Linear and volumetric strain determination by 3D digital image correlation : a study on propylene ethylene copolymers

The linear and volumetric true strains under uniaxial tension are determined by 3D Digital Image Correlation in highly deformable polymers: a polypropylene homopolymer and four ethylene-propylene copolymers. Three issues were found during the application of this technique. Firstly, proper black and white paints have to be individuated to create the stochastic pattern. Secondly, a good randomly spread surface pattern necessary in order to facilitate the analysis has been obtained by optimizing the distance between the spray of paint and the specimen, the pressure on the valve and the time of exposition. Thirdly, the hardest problem was carrying out the analysis up to high strain. Initially the software could analyze the test until a true linear strain of almost 1, but a technique has been developed in order to overcome this problem and extend the range of analysis. The final 3D DIC technique adopted exploits a double analysis and the results are obtained by summing the partial strain values. The uniaxial tensile tests were conducted at constant strain rate. Hence, a crosshead rate profile has been set up for every material in order to obtain a constant strain rate in the most stressed section of the specimen. From the analysis of the uniaxial tensile tests the true stress-true strain and volumetric strain-linear strain curves of each material were obtained. The analysis of the behaviors suggests different deformation mechanisms one of which displays higher volumetric strain due to the presence of a more diffused cavitation phenomenon. This was shown by the three copolymers with the highest ethylene content. The second behavior was the one shown by the homopolymer which presents lower volumetric strain values due to the presence of low molecular fractions in the material. Moreover, one of the copolymer shows a behavior similar to the one of the polypropylene. This is related with the high molecular weight of the material. Finally, the volumetric strain curves show a decreasing trend at high linear strain. This is explained by a recrystallization phenomenon in the material and is supported by the results of the DSC analysis carried out.

Al fine di determinare la deformazione volumetrica di materiali polimerici altamente deformabili è stata utilizzata una tecnica Digital Image Correlation 3D. I materiali analizzati sono un polipropilene omopolimero e quattro copolimeri etilene-propilene. L’applicazione della tecnica DIC 3D ha incontrato alcuni problemi che hanno richiesto lo sviluppo di idonee soluzioni al fine di permettere una corretta analisi del comportamento dei materiali. Il primo problema affrontato è stato la scelta delle pitture utilizzate per creare il pattern random. Queste devono essere opache, presentare una buona aderenza con il substrato e deformarsi come il polimero. Il secondo problema incontrato è stato quello di ottenere un pattern disperso che renda possibile l’analisi delle immagini da parte del software. Infine, il problema di più difficile soluzione è stato permettere l’analisi dei tests da parte del software fino a deformazioni lineari elevate. Inizialmente, infatti, il software era in grado di analizzare le immagini fino a true strain modesti. La tecnica qui sviluppata permette di estendere il campo di deformazioni analizzabili raggiungendo valori molto elevati. L’analisi viene svolta in due steps e il risultato finale è dato dalla somma dei risultati parziali. Al fine di effettuare i test tensili a velocità di deformazione costante nella sezione più sollecitata del provino, è stato ricavato un profilo di velocità di spostamento della traversa per ogni materiale. Dall’analisi dei risultati dei tests di trazione uniassiali sono state ricavate le curve true stress-true strain e volumetric strain-linear strain dei cinque materiali. L’analisi di queste ultime evidenzia differenze nel meccanismo di deformazione tra l’omopolimero e i copolimeri. Nei copolimeri la deformazione volumetrica è più elevata a causa della presenza di un più diffuso fenomeno di cavitazione. Infine, le curve volumetric strain-linear strain ricavate, presentano un andamento decrescente per deformazioni lineari elevate. Ciò è dovuto alla presenza di un fenomeno di ricristallizzazione nel materiale e in tal senso concordano anche i risultati delle analisi DSC effettuate.