BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK
SZABÓ DIÁNA KATALIN TDK DOLGOZAT SZÖVET ERŐSÍTÉSŰ HAJLÉKONY KOMPOZITOK BIAXIÁLIS HÚZÓVIZSGÁLATA
Témavezető: Dr. Halász Marianna egyetemi docens Konzulens: Prof. Dr. Vas László Mihály címzetes egyetemi tanár Dr. Szebényi Gábor adjunktus
BUDAPEST, 2014
ii
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Ezúton szeretnék köszönetet mondani Dr. Halász Marianna témavezetőmnek hasznos ötleteiért és tanácsaiért. Dr. Szebényi Gábornak, aki a dolgozat megírásához időt nem kímélve odafigyelésével, tanácsaival és eszközökkel járult hozzá. Hálával tartozom továbbá Dr. Vas László Mihály konzulensemnek a TDK során adott hasznos ötleteiért és jó tanácsaiért. Külön köszönöm Szüleimnek, Testvéreimnek, hogy minden körülmények között mellettem álltak és segítették munkámat szeretetükkel, türelmükkel. Valamint szeretném megköszönni Füzesi Tamásnak a mérések során nyújtott segítségét. A kutatást az Országos Tudományos Kutatási Alap az OTKA K100949 számú, valamint a Kutatási és Technológiai Innovációs Alap a TÉT_12_DE-1-2013-0006 és a TÉT_12_MA-1-2013-0008 számú projektek során nyújtott támogatásával segítette. A munka szakmai tartalma kapcsolódik a "Minőségorientált, összehangolt oktatási és K+F+I stratégia, valamint működési modell kidolgozása a Műegyetemen" c. projekt szakmai célkitűzéseinek megvalósításához. A projekt megvalósítását az Új Széchenyi Terv TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR-2010-0002 programja támogatja.
iii
iv
TARTALOMJEGYZÉK Köszönetnyilvánítás ......................................................................................................... iii Jelölések jegyzéke............................................................................................................. vii 1. Bevezetés ......................................................................................................................... 1 2. Irodalomkutatás ............................................................................................................. 2 2.1.
Szőtt erősítőszerkezetek jellemzői..................................................................... 2
2.2.
Biaxiális húzóvizsgálat........................................................................................ 4
2.2.1.
Berendezések biaxiális húzóvizsgálathoz ........................................................ 4
2.2.2.
Próbatestek kialakítása .................................................................................... 8
2.2.3.
Kiértékelési módszerek .................................................................................. 10
2.3.
Eddigi eredmények ........................................................................................... 12
2.4.
Irodalomkutatás kritikai elemzése .................................................................. 14
3. Felhasznált anyagok és mérési berendezések .......................................................... 15 3.1.
Vizsgált anyagok................................................................................................ 15
3.2.
Alkalmazott berendezések ............................................................................... 16
4. Kísérleti rész .................................................................................................................. 19 4.1.
Szakítóvizsgálatok ............................................................................................. 19
4.2.
Biaxiális húzóvizsgálatok ................................................................................. 23
4.3.
Uniaxiális húzóvizsgálatok .............................................................................. 27
4.4.
Kezdeti rugalmassági modulusz meghatározása ......................................... 30
4.5.
Bedolgozódás meghatározása ......................................................................... 32
4.5.1.
Elméleti háttér .............................................................................................. 32
4.5.2.
SEM felvételek .............................................................................................. 33
5. ÖSSZEFOGLALÁS ....................................................................................................... 36 6. Summary ....................................................................................................................... 37 7. Felhasznált források ..................................................................................................... 38
v
vi
JELÖLÉSEK JEGYZÉKE Latin betűk Jelölés
Megnevezés, megjegyzés, érték
Mértékegység
bx
bedolgozódás
%
cx
kötéscella méret
mm
E
rugalmassági modulus
MPa
F
húzóerő
N
k
terhelési arány
-
∆L
megnyúlás
mm
lx
ívhossz
mm
t
idő
s
Jelölés ε
Megnevezés, megjegyzés, érték
Mértékegység
megnyúlás
%
σ
feszültség
MPa
ξ
modulusz hányados
-
Görög betűk
Rövidítések Rövidítés
Megnevezés
CCD
töltés-csatolt eszköz
DIC
digitális képkorreláció (Digital Image Correlation)
PVC
poli-vinil-klorid
SEM
pásztázó elektronmikroszkóp
VUB
Vrije Universiteit Brussel
vii
0
1. BEVEZETÉS A szövetek, valamint a velük erősített kompozitok használata igen széles körben elterjedt. Alkalmazzák őket ruhák (például védőruhák), sporteszközök anyagaként (pl. vitorlák), az orvostechnikában (pl. géz) és számos műszaki területen is. Elterjedtek továbbá a ponyvák is, melyek hőre lágyuló polimerrel (leggyakrabban PVC) kent szövetből képzett kompozitok. A ponyváknak műszaki szempontból a legnagyobb jelentőségük a könnyűszerkezetes épületek kapcsán van (például sátrak és épületek tetőszerkezetei). Használatuk során ezek többtengelyű feszültségnek vannak kitéve, ezért tervezésükhöz elengedhetetlen ismernünk a mechanikai tulajdonságokat. A szövetek és ponyvák jellemzőit különböző mechanikai módszerekkel vizsgálhatjuk. Ilyen a húzó-, a szakító-, valamint a nyíró- és a hajlítóvizsgálat is, azonban ezekkel a vizsgált anyagnak csupán egy-egy irányban mérhető (uniaxiális) tulajdonságairól kaphatunk jellemzést. Léteznek olyan vizsgálati módszerek is, amelyekkel multiaxiális terhelést adnak a próbatestre, mint például a golyós repesztés, azonban ezek hátránya, hogy csupán egyetlen mérőszámmal jellemzik a szövetet, így annak irányfüggő tulajdonságai nem fedhetők fel. A műszaki szövetek és ponyvák irányfüggő tulajdonságainak vizsgálatára alkalmas mérési módszer a biaxiális húzás, amellyel egyszerre két, egymásra merőleges irány mechanikai tulajdonságait írhatjuk le, és ezzel a tervezéshez és méretezéshez szükséges, fontos információkat nyerhetünk a szőtt szerkezetek és kompozitjaik anizotróp tulajdonságairól [1]. A biaxiális húzóvizsgálati eredmények szükségesek a szőtt erősítő szerkezetek és hajlékony kompozitjaik végeselemes szimulációjához is. A programok ugyanis az unidirekcionális tulajdonságok alapján a biaxiális teherbírást jelenleg nem tudják megfelelően kiszámítani (nem tudják figyelembe venni például a hullámosság hatását, szálak laposodását, stb), így a biaxiális mérések eredményeit a programba táplálva sokkal pontosabb számítást érhetünk el [2]. Jelen dolgozat célja a biaxiális mérési módszerek és vizsgálatok elemzése, az értékelési módszerek megismerése, továbbá az univerzális szakítógépre szerelhető, a BME Polimertechnika Tanszéken kifejlesztett speciális biaxiális befogófejjel mérések végzése, a mérések kiértékelése, és ezzel az új mérési módszer tesztelése.
1
2. IRODALOMKUTATÁS Az irodalomkutatás során először a szőtt erősítőszerkezeteknek a tulajdonságaival foglalkozom, majd a biaxiális vizsgálatokat, azok berendezéseit, mintavételezési szempontjait, kiértékelési módjait, valamint az eddigi eredményeket ismertetem. Az irodalomkutatást egy rövid összefoglalással zárom, amelyben a feldolgozott irodalmak alapján értékelem a kutatási terület jelenlegi állását.
2.1. Szőtt erősítőszerkezetek jellemzői A szőtt erősítőszerkezetek egymással általában derékszöget bezáró fonalrendszerekből álló szerkezetek, amelyeknek a felületükhöz képest az esetek többségében elhanyagolható a vastagsága. A szövet gyártási irányával párhuzamos fonalakat láncnak, míg az erre merőleges, keresztirányú fonalakat vetüléknek hívják. A szövet mind lánc, mind vetülék irányban jó stabilitást, nagy szilárdságot mutat. Fontos jellegzetességük azonban, hogy ezek a szerkezetek önmagukban is, valamint kompozitjaik is anizotróp tulajdonságúak, azaz meghatározott irányokban – a fonalak irányában - kiemelkedő mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, ezzel szemben a többi irányban ezek a jellemzők nagyságrendekkel eltérőek [1]. A szövetek felépítésük és térbeli kiterjedésük szerint lehetnek két-, illetve háromdimenziósak. Szövésüket tekintve lehetnek bi- vagy triaxiálisak. A biaxiális szövésű szövetek esetében a fonalrendszerek 90°-os szöget zárnak be egymással, míg a triaxiális szövésűeknél 60°-ot. Ez utóbbiak viselkedése nagyobb izotrópiát mutat, mint a biaxiális szövésűeké [2]. A szövetek kiinduló anyagaként használhatók természetes, illetve mesterséges szálkötegek, azaz rovingok. A legelterjedtebb természetes szálak a len, kender, szizál, pamut, gyapjú, azonban ezek kevésbé szabályozható tulajdonságokkal rendelkeznek, mivel a tulajdonságaik szálról szálra, valamint egy szálon belül azok hossza mentén is erősen változhatnak, továbbá nagy nedvességfelvevő képességük is hátrányos lehet feldolgozhatóságukra, ezáltal mechanikai tulajdonságaikra és a belőlük készített termékek életciklusára. A mesterséges szálak közül leggyakrabban poliamid-, poliészter-, üveg- vagy szénszálból készítenek műszaki szövetet. Ezeknek könnyebben beállíthatóak a tulajdonságaik, ám az ezekből készült kompozitok újrahasznosíthatósága lényegesen bonyolultabb lehet. A poliamid és poliészter szálak szilárdsága kiváló, előnyük, hogy nem törékenyek, kitűnően bírják a nyírást és csavarást, ezért könnyen feldolgozhatók. A szénszál alkalmazásának előnye, hogy kicsi a sűrűsége, nagy a szilárdsága, kitűnő a hőállósága, biológiailag inert, azonban ára jelentősen magasabb, mint az üvegszálé, illetve természetes alapú társaié. [3] Az üvegszál hőállósága 2
szintén jó, szilárdsága alacsonyabb, mint a szénszálé, kémiailag stabil, viszont felületkezelést igényel (a feldolgozás során fellépő károsodás, illetve a jobb adhézió miatt). A szén- és az üvegszál hátránya a törékenység, emiatt irritatív hatással lehetnek a bőrre és a nyálkahártyákra, valamint nehezebb a feldolgozásuk. A szövetek alkotóelemeinek, a fonalaknak (fonalrendszereknek) különböző minta szerinti szövése alapján megkülönböztethetünk három alapvető mintát: a vászon-, sávoly-, és atlaszkötést (1. ábra). Ezek közös jellemzője, hogy mintaelemük (a szövet szerkezeti egysége, melyek ismétlődő rendszere alkotja a szövetet) négyzetes, tehát a mintaelemet felépítő lánc- és vetülékfonalak száma megegyezik. Kompozitok erősítőszövetei többnyire ilyen mintákkal készülnek. [3]
1. ábra Szövetek alapvető kötésmintái: a) vászon- b) sávoly- c) atlaszkötés [3]
A szövetek műszaki rajza (2. ábra) a kötésrajz, amely tartalmazza a fonalrendszerek kereszteződésének négyzethálós egyszerűsített ábrázolását és a szövőgép beállítási adatait (borda- és nyüstbefűzés, kártyarajz) is.
2. ábra A szövet műszaki rajza (L-láncfonalak, V-vetülékfonal, Ny-nyüstök, B-borda, Sz-szövet, Wkeresztezési hely, K-kártyarajz) [1]
3
A kötésrajz a kötéspontokat jeleníti meg és mérete szerint egy vagy több mintaelemet is magába foglalhat. Általában a lánc-kötéspontokat a kitöltött, a vetülék-kötéspontokat pedig az üres négyzetek jelölik. A mintaelemet külön – pl. más színnel (2. ábra bal alsó sarok) - ábrázolják. Emellett a szövet legalapvetőbb műszaki adatai: a szövetet felépítő lánc- és vetülékfonalak tulajdonságai, a lánc- és vetüléksűrűség (azaz a 10 cm-re eső fonalak száma). Ezeknek a paramétereknek ismeretében a szövet jellemezhető mind lokálisan, mind globálisan. A kötésmintától erősen függ a bedolgozódás mértéke is, ezáltal közvetlen hatással van a mikromechanikai tulajdonságokra. [1] A szőtt erősítőszerkezetek mechanikai tulajdonságainak vizsgálata uniaxiális, szálirányban végzett esetben viszonylag egyszerű, tekintve, hogy szálirányban a szövet tulajdonságai hasonlóak az unidirekcionális szálakéhoz. Azonban a szövetek, illetve a velük erősített kompozitok általában nem egytengelyű igénybevételt kapnak felhasználásuk során, hanem többtengelyű terhelésnek vannak kitéve. A szövetek és kompozitjaik valós viselkedésének megismeréséhez elengedhetetlenek a biaxiális terhelésvizsgálatok, ugyanis az ilyen vizsgálatok eredményeit a szövetek modellezéséhez felhasználva elvégezhető a belőlük készült termékek valós viselkedésének szimulációja, valamint élettartam-vizsgálata.
2.2. Biaxiális húzóvizsgálat A biaxiális, vagyis kétirányú húzóvizsgálatokhoz jelenleg nincs szabványosított mérőberendezés. A témával foglalkozó kutatóhelyek a vizsgálatok és kísérletek elvégzéséhez többnyire saját, egyedi készítésű berendezéseket használnak, a 2.2.1. pontban ezek közül mutatok be néhányat. 2.2.1. Berendezések biaxiális húzóvizsgálathoz A 3. ábrán látható berendezést a Drezdai Műszaki Egyetemen használják biaxiális húzóvizsgálatok végzésére. Ez gyakorlatilag két, egymáshoz képest derékszögben felállított vízszintes szakítógép. Az ilyen jellegű vizsgálatok elvégzésére ez tűnik a legjobban alkalmazható megoldásnak, azonban a berendezés magas ára és nagy helyigénye másfajta vizsgálóberendezések kifejlesztését teszi szükségessé.
4
3. ábra A Drezdai Műszaki Egyetem biaxiális vizsgálóberendezése
Galliot és Luchsinger a 4. ábrán látható berendezést használta biaxiális húzóvizsgálataihoz (a berendezést Blum R. és Bögner H. fejlesztette ki). A vizsgált anyag PVC-vel kent poliészterszövet volt.
4. ábra Aktuátoros biaxiális húzóberendezés [4]
A kereszt alakú próbatest középső, négyzet alakú részének oldalhosszúsága 500 mm volt. A próbatest karjait négy-négy párhuzamos bemetszéssel 5 részre osztották. Ezeket a szalagokat egymástól függetlenül terhelték elektromechanikus 5
aktuátorokkal, amelyekhez alumínium megfogókkal erősítették a szalagok végeit. Az aktuátorok csapágyakkal lettek felszerelve, ami lehetővé tette a terhelési irányra merőleges irányú elmozdulást. A berendezéssel erővezérelt vizsgálatokat folytattak, 10 kN-os erőmérő cellákkal minden befogó és meghajtó pár között. A próbatest nyúlását két tű-extenzométerrel mérték, amelyeket lánc- és vetülékirányban rögzítettek a próbatestre, és ez véleményük szerint nem okozott elfogadhatatlan mértékű hibát a vizsgálat során. [4] Quaglini és társai biaxiális vizsgálataikhoz egyedi készítésű berendezést használtak (5. ábra). A berendezés két, egymásra merőleges terhelési iránya egymástól függetlenül vezérelhető, 1-280 mm/perces sebességtartományban. Az egyes terhelési irányokban a húzófeszültség létrehozása kereszttartó-párokkal történik, amelyek két sínen csúsznak. A tartókat a szervomotor csigahajtással mozgatja. Ezáltal a vizsgálat során a terhelés mindig egybeesik a kereszt alakú próbatest tengelyeivel.
5. ábra Szervomotoros biaxiális húzóberendezés [5]
A kereszttartókon elhelyezett megfogók oldalirányban szabadon elmozdulhatnak, és foroghatnak. Erre azért van szükség, hogy a ponyva keresztirányú kontrakciója és a megnyújtott próbatest elfordulása ne okozzon problémát. Minden egyes befogó 1250 kN-os erőmérővel lett ellátva. [5] A Brüsszeli Szabadegyetemen (VUB – Vrije Universiteit Brussel) fejlesztették ki a következő, 6. ábrán látható biaxiális vizsgálóberendezést. A műszer mindkét irányban 100 kN maximális terhelésre képes. A kereszt alakú próbatest és az erőmérő cellák, valamint a szervo-hidraulikus hengerek és a berendezés kerete elfordulást megengedő kapcsolatokkal csatlakozik egymáshoz. A hengerek lökethossza 150 mm. A berendezéssel statikus és dinamikus terhelést is létre lehet hozni, ez utóbbit legfeljebb 20 Hz-es frekvenciával. A hengereket külön-külön, egymástól függetlenül lehet vezérelni, bármilyen időben másodrendű folytonos lefolyású gerjesztéssel. [6] 6
6. ábra A VUB-n kifejlesztett vizsgálóberendezés [6]
A Londoni Birodalmi Főiskolán (Imperial College of London) fejlesztették ki harmadéves gépészmérnök hallgatók Dr. E. M. Drakakis (Biomérnöki Tanszék) felügyelete alatt a 7. ábrán látható berendezést. A berendezés 0,01-10 Hz-es frekvenciatartományban működtethető, 0-80% közötti nyúlástartományban, különböző időbeli lefutású terhelésekkel. A vizsgálóberendezés érintőképernyővel vezérelhető, míg a szabályzó- és mozgatóegységek vezérlése nyomtatott áramkörökkel történik. A készüléket eredetileg orvostechnikai alkalmazásokra, pontosabban szerves szövetminták vizsgálatára fejlesztették ki, azonban műszaki szövetek és kompozitok vizsgálatára is alkalmas lehet. [7]
7. ábra Nyolcmotoros multiaxiális vizsgálóberendezés [7]
A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Polimertechnika Tanszékén is folynak ilyen irányú kutatások, ehhez fejlesztették ki a 8. ábrán látható biaxiális vizsgálóberendezést [8]. A berendezés egy univerzális szakítógépbe helyezhető, kamerával ellátott speciális keret. A kamera egy 10x10 cm-es keretet 7
vizsgál, vagyis adott időközönként fotóz. A képek kiértékeléséhez egy a Hegyi Dezső által kifejlesztett [9] programhoz hasonló elven működő – tehát a kijelölt tartományon a nyúlás eloszlást vizsgáló - program szolgálna, azonban mielőtt a program elkészült volna, a Tanszék kapott egy megbízást, ezért egyelőre a nyúlások detektálása videoextenzométerrel lehetséges. A mérőkeret előnye, hogy az általános szakítógép által létrehozott egytengelyű terhelést görgők és csigák segítségével biaxiális terheléssé alakítja. Hátránya azonban az, hogy míg az előzőekben említett berendezésekkel megvalósítható a különböző irányokban különböző mértékű terhelések alkalmazása, addig ennél a készüléknél – a gravitációból származó erő elhanyagolása esetén – a két merőleges irányban csak azonos nagyságú terhelés ráadása lehetséges, továbbá, hogy kizárólag hajlékony próbatestek vizsgálatára alkalmas. [8] a)
b)
8. ábra A BME Polimertechnika Tanszéken kifejlesztett biaxiális mérőkeret: a) a mérőkeret felépítése és a befogás folyamata, b) egy befogott ponyvával [8]
2.2.2. Próbatestek kialakítása A biaxiális húzóvizsgálatok sikeres kivitelezésének kritériumait – a kereszt alakú próbatest szempontjából – Smith és társai a következőképp határozták meg: – a próbatestnek az a része, ahol a biaxiális nyúlás keletkezik, a lehető legnagyobb legyen –
a biaxiálisan terhelt területen a nyírási alakváltozás minimális legyen
–
a vizsgálati területen kívüli feszültségkoncentrációt el kell kerülni
–
a próbatest tönkremenetele a biaxiálisan vizsgált területen következzen be
–
az eredmények megismételhetők legyenek.
8
Habár az említett kutatók kísérleteikben merev kompozitokat vizsgáltak, a fenti kritériumok hajlékony próbatestekre is érvényesek. Az öt követelmény mindegyikének megfelelő próbatestet azonban nehéz kialakítani. A vizsgálatok során négyféle, üvegszövettel erősített, merev kompozit próbatestet (9. ábra) teszteltek, melyek kialakítása a következő volt: a) állandó vastagságú próbatest, a karok találkozásánál 20 mm sugarú lekerekítésekkel b) középen vékonyított próbatest, szintén 20 mm sugarú lekerekítésekkel c) 6,25 mm sugarú lekerekítés a karok találkozásánál d) középen nagyobb felület vékonyított
9. ábra A négyfajta kereszt alakú próbatest első főfeszültségei DIC-vizsgálattal [6]
A vizsgálatok során az A) geometriájú próbatest a biaxiálisan terhelt részen kívül ment tönkre, tehát ez a kialakítás nem megfelelő. A D) geometria esetén a törés előtt delamináció következett be az átmeneti részen. A B) és C) geometriák esetén a tönkremenetel a biaxiálisan terhelt részen következett be. A vizsgálatok eredményeit összevetve a megfelelő geometria a C), mivel ennél a kis sugarú lekerekítés miatt a tönkremenetel a próbatest közepén következett be. [7] Quaglini és társai kenés nélküli erősítőszövetet vizsgáltak uniaxiális és biaxiális módszerekkel. A biaxiális vizsgálatokhoz szintén kereszt alakú próbatestet használtak (10. ábra), melynek karjai párhuzamosak voltak a lánc- és vetülékirányokkal. [5]
9
10. ábra Kereszt alakú textil próbatest biaxiális vizsgálathoz [5]
A Drezdai Műszaki Egyetemen is a 10. ábrán láthatóhoz hasonló alakú próbatesteket használnak a biaxiális vizsgálatokhoz. A vizsgált anyagból a minta kivágását egy átlátszó műanyag sablon segítségével végezték (11. ábra).
11. ábra A Drezdai Műszaki Egyetemen használt sablon mintakivágáshoz
Liu és társai biaxiális vizsgálatokat végeztek műszaki szöveteken. Kísérleteik során a befogást több, egymástól független ponton végezték, azért, hogy a merőleges irányú terhelésre adott deformációt ne akadályozza a merev befogópofa.[10] 2.2.3. Kiértékelési módszerek A mérésekből a biaxiálisan terhelt rész nyúlása a mérendő mennyiség. Amennyiben a terhelő berendezések által mért nyúlásban a kereszt alakú próbatest karjainak a nyúlása is benne van, akkor az értékek nem a valós nyúlásokat adják. A nyúlást csak a biaxiálisan terhelt részen, lokálisan kell mérni. 10
A legtöbb irodalomkutatásban említett berendezés esetén a minták középpontja elmozdul (12. ábra), ezáltal befolyásolva a nyúlásértékeket, vagyis magát a kiértékelést is. [6]
12. ábra Kétaktuátoros berendezések esetén elmozdul a próbatest középpontja [6]
A lokális nyúlások méréséhez nem használható nyúlásmérő bélyeg, mivel az befolyásolná a mérési eredményeket, így általában optikai módszerrel, többnyire video-extenzométerrel történik a mérés. Boisse és társai munkájuk során szintén optikai mérést alkalmaztak, amely nagyon érzékeny filmmel, nagy nagyításban hatásosnak bizonyult [11]. Az egyes alakadási folyamatok eredményeinek előrejelzésére elterjedten alkalmaznak végeselemes szimulációt. A multiaxiális alakadási folyamatok megfelelő szimulációjához szükségesek a biaxiális mérések eredményei, ezek ismeretében válik lehetővé az adott szövethez a kívánt számítások elvégzése [4, 12]. Több tanulmány is kifejezetten ezeknek a végeselemes szimulációknak a megbízhatóságát vizsgálja a mikromechanikai tulajdonságok ismeretében. Az egyik legnagyobb problémát a fonalak terhelés hatására végbemenő ellaposodása (13. ábra) okozza, ezt figyelembe véve próbálják a végeselemes szimulációk megbízhatóságát növelni [12].
13. ábra Fonalak ellaposodása a terhelés hatására [12]
Figyelemre méltó vizsgálati metódus a digitális képkorrelációs módszer (DIC – Digital Image Correlation). Ennél a kiértékelésnél két CCD-kamerával vizsgálják a próbatestet, és az egymást követő terhelési szinteknél készített képeket hasonlítják 11
össze egymással. A rendszer a próbatest felületéről visszaverődő fényt képpontonként 12 bites szürkeskála-értékként tárolja el, végül a szoftver feldolgozza az adatokat, és segítségével kiszámolja a nyúláseloszlást. Ehhez a próbatest felületére ismert méretű és alakú mintát kell felvinni. A szoftver a minta paramétereinek változását érzékeli. A 2.2.2. pontban említett négy próbatest-geometriát is ilyen módszerrel vizsgálták, 13-18-11-11 képpont/mm felbontással. A kiértékelés megvalósulhat feszültségoptika alkalmazásával is, azonban ehhez speciális anyagok szükségesek, amelyek mechanikai tulajdonságaiknál fogva nem biztos, hogy a legalkalmasabbak a szövetek készítésére.[6]
2.3. Eddigi eredmények Gasser és társai biaxiális húzóvizsgálataik eredményei alapján rámutattak, hogy ha csak húzó igénybevétel van jelen, a szövetek a terhelés kezdeti szakaszában vagyis kis erőknél - nemlineáris viselkedést mutatnak, nagyobb terheléseknél azonban a viselkedésük lineárissá válik. A fonalak rengeteg szálból épülnek fel, és több különböző kötésminta, vászon, sávoly stb… lehetséges, ebből ered a szövetek speciális viselkedése. Ez a tanulmány rámutatott, hogy lehetséges 3D-s szimulációt végezni mikronos méretű elemi cellákra is (figyelembe véve például a fonalak ellaposodását), ezáltal magyarázható a szövet nemlineáris viselkedése nagy feszültségek esetén is. [13] A 14. ábrán Boisse és társai tanulmányának eredménye látható. Munkájuk során vászonszövésű üvegszövetet vizsgáltak. A diagramon a terhelés-megnyúlás összefüggést ábrázolták a lánc- és vetülékfonalak irányában mért nyúlások különböző arányának (k) esetében. A progresszív erősödési szakaszt ők a lánc- és vetülékfonalak hullámosságának csökkenéséhez kapcsolták, létrejöttét pedig a lineáris viselkedési zóna előttire tették, mely valóban egyértelműen észrevehető. Véleményük szerint amikor a két megnyúlás nem egyenlő, a hullámzás csökkenése és a progresszív erősödés jelentősebb a nagyobb megnyúlás irányában, míg a jelenség a másik irányban nagymértékben korlátozott, gyakorlatilag zérusnak tekinthető. [11]
12
14. ábra A megnyúlás a terhelés függvényében különböző (k) terhelési arányok mellett [11]
A 15. ábrán egy, a stuttgarti Blum laboratóriumban végzett biaxiális húzóvizsgálat grafikonja látható. A tanszéki méréssel ellentétben a lánc- és vetülékirányú megnyúlások szinkronban vannak, azaz azonos időpillanatban érik el a maximális és minimális értékeket. Az eltérésnek az lehet az oka, hogy a 3. ábrán bemutatott berendezés esetében a megnyúlások detektálásakor nem csupán a biaxiálisan terhelt rész megnyúlását vizsgálták, hanem belevették a próbatest „karjait” is, míg a tanszéki berendezés esetében csupán a biaxiálisan terhelt középső (a peremhatásoktól távol lévő, vélhetőleg homogén terhelésű) részt vizsgálták. Az eltérés adódhat egyszerűen abból is, hogy más típusú, anyagú szövetet vizsgáltak.
15. ábra Blum laboratórium biaxiális húzóvizsgálat idő-megnyúlás grafikonja [14]
A 8. ábrán látható berendezéssel a Polimertechnika Tanszéken végeztek teflon bevonatú üvegszöveten ciklikus biaxiális húzóvizsgálatot. A kísérlet során a láncirányú terhelés kicsit nagyobb volt, mint a vetülékirányú, mivel a láncfonalaknak a mérőkeret és a videoextenzométer súlyából (kb 50 N) származó erőt is fel kellett venniük. A vizsgálat eredményei között azonban egy eddig megmagyarázatlan jelenséget is tapasztaltak: az idő-nyúlás diagramon (16. ábra) a vetülékfonalak 13
nyúlásmaximumánál a láncfonalaknak nyúlásminimuma volt, holott időben egyszerre kapták a terhelést, tehát a minimumok és maximumok helyének időben meg kellett volna egyezniük. [8].
16. ábra Biaxiális húzóvizsgálat idő-megnyúlás diagramja [8]
2.4. Irodalomkutatás kritikai elemzése Az irodalomkutatás során azt tapasztaltam, hogy bár számos cikk foglalkozik a szőtt erősítőszerkezetek és a belőlük készített kompozitok vizsgálatával, a biaxiális húzóvizsgálatról kevés használható információt lehet találni. Az elvégzett mérések paramétereiről csak nagyon kevés adatot, vagy egyáltalán nem is közölnek a tanulmányok. A kiértékelések pontos módszeréről sem kapható elegendő információ, számszerű adatot például szinte sehol sem találtam, az eredményeket ábrázoló diagramot is csupán egy-két dolgozat tartalmazott. A diagramokhoz azonban nem fűztek megfelelő magyarázatot, nem fejtették ki a tapasztalt változások és az azokat létrehozó, befolyásoló tényezők közötti kapcsolatot. Magukról a vizsgáló berendezésekről is kevés információt találtam, a biaxiális vizsgálatokkal foglalkozó vállalatok ugyanis üzleti titokként kezelik az eljárásokat, csupán a szőtt szerkezetek minősítését közlik, magát a mérés menetét nem.
14
3. FELHASZNÁLT ANYAGOK ÉS MÉRÉSI BERENDEZÉSEK 3.1. Vizsgált anyagok Munkám során a SIOEN Industries 350 g/m² (SÁRGA), 630 g/m² (SZÜRKE) és 900 g/m² (FEHÉR) területi sűrűségű, vászonkötésű poliészter alapszövetű, PVC bevonatú ponyváit (17. ábra) vizsgáltam. [15]
17. ábra A vizsgált ponyvák
A vizsgált ponyvák főbb gyártói adatai az alábbi táblázatban láthatóak.
1. táblázat A vizsgált ponyvák gyártó által közölt névleges adatai [15]
Tatár Nikoletta a TDK munkája során ugyanezeket a típusú ponyvákat vizsgálta. A ponyvák alapszövetének vizsgálatához a PVC bevonatot két lépésben tetrahidrofuranos oldással eltávolította. Az alapszövet struktúrája a 18. ábrán látható [15].
15
a)
b)
c)
18. ábra A ponyvák alapszöveteinek struktúrája a) SÁRGA b) FEHÉR c) SZÜRKE [15]
Tatár Nikoletta a munkája során megvizsgálta optikai mikroszkóppal az alapszövetek struktúráját, valamint meghatározta a ponyvák egyes irányaiban a fonalsűrűséget (2. táblázat).
2. táblázat A ponyvák fonalsűrűsége [15]
3.2. Alkalmazott berendezések A kutatás során a Polimertechnika Tanszéken kifejlesztett újszerű mérőkerettel végeztem méréseket (19. ábra). A mérőkeret kifejezetten nagyszilárdságú műszaki szövetek és hajlékony kompozitjaik vizsgálatára alkalmas. A mérőkeret előnye, hogy univerzális szakítógéppel használható, így a biaxiális húzóvizsgálathoz nem szükséges különleges szakítógép (ez természetesen csökkenti a vizsgálatok költségeit is). a)
b)
19. ábra A Tanszéken található univerzális szakítógépre szerelhető biaxiális mérőkeret (a) és annak rögzítése a szakítógépen (b)
16
A tanszéki mérőkeret előnye, hogy a próbatestek középpontja nem mozdul el – megfelelő beállítások esetén –, valamint, hogy a nyúlásokat csak a középső, biaxiálisan terhelt részen méri, így reálisabb anyagmodellt lehetett alkotni a mérési eredményekből. A tanszéki mérőkeret hátránya, hogy a próbatest „karjai” csak azonos mértékű terhelést kaphatnak a két terhelési irányban. Ezt a problémát ki lehet küszöbölni, ha terhelési irányonként eltérő szélességűek a karok a próbatesten, azonban ennek a megoldásnak is megvannak a korlátai. Jelen dolgozat során egyenlő szélességű karokkal ellátott próbatesteket vizsgáltam. A szakító és uniaxiális ciklikus húzóvizsgálatokhoz a Zwick Z020 típusú (20. ábra) számítógép vezérlésű mechanikai szakítógépet használtam, amely egyaránt alkalmas szakító, hajlító, nyomó, lefejtő, rétegközi vizsgálatok elvégzésére. A berendezés maximális terhelhetősége 20 kN. A szakítóvizsgálatokhoz használt befogópofa 10 kN-os maximális terhelést bír. Mivel a Zwick Z020-as szakítógép mérőtartományába nem esik bele a biaxiális húzóvizsgálatokhoz használt keret, ezért egy nagyobb mérőtávolságra képes berendezésre váltottam. A biaxiális húzóvizsgálatokat tehát a Zwick Z050 típusú (21. ábra) számítógép vezérlésű mechanikai szakítógéppel végeztem, amelynek a maximális terhelhetősége 50 kN.
21. ábra Zwick Z050 szakítógép
20. ábra Zwick Z020 szakítógép
A tanszéki fejlesztésű új biaxiális mérési módszerhez a szakítógépeken kívül a Messphysik ME-46 Full Image típusú (22. ábra) videoextenzométert, és a hozzá tartozó szoftvert használtam. A videoextenzométerrel egy előre megjelölt rész nyúlás deformációja vizsgálható nagy pontossággal akár mindkét irányban anélkül, hogy befolyásoná a mérés kimenetelét.
17
22. ábra Messphysik videoextenzométer
A mérések kiértékeléséhez, az összefüggések felderítéséhez szükségem volt az egyes ponyváknál a lánc- és vetülékfonalak sűrűségére és a fonalak bedolgozódási értékeire, ennek meghatározásához elektronmikroszkópos felvételeket készítettem a ponyvák vetülék és lánc irányú keresztmetszetéről. A felvételeket a 23. ábrán látható JEOL JSM 6380A típusú elektronmikroszkóppal készítettem.
23. ábra JEOL JSM 6380LA típusú elekronmikroszkóp
18
4. KÍSÉRLETI RÉSZ Először uniaxiális szakítóvizsgálatot végeztem a ponyvákon, majd a szakítóerő ismeretében a maximális erő 25%-ig terjedő biaxiális ciklikus húzóvizsgálatokat is végeztem. Referenciaként megvizsgáltam az uniaxiális ciklikus húzóvizsgálat esetén is a lánc- és vetülékirányú nyúlásokat. Végezetül pedig elektronmikroszkópos felvételeket készítettem, hogy megvizsgálhassam a ponyvák szerkezetét.
4.1. Szakítóvizsgálatok A szakítóvizsgálatok elvégzéséhez mindhárom alapanyagból vetülék és lánc irányból is 8 darab, egyenként 25x200 mm-es próbatestet készítettem elő (24. ábra). A szakítóvizsgálatokat útvezérléssel végeztem, a keresztfej sebessége 50 mm/perc volt. A vizsgálatokhoz az irodalomkutatásban megismert, általában alkalmazott 75mm-es befogási távot alkalmaztam. A szakítóvizsgálatok sikerességét az is mutatja, hogy a próbatestek nagy része középen szakadt el, nem pedig a befogásnál.
24. ábra Szakító próbatestek
Először a fehér ponyva próbatestjeit szakítottam el. A mérési eredményeket a 3. táblázat foglalja össze. Szembetűnő, hogy a vetülékirány az erősebb irány, ez igen érdekes jelenség, ugyanis a tapasztalatok szerint a szövetek általában láncirányban erősebbek. Eleinte azt gondoltam, hogy talán felcseréltem a két irányt, azonban – ahogy a későbbiekben látható - az összes mérésnél az jött ki, hogy a ponyva vetülékirányban erősebb. Ezért ellenőriztem, hátha a próbatestek kiszabásánál vétettem a hibát azzal, hogy a ponyva esetleg nem láncirányban volt tekercselve, kollegámmal azonban arra jutottunk, hogy valóban lánc irányban van tekercselve a ponyva, és nem tévedtem a próbatestek kiszabásánál.
19
3. táblázat A fehér ponyva összesített szakító eredményei: balra lánc-, jobbra vetülékirányból
A 25. ábrán a fehér ponyva egy jellemző szakítódiagramja látható: a fajlagos erő ábrázolva a nyúlás függvényében, valamint a feszültség a százalékos nyúlás függvényében. 120
70
100
60
80
50
σ [MPa]
Fajlagos Erő [N/mm]
80
40 30 20 10 0
5
10
15
40 20
∆L [mm]
0
60
ε [%]
0
20
0
5
10
15
20
25
25. ábra A fehér ponyva egy jellemző szakítódiagramja: balra F(∆L), jobbra σ(ε), a kék a láncirány, a piros a vetülékirány
A szürke ponyva szakítóeredményeit a 4. táblázat tartalmazza.
4. táblázat A szürke ponyva összesített szakító eredményei: balra lánc-, jobbra vetülékirányból
A ponyva vetülékirányban szívósabb, azaz nagyobb a szakadási nyúlása, míg láncirányban közel negyedével kevesebb, ellenben nagyobb erő kell a szakításhoz. Ezekből arra következetek, hogy a ponyva gyártásakor az általában megszokott 20
módon a láncirányú fonalakat jobban megfeszítették. Érdekes, hogy ebben az esetben is nagyon nagy különbség van a két irány szakítószilárdsága között. A 26. ábrán pedig a szürke ponyva egy jellemző szakítódiagramja látható: a fajlagos erő ábrázolva a nyúlás függvényében, valamint a feszültség a százalékos nyúlás függvényében. 120
70
100
60 50
σ[MPa]
Fajlagos Erő [N/mm]
80
40 30
80 60 40
20
20
10
∆L [mm]
0 0
5
10
15
ε [%]
0
20
0
5
10
15
20
25
26. ábra A szürke ponyva egy jellemző szakítódiagramja: balra F(∆L), jobbra σ(ε), a kék a láncirány, a piros a vetülékirány
A 5. táblázatban a sárga ponyva szakítóeredményeit foglaltam össze. Ez a legkevésbé kiegyenlített szerkezetű ponyva a három közül, hiszen ennél a vetülékirány szakítószilárdsága még feleakkora sincs, mint a láncirányé. A gyártási módot tekintve arra jutottam, hogy a szürke ponyvához hasonló, tehát a láncirány a feszítettebb.
5. táblázat A sárga ponyva összesített szakító eredményei: balra lánc-, jobbra vetülékirányból
A 27. ábrán pedig a sárga ponyva egy jellemző szakítódiagramja látható: a fajlagos erő ábrázolva a nyúlás függvényében, valamint a feszültség a százalékos nyúlás függvényében. Látható, hogy mind a szakításhoz szükséges feszültségérték, mind a szakadási nyúlás elmarad a másik két ponyvától.
21
120 100 σ [MPa]
Fajlagos erő [N/mm]
80 70 60 50 40 30 20 10 0 5
10
15
60
40 20
∆L[mm] 0
80
ε%
0
20
0
5
10
15
20
25
27. ábra A sárga ponyva egy jellemző szakítódiagramja: balra F(∆L), jobbra σ(ε), a kék a láncirány, a piros a vetülékirány
A fenti táblázatokban látható átlagos szakítóerőket a gyártói adatlappal megegyező mértékegységűre számítottam át, így a mért eredményeim összehasonlíthatóak a névleges értékekkel (6. táblázat). Arányaiban a legnagyobb eltérés a sárga ponyva vetülék irányában volt, közel 40%-os az eltérés. Számottevő különbség van még a fehér ponyva lánc irányában is, a méréseim közel 30%-kal térnek el a névleges adatoktól.
6. táblázat A ponyvák gyártói adatai és a mérések összesítése
A mért szakítóerőket a szövés is befolyásolhatja, ugyanis a láncfonalak sokkal nagyobb igénybevételnek vannak kitéve szövés közben. Ettől sérülhetnek és gyengülhetnek, vagy éppenséggel akár fel is keményedhetnek. A fonalsűrűség jelentősége abban nyilvánul meg, hogy azonos minőséget feltételezve a lánc- és vetülékfonalakról, az az irány az erősebb, amelyikben sűrűbben vannak a fonalak. Tatár Nikoletta mérései szerint (2. táblázat) a fehér ponyva esetében azonos a fonalsűrűség (62 db/100mm) mindkét irányban. Ezek alapján arra következtetek, hogy a fehér ponyva esetében nem azonos anyagminőségűek a lánc-, illetve vetülékfonalak. A másik két ponyva esetében a fonalsűrűség arányos a fajlagos szakítóerővel.
22
4.2. Biaxiális húzóvizsgálatok A biaxiális vizsgálatok erővezéreltek voltak, mivel útvezérlés esetén nehézkes lett volna detektálni a vetülés- és láncirányban fellépő erőket, erőgerjesztés esetén viszont a nyúlások detektálhatóak a mérés befolyásolása nélkül is. A vizsgálatokhoz kereszt alakú próbatesteket készítettem (28. ábra) melynek karjai 100 mm szélesek és 300 mm hosszúak, a lekerekítési sugár pedig 25 mm volt. A videoextenzométeres méréseknél a vizsgált területen nagy kontrasztra van szükség, hogy a berendezés megfelelően detektálhassa az eredményeket, ezért a nem fehér ponyvákat a megfigyelt területen fehérre festettem, majd ezen a részen jelöltem a vizsgálandó tartományt. A befogás meglehetősen nehézkes művelet, sok időt vesz igénybe mire a befogópofákat az adott vizsgálati irányra pontosan merőlegesen sikerül felszerelni. Ennek megkönnyítése érdekében a 28. ábrán látható minták karjaira felrajzolt vonalakhoz igazítottam a befogópofákat. További nehézségeket okozott maga a befogás is, hiszen figyelni kellett, hogy a berendezés függőlegesen álljon, továbbá a karok elhelyezésére is ügyelni kellett, hogy a vizsgálandó terület pontosan középen legyen.
28. ábra A biaxiális vizsgálatokhoz előkészített próbatestek
Mindhárom ponyváról 3-3 mérést végeztem, azonban mivel a mérés során az adatok detektálása két külön gépen történik, csak otthon vettem észre, hogy egyes adatsorok értékelhetetlenek. Előfordult ugyanis, hogy a ponyvákra felrajzolt négyzet ugyan eléggé kontrasztos volt, azonban a ponyvák becsillogtak, ezért a videoextenzométer adatai által kirajzolt görbe nem sima, hanem „szőrös”. A fehér és a szürke ponyvából így sajnos csak egy-egy mérés értékelhető. A fehér ponyva biaxiális húzóvizsgálatának mérési eredményei a 29. ábrán láthatóak, baloldalon a ciklikus erőgerjesztés, jobboldalon pedig a nyúlás válaszfüggvény látható. Feltűnő, hogy a két diagram időskálája nem azonos, ennek 23
az az oka, hogy az adatokat két külön gép detektálta, amelyeknek eltért az időegysége, a gerjesztést a szakítógép, a választ a videoextenzométer adatai adták. A diagramon látható minimum és maximum nyúlásértékek ciklusról ciklusra növekednek, „kúszás” szerűen (a fekete burkológörbék szemléltetik). Látható, hogy a minimumértékek növekedése jelentősebb. 1200 1000 F [N]
800 600 400 200 0 0
500 t[s]
1000
29. ábra A fehér ponyva biaxiális vizsgálatának gerjesztés (erő-idő) ,valamint válasz (megnyúlás-idő) diagramja, zöld: erőérték, kék: láncirányú nyúlás, piros: vetülékirányú nyúlás, fekete: burkológörbe
Az eredmények összevethetősége érdekében a két időskálát összeillesztettem, az eltérő értékek összehasonlíthatóságát pedig relatív skála alkalmazásával oldottam meg (az adatsorok maximális abszolútértékű tagjával leosztottam az adatsor minden elemét, így az értékkészlet a [-1,1] intervallumon mozog). Az így kapott diagram a 30. ábrán látható. Megfigyelhető, hogy az erő és a nyúlás maximum nincs teljesen szinkronban, ez valószínűleg a szakítógép szabályozási problémájából adódik. Ennek a görbének a menete további magyarázatra szorul, főleg azért, mert a vetülékirányú nyúlás negatív tartományban van, tehát az erőterhelés hatására nyúlás helyett zsugorodott. 1 0,8 0,6 relatív erő
0,4
relatív vetülékirányú nyúlás relatív láncirányú nyúlás
0,2 0 0
200
400
600
800
1000
1200
1400
-0,2 30. ábra: A fehér ponyva biaxiális vizsgálatának relatív megnyúlás és erő értékei az idő függvényében; kék: láncfonal, piros: vetülékfonal, zöld: erőérték
24
A szürke ponyva biaxiális ciklikus vizsgálatának gerjesztés és válaszfüggvénye a 32. ábrán látható. Ebben az esetben is megjelenik a „kúszás” jelleg, amit a burkológörbékkel jelöltem. Ahogy a szakítópróbák értékelésénél is említettem, a szürke ponyva esetében a vetülékirány a gyengébb, viszont a láncirány nyúlása kisebb, ezt a biaxiális mérések válaszdiagramja is alátámasztja. 1400 1200 F [N]
1000 800 600 400 200 0 0
500 t [s]
1000
31. ábra A szürke ponyva biaxiális vizsgálatának gerjesztés (erő-idő) ,valamint válasz (megnyúlás-idő) diagramja, zöld: erőérték, kék: láncirányú nyúlás, piros: vetülékirányú nyúlás, fekete: burkológörbe
Az összeillesztett diagramon (33. ábra) látszik, hogy az erő és nyúlásértékek már szinkronban vannak. A vetülék és lánc irányú nyúlás ellentétes fázisban van, addig a szürke ponyva esetében azonosban. 1
0,8
0,6 relatív erő relatív vetülékirányú nyúlás relatív láncirányú nyúlás
0,4
0,2
0 0
200
400
600
800
1000
1200
1400
t [s] 32. ábra A szürke ponyva biaxiális vizsgálatának relatív megnyúlás és erő értékei az idő függvényében; kék: láncfonal, piros: vetülékfonal, zöld: erőérték
A sárga ponyva felülete matt, ezért már az első mérés is értékelhető lett, így ebből a ponyvából készítettem egy egész 3 mérésből álló mérési sorozatot (34-36. ábra).
25
700
5
600
4 3
400
ε [%]
F [N]
500 300 200
2 1
100
0
0 0
500
t [s]
1000
-1
1500
0
500
1000
1500
t [időegység]
33. ábra A sárga ponyva első biaxiális vizsgálatának gerjesztés (erő-idő) ,valamint válasz (megnyúlásidő) diagramja, zöld: erőérték, kék: láncirányú nyúlás, piros: vetülékirányú nyúlás
Az első mérés diagramján (33. ábra) a 3. felfutási ágon látható horpadás a mérés során azért keletkezett, mert az erő maximum és minimum értékeihez közeledve a szakítógép szabályozása miatt a mérés leáll, és manuálisan kell folytatni, sajnos egy kis időkéséssel vettem észre, ennek tudható be az átmeneti erőcsökkenés. 600
F [N]
500 400 300 200 100 0 0
500 t [s]
1000
34. ábra A sárga ponyva második biaxiális vizsgálatának gerjesztés (erő-idő) ,valamint válasz (megnyúlás-idő) diagramja, zöld: erőérték, kék: láncirányú nyúlás, piros: vetülékirányú nyúlás, fekete: burkológörbe
600
5
500
4
400
3 ε [%]
F [N]
A második (34. ábra) és a harmadik (35. ábra) mérés során viszont már igyekeztem minél jobban csökkenteni a várakozási időt. A kirajzolódott görbék emiatt egyenletesebbek is lettek. A második mérés ábráján látható a már említett, burkológörbék által határolt „kúszás” jelleg.
300 200
2 1
100
0
0 0
500 t [s]
-1
1000
0
500 1000 t [időegység]
35. ábra A sárga ponyva harmadik biaxiális vizsgálatának gerjesztés (erő-idő) ,valamint válasz (megnyúlás-idő) diagramja, zöld: erőérték, kék: láncirányú nyúlás, piros: vetülékirányú nyúlás
26
A sárga ponyva három mérése közül a második mérést találtam a legpontosabbnak, ezért ennek rajzoltam ki az összeillesztett diagramját, amely a 36. ábrán látható. Ebben az esetben is, akárcsak a szürke ponyva esetében a vetülék és lánc irányú nyúlás azonos fázisban van, és a várakozásoknak megfelelően alakul. 1
0,8
0,6
relativ ero
0,4
relatív láncirányú nyúlás
0,2
relatív vetülékirányú nyúlás
0 0
200
400
600
800
1000
1200
36. ábra A sárga ponyva második biaxiális vizsgálatának fajlagosított megnyúlás és erő értékei az idő függvényében; kék: láncfonal, piros: vetülékfonal, zöld: erőérték
4.3. Uniaxiális húzóvizsgálatok Az uniaxiális ciklikus húzóvizsgálatok is erővezéreltek voltak a nyúlások megfelelő detektálhatósága érdekében. A húzóerőt a láncirányú szakítóerők 25%-ban határoztam meg. A próbatesteket 50 mm szélesre és 200 mm hosszúságúra szabtam (37. ábra). A videoextenzométerrel vizsgált rész 30x30 mm-es négyzet volt a próbatestek közepén. A videoextenzométeres méréseknél a vizsgált területen nagy kontrasztra van szükség, hogy a berendezés megfelelően detektálhassa az eredményeket, ezért a nem fehér ponyvákat a megfigyelt területen fehérre festettem, majd ezen a részen jelöltem a vizsgálandó tartományt.
37. ábra Az uniaxiális vizsgálatokhoz előkészített próbatestek
27
Az extenzométer által regisztrált értékek csak a mérés befejezését követően, az adatok számítógépes feldolgozása során válnak láthatóvá és értékelhetővé. Így történhetett meg, hogy a szürke és a sárga ponyva uniaxiális ciklikus mérési eredményei használhatatlanok, ezért az alábbiakban csak a fehér ponyva méréseit értékelem. Mivel a három mérés szinte ugyanolyan eredményt mutatott, ezért az alábbiakban csak az első mérés diagramjai láthatóak (38. és 39. ábra). 3
600
2,5
2
400 ε [%]
F [N]
500
300 200
1,5 1
100
0,5
0
0
0
100
200
300 t [s]
400
0
500
100
200 300 t [időegység]
400
38. ábra A fehér ponyva első uniaxiális mérésének gerjesztés (erő-idő) ,valamint válasz (megnyúlásidő) diagramja, zöld: erőérték, kék: láncirányú nyúlás
Az uniaxiális, láncirányú ciklikus húzásnak köszönhetően azonos erőterhelés esetén nagyobb a láncirányú megnyúlás, mint a biaxiális ciklikus terhelés esetén. Az uniaxiális ciklikus mérések készítésekor, még nem sikerült a videoextenzométer két különböző irányú adatait elmenteni, ezért a mérések során csak a láncirányú nyúlást vizsgáltam, a vetülékirányú kontrakciót nem. 1
0,8
0,6 relatív erő relatív láncirányú nyúlás
0,4
0,2
0 0
100
200
t [s]
300
400
500
39. ábra A fehér ponyva első biaxiális vizsgálatának relatív megnyúlás és erő értékei az idő függvényében; kék: láncfonal, zöld: erőérték
28
Érdekes jelenség, hogy az uniaxiális mérés első ciklusának feszültség-megnyúlás diagramját kirajzolva (40. ábra) eltérő görbét ír le a videoextenzométer, valamint a keresztfej elmozdulásából detektált adatsor. Ez a jelenség további vizsgálatokra ad okot. A felfutó és a lefutó ág eltérő jellegét a hiszterézis okozza.
40. ábra A fehér ponyva első uniaxiális mérése első ciklusának feszültség-megnyúlás diagramja: kék – videoextenzométerrel detektálva, narancs – keresztfej elmozdulásból számítva
29
4.4. Kezdeti rugalmassági modulusz meghatározása A vizsgálatok kiértékelése során fontos kérdés, hogy az E rugalmassági modulusz értéke változik-e az uniaxiális terheléshez képest biaxiális terhelés esetén. A kérdés megválaszolásához az E0 kezdeti rugalmassági modulusz értékét vizsgáltam. Ehhez az uniaxiális és a biaxiális húzóvizsgálatait vetettem össze. Mivel az uniaxiális mérések közül sajnos csak a fehér ponyva detektált értékei lettek használhatóak, így csak ezeket tudom vizsgálni. Az uniaxiális mérések felfutó szakaszát először is átrajzoltam egy feszültség – nyúlás görbébe, ugyanis ennek a görbének az érintő meredeksége határozza meg az E0 értékét (41. ábra). 20
20
y = 5,475x + 2,6
y = 6,1576x + 1,9 15
σ [MPa]
σ [MPa]
15 10
5
5
ε [%]
0 -0,5
10
0
0,5
1
1,5
2
ε [%]
0
a) 2,5
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
b) 2,5
20 15
σ [MPa]
y = 3,9523x + 3,8 10 5
ε [%]
0 -0,5
0
0,5
1
1,5
2
c) 2,5
41. ábra Fehér ponyva lánc irányú uniaxiális húzóvizsgálatokból szerkesztett feszültség-megnyúlás diagramok első felfutó szakaszai: a) első próbatest, b) második próbatest c) harmadik próbatest
A görbék menete eltér a normál szakítóvizsgálatoknál felvett görbéktől, mert itt a vizsgálat során a húzóerőt növeltem időben egyenletesen és nem a nyúlást. Miután kirajzoltam a felfutó ágat, trendvonalat illesztettem (kihagyva a kezdeti tranzienseket) a 0,5 és 1,5% relatív nyúlás közötti szakaszra, amelyek egyenlete az ábrákon látszik. A meredekség tehát megadja a lánc irányú kezdeti rugalmassági modulus értékét (a meredekség százszorosát kell venni, mert a nyúlás %-ban adott). A három E0 értékéből becsülök egy ̃ 0 átlagos várható értéket (7. táblázat). Utána a biaxiális mérések feszültség-megnyúlás diagramjának felfutó szakaszából (42. ábra) ugyanígy megállapítok egy E0 értéket és a kettő hányadosát képezve kapok egy ξ viszonyszámot. 30
̃ 7. táblázat Az uniaxiális ciklikus mérésekből számított kezdeti rugalmassági modulusz értékek
A 42. ábrán látható a fehér ponyva biaxiális húzóvizsgálatának eredményeiből szerkesztett lánc irányú feszültség-megnyúlás diagram felszálló ága. Látható, hogy a görbe teljesen más, konkáv jelleget mutat. A biaxiális mérések esetén a lánc irányt terheli még a mérőkeret súlya is, ezért az erőértékeket kompenzáltam vele, igaz a kezdeti rugalmassági modulusz értékét nem befolyásolja, hiszen a konstans eltérés miatt az egyenes meredeksége nem változik. 20 y = 8,307x + 2,5
σ [MPa]
15
10
5
0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
ε [%] 42. ábra Fehér ponyva biaxiális húzóvizsgálatának lánc irányú feszültség-megnyúlás diagramja kezdeti szakasza
A meredekség alapján meghatározható tehát: (4.1) Mivel a rugalmassági modulus a terheléssel szembeni ellenálló képességet jelenti, ezért logikus, hogy biaxiális terhelés esetén nagyobb az értéke, mint uniaxiális esetben. Bevezetve ξ hányadost: (4.2)
̃
ξ segítségével és elegendő mérési tapasztalat birtokában az uniaxiális mérések alapján biaxiális terhelési esetre is megbecsülhető a kezdeti rugalmassági modulusz.
31
4.5. Bedolgozódás meghatározása A fonalak bedolgozódásának ismerete fontos a szövetek lánc- és vetülékirányú nyúlásának értelmezéséhez. Ponyva esetében azonban a bedolgozódást nem lehet a fonal kihúzásával meghatározni. A vizsgált ponyvákban a fonalak bedolgozódását keresztmetszeti SEM felvételek alapján határoztam meg. 4.5.1. Elméleti háttér Szöveteknél a kötéspont sűrűség lánc- és vetülékfonal sűrűséget jelent. A kötéspontok ismétlődő hurokelemet határoznak meg, amelynek például x-irányú lx valós ívhossza a vetületi cx kötéscella méreténél a bedolgozódás bx értékével hosszabb: (4.3) (4.4) Ennek meghatározásához az A amplitudójú és lx hosszúságú szinuszvonalú ív a 43. ábra jelölésrendszerével az alábbiak szerint közelíthető [16]:
43. ábra Félszinusz vonal [16]
A görbe egyenlete: (4.5) A deriváltja:
y
A x cos cx cx
(4.6)
Az ívhossz matematikailag pontos képlete:
lx
cx
0
1 ( y ) dx 2
cx
0
A 2 2 x 1 2 cos2 dx cx cx
(4.7)
A közelítő képletet az integrandusz binomiális sorának első két tagja alapján vezetem be: cx
lx 0
cx A2 2 A2 2 2 A2 2 x 2 x 1 2 cos dx 1 cos dx cx 2 cx cx 4c x cx 2 c 0 x
32
(4.8)
4.5.2. SEM felvételek A fent levezetett képlet segítségével tehát meghatározható a fonalak bedolgozódása. Ehhez pásztázó elektronmikroszkópos felvételeket használtam. A képek utólagos kiértékeléséhez az ImageJ szoftvert használtam. Az alábbi képen (44. ábra) látható a fehér ponyva láncirányból készült keresztmetszeti képe, tehát a képen a vetülékfonalak láthatóak. A zöld vonallal jelöltem a szálak becsült középvonalát, majd meghatároztam az A és cx értékét.
44. ábra Fehér ponyva keresztmetszete láncirányból, tehát a vetülékfonalak láthatóak
Számításaim szerint a fehér ponyva vetülékfonalainak a bedolgozódása: bx=0,001028=0,103%, ezzel szemben a láncirányúak (45. ábra) bedolgozódása: by=0,0421=4,21%. Vagyis megállapítható, hogy a ponyva készítésekor a vetülékfonalak voltak feszítve, pedig általában a láncirányú feszítettség a jellemző. A szakító, húzó- és biaxiális vizsgálatok eredményei is ezt erősítik meg, tehát a SEM felvételek készítésekor nem cseréltem fel a két irányt.
45. ábra Fehér ponyva keresztmetszete vetülékirányból, tehát a láncfonalak láthatóak
33
Számításaim szerint a szürke ponyva vetülékfonalainak (46. ábra) a bedolgozódása: bx=0,02235=2,23%. Ezzel szemben a lánc irányú (47. ábra) bedolgozódása: by==0,000778=0,077%. Vagyis megállapítható, hogy a ponyva készítésekor a fehér ponyvával ellentétben a lánc irányú szálak voltak feszítve, mint ahogy az általában szokás.
46. ábra Szürke ponyva keresztmetszete láncirányból, tehát a vetülékfonalak láthatóak
A 46. és 47. ábrán eltérő nagyításban láthatóak a ponyvaszeletek, ez a beállítás nehézségeinek köszönhető, azonban nem befolyásolja a bedolgozódás meghatározhatóságát.
47. ábra Szürke ponyva keresztmetszete vetülékirányból, tehát a láncfonalak láthatóak
A sárga ponyva esetén a bedolgozódás (48-49. ábra) jellegében hasonlít a szürke ponyváéra, tehát a vetülékfonalak bedolgozódása nagyobb, azaz a láncirány volt megfeszítve, nagyságában viszont a fehér ponyvához hasonlít. A két bedolgozódás aránya (bx=0,03556=3,55% és by=0,00187=0,187%) közel 30, akárcsak a fehér ponyva esetén.
34
48. ábra Sárga ponyva keresztmetszete láncirányból, tehát a vetülékfonalak láthatóak
49. ábra Sárga ponyva keresztmetszete vetülékirányból, tehát a láncfonalak láthatóak
A bedolgozódás jelentősége abban nyilvánul meg, hogy abban az irányban, amelyben a bedolgozódás nagy, nagyobb a fonaltartalék, emiatt nagyobb a ponyvának a fonalak kiegyenesedéséből származó, úgynevezett szerkezeti nyúlása. A kapott bedolgozódási értékek arányosak a mért megnyúlásokkal, ez főleg a fehér ponyva esetén szembetűnő, ennél ugyanis jóval nagyobb a láncirányú bedolgozódás, és a láncirányú nyúlás is jelentősebb a terhelés hatására.
35
5. ÖSSZEFOGLALÁS Munkám során a biaxiális ciklikus mérésekhez kialakított, tanszéki fejlesztésű mérőkeretet teszteltem. A berendezéssel eddig csupán egyetlen mérés lett végezve, ezért szükségszerű volt további mérések elvégzése. A mérésekhez három különböző ponyvát használtam, amelyeken először egytengelyű szakítóvizsgálatokat végeztem, majd a szakítóerők ismeretében meghatároztam a ciklikus húzóvizsgálatokhoz szükséges terhelést. Referenciaként először uniaxiális ciklikus méréseket végeztem a láncirányú szakítóerők 25%-ig terhelve a ponyvákat, majd biaxiális ciklikus húzóvizsgálatokat is végeztem ugyancsak a láncirányú szakítóerők 25%-ig növelt terheléssel. Végezetül a ponyvák bedolgozódásának meghatározásához a ponyvák vetülék- és láncirányú keresztmetszeteiről SEM felvételeket készítettem. A mérések során azzal a problémával szembesültem, hogy az erővezérelt ciklikus vizsgálatok során az erőérték minimum illetve maximum értékéhez közeledve a program leállt és manuálisan kellett indítani. Ezért a pontosabb vizsgálatok eléréséhez szükségszerű lenne a szakítógép vezérlőprogramjának javítása, valamint fejlesztése. Továbbá a ponyvák előkészítését jelentősen segítené egy merev sablon is, amellyel gyorsabban lehetne felrajzolni a mintát, valamint egyszerűbben lehetne a próbatesteket kivágni. A vizsgálatok során azt tapasztaltam, hogy nagyon befolyásolják a mérést a fényviszonyok, ezt ki lehetne küszöbölni, ha egyszerre több fényforrásból lenne a próbatest megvilágítva. Azonban ez nagymértékű csillogást eredményezhet, ami esetleg zavarhatja a mérést. Ennek elkerülésére egy megfelelő fedést biztosító matt fehér festéket kellene keresni. Észrevételeim szerint a mérések pontosabb detektálásához célszerű lenne elkészíteni az irodalomkutatás során említett képfeldolgozó programot, amely lehetővé tenné a ponyvák vizsgált tartományán a nyúláseloszlás elemzését. Magyarázatra szorulnak még a biaxiális ciklikus vizsgálatok során „kúszás” jelleget öltő görbék is, ahol a nyúlásértékek minimum és maximum értékei az időben növekednek. Ennek elemzéséhez további mérések szükségesek. Valamint érdemes lenne tovább vizsgálni a fehér ponyvának a várttól eltérő nyúlásértékeit is (ugyanez a probléma felvetődik a korábban mért, üvegszálas teflonnal kent ponyva esetében is). Összességében megállapítható, hogy a tesztelt mérőkeret jól vizsgázott, és alkalmas a nagy szilárdságú, hajlékony, lapszerű anyagok, mint műszaki szövetek és ponyvák biaxiális húzóvizsgálatára.
36
6. SUMMARY During my experiments I examined membranes biaxial cyclic tensile testing with the device that was developed by the Polymertechnology department. The device has been carried out only one single measurement, so it was necessary to made additional tests. For the measures I used three different tarps, which were first carried out uniaxial tensile testing, and then by the knowledge of tensile forces I determined the necessary tensile loads for the biaxial cycling tensile tests. At first measurements were performed uniaxial cyclic tensile tests as reference increased up the 25 % of warp tensile strength. Then biaxial cyclic tensile tests were carried out, increased the load up to 25% of the warp direction tensile strength. Finally, to determine the membranes structure there were carried out images by scanning electron microscope from warp and weft directional cross section. During the measurements I faced a problem that during the force-controlled cyclic tests, approaching the minimum and maximum value of the force load, the program stopped and had to restarted manually. Therefore, in order to achieve more accurate tests, it would be necessary to improveand develop the tensile machine control program. In addition, it would help the prepararation if a rigid template were carried out, which would help to draw the sample faster and easier to be cut out the specimens. During the study it was found that the measurement is influenced by the light conditions, this could be avoided if more than one light source would illumine the specimen. However, this may result glare, which may influence the measurement. An appropriate matte coverage white paint could avoid this effect. The measurements should be carried out more accurate detection if there were an image processing program, which would allow to detect strain distribution instead of strain. It is needed more explanation the effect during the biaxial cyclic tests "creep", where the minimum and maximum strain values increasing of the time. As a further analysis of the measurements required. It would be worthwhile further investigation about the white tarp strain values differ from the expectation (the same problem arises for the previously measured, PTFE lubricated fiberglass tarp as well). The overall conclusion is that the test device performed well and is suitable for high-strength, flexible, sheet-like materials such as engineering membrane and fabric biaxial tensile testing.
37
7. FELHASZNÁLT FORRÁSOK 1. Vas L. M.: Textilanyagok szerkezetének elemzése számítógépes modellezéshez, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, 2003 2. T-W. Chou, F. K. Ko: Textile structural composites, Elsevier Science Publishing Company, Amsterdam, 1989 3. Al-Gaadi B.: Szőtt kompozit-erősítőszerkezetek 3D-s deformációs tulajdonságainak elemzése, Phd dolgozat, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi egyetem, 2012 4. C. Galliot, R. H. Luchsinger: A simple model describing the non-linear biaxial tensile behaviour of PVC-coated polyesther fabrics for use in finite element analysis, Composite Structures, Vol. 90, 438-447, 2009 5. V. Quaglini, C. Corazza, C. Poggi: Experimental characterization of orthotropis technical textiles under uniaxial and biaxial loading, Composites Part A, Vol. 39, 1331-1342, 2008 6. A. Smith, D. Van Hemelrijck, T. P. Philippidis, A. Cardon: Design of a Cruciform specimen for biaxial testing of fibre reinforced composite laminates, Composites Science and Technology, Vol. 66, 2006, 964-975 7. B. Duoba, J. Lombardo, K. T. Minn, J. Rodriguez: Device to Dynamically Stretch Cells during Microscopic Visualization, Worchester Polytechnic Institute,2012 8. Sz.N.: Ciklikus biaxiális húzóvizsgálati jegyzőkönyv, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Polimertechnika Tanszék 9. Hegyi Dezső: Ponyvaszerkezetek és ponyvaanyag nemlineáris vizsgálata numerikus és kísérleti módszerekkel, PhD disszertáció, BME, (2006) 10. X. Liu, R. D. James: Stability of fiber networks under biaxial stretching, Journal of Applied Mechanics, Vol. 62, 1995, 398-406 11. P Boisse, M. Borr, K. Buet, A. Cherouat: Finite element simulations of textile composite forming including the biaxial fabric behaviour, Composites Part B, Vol. 28B, 1997, 453-464. 12. P. Boisse, A. Gasser, G. Hivet: Analyses of fabric tensile behaviour: determination of the biaxial tension-strain surfaces and their use in forming simulations, Composites, Vol. Part A 32, 2001, 1395-1414 13. A. Gasser, P. Boisse, S. Hanklar: Mechanical behaviour of dry fabric reinforcements. 3D simulations versus biaxial tests, Computational Materials Science, Vol. 17, 2000, 7-20 14. Sz.N.: Ciklikus biaxiális húzóvizsgálati jegyzőkönyv, Blum Stuttgart laboratórium, 2007 38
15. Tatár N.: Hajlékony lapszerű anyagok hajlításmérési módszereinek összehasonlítása, TDK dolgozat, BME, 2013 16. Hegedűs I.: Térbeli tartószerkezetek tervezése című tárgy segédlete, BME, Magasépítési Tanszék, 2014, http://www.epito.bme.hu/met/oktatas/feltoltesek/BMEEOMESA8/ivhossz.doc (2014.10.22.)
39
