 다양한 온도 범위에서 변형 국소화와 변형 진화를 정량화하기 위해.
• 임계 변형률 임계값을 통해 층상 구조의 파손 시작 시점을 규명하기 위해.
• 실험적으로 측정한 임계 변형률이 목 부분 안정화에 대한 Haward-Thackray 모델 예측과 일치하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 인장 시험 중 전장 변형률 및 변형률 속도 분포를 확보하기 위해 3D 디지털 영상 상관분석(DIC)이 사용됨.
• 실온부터 120 °C까지 10 °C 간격으로 인장 시험 수행됨.
• 변형 진화 추적 및 변형 농축 지역 규명을 위해 DIC 데이터는 라그랑주 기준으로 분석됨.
• 제2 인장 변형률(E_Y₂)은 정량적으로 측정되었고, 구조적 변화와 상관관계 분석됨.
• 목 부분 안정화를 위한 임계 변형률이 추출되어 Haward-Thackray 모델의 예측과 비교됨.
• 실험적 DIC 데이터와 이전 문헌을 통합하여 층상 구조 파손의 시작 시점을 해석함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인장 변형 중 HDPE에서 온도가 변형 국소화 형성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 제2 인장점(E_Y₂)이 플라스틱 불안정성 및 구조적 변화의 시작에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ3 HDPE에서 목 부분 안정화의 임계 변형률은 온도에 따라 달라지는가?
• RQ4 목 부분 안정화의 실험적 임계 변형률은 Haward-Thackray 모델의 예측과 일치하는가?
• RQ5 E_Y₂는 층상 구조 파손 측면에서 물리적 의미가 무엇인가?

주요 결과

• 60 °C 이하에서는 온도 상승에 따라 변형 국소화 효과가 감소함.
• 60 °C 이상에서는 HDPE가 이중 인장 거동를 보이며, 뚜렷한 제2 인장점(E_Y₂)이 관찰됨.
• 제2 인장 변형률(E_Y₂)은 온도에 영향을 받지 않으며, 체적 변형률 급격한 증가의 시작을 나타냄.
• E_Y₂는 층상 구조의 파손이 시작되는 임계 변형률과 일치함.
• 목 부분 안정화 과정은 온도에 영향을 받지 않는 임계 변형률을 가진 변형 주도 메커니즘으로 진행됨.
• 실험적으로 측정한 목 부분 안정화 임계 변형률은 Haward-Thackray 모델의 예측과 양호한 일치를 보임.