Realização de testes de corte em forma de Y montados no microscópio

Resumo

O corte em forma de Y mede escalas de comprimento relevantes para fratura e energias em materiais macios. Aparelhos anteriores foram projetados para medições de bancada. Este protocolo descreve a fabricação e o uso de um aparelho que orienta a configuração horizontalmente e fornece as capacidades de posicionamento fino necessárias para a visualização in situ , além da quantificação de falhas, através de um microscópio óptico.

Resumo

O corte em forma de Y demonstrou recentemente ser um método promissor para entender a escala de comprimento limiar e a energia de falha de um material, bem como sua resposta à falha na presença de excesso de energia de deformação. O aparato experimental utilizado nesses estudos foi orientado verticalmente e exigiu passos pesados para ajustar o ângulo entre as pernas em forma de Y. A orientação vertical proíbe a visualização em microscópios ópticos padrão. Este protocolo apresenta um aparelho de corte em forma de Y que se monta horizontalmente sobre um estágio de microscópio invertido existente, pode ser ajustado em três dimensões (X-Y-Z) para se enquadrar no campo de visão do objetivo e permite fácil modificação do ângulo entre as pernas. As duas últimas características são novas para esta técnica experimental. O aparelho apresentado mede a força de corte com precisão de 1 mN. Ao testar o polidimetilsiloxano (PDMS), o material de referência para esta técnica, foi medida uma energia de corte de 132,96 J/m 2 (ângulo de perna de 32°, pré-carga de 75 g) e verificou-se que estava dentro do erro de medições anteriores feitas com uma configuração vertical (132,9 J/m 2 ± 3,4 J/m²). A abordagem se aplica a materiais sintéticos moles, tecidos ou biomembranas e pode fornecer novos insights sobre seu comportamento durante a falha. A lista de peças, arquivos CAD e instruções detalhadas neste trabalho fornecem um roteiro para a fácil implementação dessa poderosa técnica.

Introdução

A mecânica do contínuo não linear forneceu uma lente crítica através da qual entender a concentração de energia que leva à falha em sólidos moles¹. No entanto, a predição precisa dessa falha também requer descrições das características microestruturais que contribuem para a criação de novas superfícies na ponta da fissura ^2,3. Um método para abordar tais descrições é através da visualização in situ da ponta da fissura durante a falha ^4,5. No entanto, o embotamento de rachaduras em testes típicos de fratura de campo dist....

Protocolo

1. Ajuste e fabricação de peças modificáveis e consumíveis

1. Use um cortador a laser ou impressora 3D para fabricar abas descartáveis de ABS ou acrílico que caibam dentro da largura das pernas da amostra, B1 e B2 (7,5 mm x 7,5 mm para uma amostra de 1,5 cm x 7 cm x 3 mm) (Figura 1B e Figura 2D). Duas abas são necessárias para cada teste, uma para cada perna.
2. Clipe da lâmina de barbear
   NOTA: As dimensões exatas do clipe da lâmina de barbear necessária dependem da profundidade da lâmina de barbear utilizada.
   1. Modifique o clipe de lâmina do arquivo de design CAD (consu....

Resultados

Os parâmetros utilizados durante os passos 4 e 6 e os dados recolhidos durante os passos 6 e 9 combinam-se para produzir a energia de corte da amostra. De acordo com a Eqn. 1, a determinação da energia de corte requer os seguintes parâmetros: espessura da amostra, t, força de _pré-carga, f pré e o ângulo entre as pernas e o eixo de corte, θ. Os seguintes dados também são necessários: a força de corte, o _corte f e a tensão média da perna,

Discussão

O aparato de corte horizontal em forma de Y relatado aqui permite recursos de imagem in situ , juntamente com maior facilidade de uso para essa técnica de falha. O aparelho inclui um design modular/portátil para montagem/desmontagem rápida a partir de um microscópio e ajuste contínuo e pré-alinhado do ângulo das pernas. Todos os arquivos CAD, materiais necessários e procedimentos foram incluídos para facilitar a implementação deste método. Em muitos casos (suportes de lâmina, suporte de amostra, mon.......

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
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