Выполнение испытаний на Y-образную резку, установленных на микроскопе
Summary
Y-образная резка измеряет масштабы длины и энергии в мягких материалах, связанные с разрушением. Предыдущие аппараты были разработаны для настольных измерений. Этот протокол описывает изготовление и использование устройства, которое ориентирует установку горизонтально и обеспечивает возможности точного позиционирования, необходимые для просмотра in situ , а также количественную оценку отказов с помощью оптического микроскопа.
Abstract
Недавно было показано, что Y-образная резка является перспективным методом, с помощью которого можно понять пороговую шкалу длины и энергию разрушения материала, а также его реакцию на разрушение в присутствии избыточной энергии деформации. Экспериментальный аппарат, используемый в этих исследованиях, был вертикально ориентирован и требовал громоздких шагов для регулировки угла между Y-образными ногами. Вертикальная ориентация запрещает визуализацию в стандартных оптических микроскопах. Этот протокол представляет собой Y-образный режущий аппарат, который устанавливается горизонтально над существующей перевернутой ступенью микроскопа, может быть отрегулирован в трех измерениях (X-Y-Z), чтобы попасть в поле зрения объектива, и позволяет легко изменять угол между ногами. Последние две функции являются новыми для этой экспериментальной техники. Представленный аппарат измеряет силу резания с точностью до 1 мН. При испытании полидиметилсилоксана (PDMS), эталонного материала для этого метода, была измерена энергия резания 132,96 Дж/м2 (угол ноги 32°, предварительная нагрузка 75 г) и установлено, что она соответствует погрешности предыдущих измерений, проведенных с вертикальной установкой (132,9 Дж/м2 ± 3,4 Дж/м2). Этот подход применим к мягким синтетическим материалам, тканям или биомембранам и может дать новое представление об их поведении во время отказа. Список деталей, файлы САПР и подробные инструкции в этой работе обеспечивают дорожную карту для легкой реализации этой мощной техники.
Introduction
Нелинейная механика сплошных сред предоставила критическую линзу, через которую можно понять концентрацию энергии, которая приводит к сбою в мягких твердых телах1. Однако точное предсказание этого сбоя также требует описания микроструктурных характеристик, которые способствуют созданию новой поверхности на кончикетрещины 2,3. Одним из методов подхода к таким описаниям является визуализация in situ наконечника трещины во время отказа 4,5. Однако притупление трещин в типичных испытаниях на трещины в дальнем поле затрудняет получение данных in situ путем распространения сильно деформированного материала, потенциально за пределами поля зрения микроскопа6. Y-образная резка предлагает уникальную альтернативу для микроструктурной визуализации, поскольку она концентрирует область большой деформации на кончике лезвия7. Кроме того, предыдущая работа нашей группы демонстрирует, что этот уникальный экспериментальный подход может дать представление о различиях в реакции на отказ между разрывом дальнего поля и условиями контактно-опосредованной нагрузки7.
Y-образный метод резки, используемый в представленном здесь аппарате, был впервые описан десятилетия назад как метод резки для натурального каучука8. Метод состоит из неподвижного лезвия, проталкивающего предварительно загруженный Y-образный испытательный образец. На пересечении «Y» находится наконечник трещины, который создается перед испытанием путем разделения части прямоугольного куска на две равные «ножки» (рисунок 1B и рисунок 2D). Основные преимущества этого метода резки включают в себя уменьшение вклада трения в измеренную энергию резания, переменную геометрию лезвия (т. Е. Ограничение геометрии наконечника трещины), контроль частоты отказов (через скорость смещения образца) и раздельную настройку резки, C и разрыва, T, энергетический вклад в общую энергию разреза G (т. Е. изменение энергии разрушения сверх порога резания)8. Последние вклады выражаются в простой, закрытой форме выражения для энергии резания9
Экн (1)
который использует экспериментально выбранные параметры, включая толщину образца, t, среднюю деформацию ноги, 
силу преднатяга, fpre и угол между ножками и осью резания, θ. Сила резания, fреза, измеряется с помощью аппарата, как описано в Zhang et al.9. Примечательно, что представленный здесь аппарат включает в себя новый, простой и точный механизм для настройки угла ноги, θ, и обеспечения центрирования образца. Хотя обе функции имеют решающее значение для установки, установленной на микроскопе, механизм может принести пользу будущим вертикальным реализациям теста на Y-образную резку, а также за счет повышения простоты использования.
Прогресс в определении соответствующих критериев разрушения для мягких твердых тел продолжается с момента раннего успеха независимой от образца геометрии разрушения, введенной Ривлином и Томасом10. Были использованы критические скорости высвобождения энергии10, законы когезивных зон11 и различные формы приближения к напряжению или энергии на расстоянии 12,13,14. Недавно Чжан и Хатченс использовали последний подход, продемонстрировав, что Y-образная резка с достаточно малым радиусом лезвий может привести к пороговым условиям разрушения для мягкого разрушения7: пороговая энергия разрушения и пороговая шкала длины для отказа, которая колеблется от десятков до сотен нанометров в однородном, высокоэластичном полидиметилсилоксане (PDMS). Эти результаты были объединены с моделированием континуума и теорией масштабирования для разработки взаимосвязи между резкой и разрывом в этих материалах, тем самым демонстрируя полезность Y-образной резки для обеспечения понимания всех режимов мягкого разрушения. Однако поведение многих классов материалов, включая диссипативные и композиционные материалы, остается неисследованным. Ожидается, что многие из них будут демонстрировать эффекты, управляемые микроструктурой, в масштабах длины выше длины волны видимого света. Поэтому в этом исследовании был разработан аппарат, который позволяет впервые получить ближнюю визуальную характеристику этих эффектов во время Y-образной резки (например, в композитах, включая мягкие ткани, или диссипативных процессов, ожидаемых на микрометре до миллиметра в масштабах15).
Protocol
Representative Results
Discussion
Горизонтальный, Y-образный режущий аппарат, о котором здесь сообщается, обеспечивает возможности визуализации in situ наряду с улучшенной простотой использования для этого метода отказа. Аппарат включает в себя модульную/портативную конструкцию для быстрого монтажа/демонтажа из ми?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы хотели бы поблагодарить д-ра Джеймса Филлипса, д-ра Эми Вагонер-Джонсон, Александру Спитцер и Амира Остади за их советы по этой работе. Финансирование поступило из стартового гранта, предоставленного Департаментом механических наук и инженерии в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн. М. Герена, Д. К. Пэн, М. Шмид и К. Уолш получили диплом старшего дизайнера за свою работу над этим проектом.
Materials
| Buy Parts | |||
| 1" OD Pulley | McMaster Carr | 3434T75 | Pulley for Wire Rope (Larger) |
| 100 g Micro Load Cell | RobotShop | RB-Phi-203 | |
| 1K Resistor | Digi-Key | CMF1.00KFGCT-ND | 1 kOhms ±1% 1 W Through Hole Resistor Axial Flame Retardant Coating, Moisture Resistant, Safety Metal Film |
| 1M Resistor | Digi-Key | RNF14FAD1M00 | 1 MOhms ±1% 0.25 W, 1/4 W Through Hole Resistor Axial Flame Retardant Coating, Safety Metal Film |
| 3/8" OD Pulley | McMaster Carr | 3434T31 | Pulley for Wire Rope |
| 4" Clear Protractor with Easy Read Markings | S&S Worldwide | LR3023 | |
| Breadboard | ECEB | N/A | |
| IC OPAMP ZERO-DRIFT 2 CIRC 8DIP | Digi-Key | LTC1051CN8#PBF-ND | |
| M2 x 0.4 mm Nut | McMaster Carr | 90592A075 | Steel Hex Nut |
| M2 x 0.4 mm x 25 mm | McMaster Carr | 91292A032 | 18-8 Stainless Steel Socket Head Screw |
| M2 x 0.4 mm x 8 mm | McMaster Carr | 91292A832 | 18-8 Stainless Steel Socket Head Screw |
| M3 x 0.5 mm x 15 mm | McMaster Carr | 91290A572 | Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw |
| M3 x 0.5 mm x 16 mm | McMaster Carr | 91294A134 | Black-Oxide Alloy Steel Hex Drive Flat Head Screw |
| M3 x 0.5 mm, 4 mm High | McMaster Carr | 90576A102 | Medium-Strength Steel Nylon-Insert Locknut |
| M4 x 0.7 mm Nut | McMaster Carr | 90592A090 | Steel Hex Nut |
| M4 x 0.7 mm x 15 mm | McMaster Carr | 91290A306 | Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw |
| M4 x 0.7 mm x 16 mm | McMaster Carr | 91294A194 | Black-Oxide Alloy Steel Hex Drive Flat Head Screw |
| M4 x 0.7 mm x 18 mm | McMaster Carr | 91290A164 | Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw |
| M4 x 0.7 mm x 20 mm | McMaster Carr | 91290A168 | Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw |
| M4 x 0.7 mm x 20 mm | McMaster Carr | 92581A270 | Stell Raised Knurled-Head Thumb Screw |
| M4 x 0.7 mm x 30 mm | McMaster Carr | 91290A172 | Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw |
| M4 x 0.7 mm x 50 mm | McMaster Carr | 91290A193 | Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw |
| M4 x 0.7 mm, 5 mm High | McMaster Carr | 94645A101 | High-Strength Steel Nylon-Insert Locknut |
| M5 x 0.8 mm Nut | McMaster Carr | 90592A095 | Steel Hex Nut |
| M5 x 0.8 mm x 16 mm | McMaster Carr | 91310A123 | High-Strength Class 10.9 Steel Hex Head Screw |
| M5 x 0.8 mm x 35 mm | McMaster Carr | 91290A195 | Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw |
| M5 x 0.8 mm, 13 mm Head Diameter | McMaster Carr | 96445A360 | Flanged Knurled-Head Thumb Nut |
| M5 x 0.8 mm, 5 mm High | McMaster Carr | 90576A104 | Medium-Strength Steel Nylon-Insert Locknut |
| Solidworks | Dassault Systemes | CAD software | |
| Wiring Kit | ECEB | N/A | |
| XYZ Axis Manual Precision Linear Stage 60 mm x 60 mm Trimming Bearing Tuning Platform Sliding Table | OpticsFocus | N/A | |
| Make Parts | |||
| Angle adjustment system- arm | 3D Printing | solidworks: arms_arm_single.SLDPRT QTY: 2 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Angle adjustment system- arms stationary | 3D Printing | solidworks: arms_stationary.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Angle adjustment system- link | 3D Printing | solidworks: arms_arm_link.SLDPRT QTY: 2 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Angle adjustment system- slider | 3D Printing | solidworks: arms_slider.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Angle adjustment system- spacer | 3D Printing | solidworks: arms_front_spacer.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Clip- Blade clip | 3D Printing | solidworks: Blade clip.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fine/0.1 mm layer height |
|
| Clip- Blade clip mount | 3D Printing | solidworks: Blade clip mount.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fine/0.1 mm layer height |
|
| Frame arm | 3D Printing | solidworks: frame arm.SLDPRT QTY: 2 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Mounting platform | Laser Cut Acrylic | solidworks: mounting platform.SLDPRT QTY: 1 |
|
| Pulley arm (left) | 3D Printing | solidworks: pulley arm_Mirror.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Pulley arm (right) | 3D Printing | solidworks: pulley arm.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Sample holder and tab- Clamp | 3D Printing | solidworks: Clamp.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Sample holder and tab- Sample holder | 3D Printing | solidworks: Sample holder.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Sample holder and tab- Tab | 3D Printing | solidworks: Tab.SLDPRT QTY: 2 per test Setting: Fine/0.1 mm layer height, no brim |
|
| Vertical adjust system- Inner slide | 3D Printing | solidworks: Inner slide.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Vertical adjust system- Outer slide | 3D Printing | solidworks: Outer slide.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
Referências
- Long, R., Hui, C. -. Y. Crack tip fields in soft elastic solids subjected to large quasi-static deformation – A review. Extreme Mechanics Letters. 4, 131-155 (2015).
- Slootman, J., et al. Quantifying rate-and temperature-dependent molecular damage in elastomer fracture. Physical Review X. 10, 041045 (2020).
- Zhao, X., et al. Soft materials by design: Unconventional polymer networks give extreme properties. Chemical Review. 121 (8), 4309-4372 (2021).
- Mzabi, S., Berghezan, D., Roux, S., Hild, F., Creton, C. A critical local energy release rate criterion for fatigue fracture of elastomers. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 49 (21), 1518-1524 (2011).
- Chen, Y., Mellot, G., Van Luijk, D., Creton, C., Sijbesma, R. P. Mechanochemical tools for polymer materials. Chemical Society Reviews. 50, 4100-4140 (2021).
- Hui, C. -. Y., Jagota, A., Bennison, S. J., Londono, J. D. Crack blunting and the strength of soft elastic solids. Proceedings of the Royal Society A Mathematical, Physical and Engineering Science. 459 (2034), 1489-1516 (2003).
- Zhang, B., Hutchens, S. B. On the relationship between cutting and tearing in soft elastic solids. Soft Matter. 17, 6728-6741 (2021).
- Lake, G. J., Yeoh, O. H. Measurement of rubber cutting resistance in the absence of friction. International Journal of Fracture. 14, 509-526 (1978).
- Zhang, B., Shiang, C. -. S., Yang, S. J., Hutchens, S. B. Y-shaped cutting for the systematic characterization of cutting and tearing. Experimental Mechanics. 59, 517-529 (2019).
- Rivlin, R. S., Thomas, A. G. Rupture of rubber. I. Characteristic energy for tearing. Journal of Polymer Science. 10 (3), 291-318 (1953).
- Elices, M., Guinea, G. V., Gómez, J., Planas, J. The cohesive zone model: Advantages, limitations and challenges. Engineering Fracture Mechanics. 69 (2), 137-163 (2002).
- Taylor, D. . The Theory of Critical Distances. , (2007).
- Williams, J. G. Stress at a distance fracture criteria and crack self-blunting in rubber. International Journal of Non-Linear Mechanics. 68, 33-36 (2015).
- Talamini, B., Mao, Y., Anand, L. Progressive damage and rupture in polymers. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 111, 434-457 (2018).
- Long, R., Hui, C. -. Y., Gong, J. P., Bouchbinder, E. The fracture of highly deformable soft materials: A tale of two length scales. Annual Review of Condensed Matter Physics. 12, 71-94 (2021).
- Gent, A. N., Wang, C. Cutting resistance of polyethylene. Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics. 34 (13), 2231-2237 (1996).
- Chen, X., Nadiarynkh, O., Plotnikov, S., Campagnola, P. J. Second harmonic generation microscopy for quantitative analysis of collagen fibrillar structure. Nature Protocols. 7, 654-669 (2015).
- Pan, B., Qian, K., Xie, H., Asundi, A. Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacement and strain measurement: A review. Measurements Science and Technology. 20 (6), 062001 (2009).
