Szakítás BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK POLIMEREK SZAKÍTÓVIZSGÁLATA

A1

Változat: 3.5. Kiadva: 2014. február 7.

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK

Szakítás

POLIMEREK SZAKÍTÓVIZSGÁLATA

A JEGYZET ÉRVÉNYESSÉGÉT A TANSZÉKI WEB OLDALON KELL ELLENŐRIZNI! WWW.PT.BME.HU

A1 – SZAKÍTÁS


A LABORGYAKORLAT HELYSZÍNE

TARTALOMJEGYZÉK 1.

A GYAKORLAT CÉLJA ........................................................................................................................ 3

2.

ELMÉLETI HÁTTÉR ............................................................................................................................. 3 2.1.

A PRÓBATEST ..................................................................................................................................... 3

2.2.

MÉRÉSI KÖRÜLMÉNYEK ..................................................................................................................... 4

2.3.

A SZAKÍTÓVIZSGÁLATBÓL MEGHATÁROZHATÓ MECHANIKAI JELLEMZŐK ......................................... 7

A MÉRÉS SORÁN HASZNÁLT GÉPEK, BERENDEZÉSEK ................................................................... 11 3.

A TÉMÁHOZ KAPCSOLÓDÓ FONTOSABB SZAVAK ANGOLUL, NÉMETÜL ...................... 11

4.

AJÁNLOTT IRODALOM ..................................................................................................................... 11

MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV ............................................................................................................................ 11

Polimerek szakító vizsgálata

2/13

A1 – SZAKÍTÁS


1. A gyakorlat célja A mérés célja, hogy a hallgatók különböző polimer anyagú próbatestek példáján keresztül megismerjék a kvázi-statikus szakítóvizsgálat módszerét és a szakítóvizsgálattal meghatározható főbb mechanikai tulajdonságokat. Megismerjék továbbá a szakítóvizsgálat során a polimer anyagok esetén tapasztalható jelenségeket (pl. nyakképződés), illetve a fémek viselkedésétől való eltéréseket.

2. Elméleti háttér A szakítóvizsgálat során a szabványban leírt geometriájú próbatestet két végénél befogva, meghatározott mérési körülmények (szakítási sebesség, hőmérséklet, nedvességtartalom) mellett egytengelyű húzó igénybevétel mellett szakítjuk el, eközben mérjük és regisztráljuk a hosszváltozás függvényében fellépő húzóerőt.

2.1. A próbatest A polimerek egyik sajátossága, hogy a szakítódiagramjuk, és így a belőle meghatározható mechanikai jellemzőik függnek a próbatest alakjától és méreteitől. A gyakorlatban kör és téglalap keresztmetszetű próbatesteket alkalmaznak, polimer anyagoknál a téglalap keresztmetszet terjedt el jobban. Ennek geometriai méretei is az anyag típusától függően változnak. Arra, hogy egy adott anyagnál melyiket kell használni, az EN ISO 527-es szabvány tartalmaz előírásokat [1]. Az 1. ábrán a hőre lágyuló polimerek (a) és a kompozitok (b) vizsgálatára alkalmazott próbatestek láthatók.

a

b 1. ábra Próbatest típusok: (a) hőre lágyuló polimer anyaghoz, (b) hőre keményedő mátrixú kompozithoz


3/13

Változat: 3.5.

A1 – SZAKÍTÁS

A próbatestek

gyártástechnológiája és

annak beállítási

Kiadva: 2013. február 7.

paraméterei

is

nagyban

befolyásolhatják a mechanikai jellemzőket. Hőre lágyuló polimerekből gyakran fröccsöntéssel állítanak elő próbatesteket. A 2/a ábrán egy kétfészkes szerszámmal előállított, egyik végéről fröccsöntött próbatest-pár képe látható, míg a 2/b ábrán szintén kétfészkes, de két végéről fröccsöntött próbatest-pár látható. Míg az egyik végéről fröccsöntött próbatest esetén közel homogén ömledékáram halad végig a fészekben (3/a ábra), addig a két végéről fröccsöntött esetben a próbatest közepe környékén ömledék összecsapási front alakul ki (3/b ábra), amelynél a kohéziós kapcsolat gyengébb lesz, és ez a mechanikai jellemzőkben is megjelenik. A gyakorlaton egyik végéről fröccsöntött próbatestek kerülnek vizsgálatra.

a)

b)

2. ábra Különböző meglövésű próbatestek: (a) egyik végéről fröccsöntött próbatestek, (b) két végéről fröccsöntött próbatestek

a)

b)

3. ábra Különböző meglövésű próbatestekben kialakuló ömledékfrontok: (a) egyik végéről fröccsöntött próbatest, (b) két végéről fröccsöntött próbatest

2.2. Mérési körülmények Napjainkban a legnagyobb mennyiségben felhasznált tömeg és műszaki célú polimerek tipikus szakítógörbéit mutatja a 4. ábra. Jól látható, hogy mennyire eltérő viselkedést mutatnak az egyes polimer típusok. Vannak olyanok, amelyek azonos körülmények mellett ridegen törnek, de akadnak olyanok is, amelyek több száz %-os nyúlást képesek elviselni teljes tönkremenetel nélkül.


4/13

Változat: 3.5.

A1 – SZAKÍTÁS


4. ábra Egyes polimer típusok tipikus szakítógörbéi

A polimerekre jellemző, hogy a vizsgálati körülmények megváltozása jelentősen befolyásolja az anyag mechanikai tulajdonságait. Az alábbiakban a főbb befolyásoló paraméterek és azok hatásai kerülnek áttekintésre. Szakítási

sebesség:

nagyobb

szakítási

sebességek

esetén

a

viszkoelasztikus

tulajdonságokkal rendelkező anyagok (polimerek) merevebben viselkednek, általában a szilárdságuk is nagyobb értékre adódik. (5/a ábra). Amíg a fémek illetve polimer mátrixú kompozitok esetén 1 mm/perc nagyságrendű a szakítási sebesség, addig a hőre lágyuló polimerek illetve elasztomerek esetén, ahol több 100 %-os relatív nyúlás jöhet létre, az alkalmazott szakítási sebességek is nagyságrend(ekk)el nagyobbak is lehetnek. Vizsgálati hőmérséklet: a polimerek esetén már kis hőmérsékletváltozás is jelentősen befolyásolja a merevséget, a szilárdságot, illetve a tönkremeneteli folyamat jellegét. A polimerek az ún. üvegesedési hőmérsékletük (Tg) alatt üvegszerű állapotban ridegen, míg e felett az ún. nagyrugalmas állapotban szívósabban viselkednek és nagyobb a szakadási nyúlásuk is (5/b ábra).


5/13

Változat: 3.5.

A1 – SZAKÍTÁS

a


b

5. ábra (a) Szakítási sebesség illetve (b) hőmérséklet hatása a szakítógörbékre

Nedvességtartalom: vannak olyan polimerek, amelyek képesek a tulajdonságaikat befolyásoló mennyiségű (1-4%) nedvesség abszorbeálására (pl.: poliamidok, poliészterek, természetes polimerek, egyes szálerősített kompozitok). A nedvességnek lágyító hatása van, azaz csökkenti a rugalmassági modulust, szilárdságot és növeli a szakadási nyúlást (6. ábra).

6. ábra Hidrofil polimer szakítógörbéi különböző nedvességtartalom mellett


6/13

Változat: 3.5.

A1 – SZAKÍTÁS


2.3. A szakítóvizsgálatból meghatározható mechanikai jellemzők A szakítóvizsgálat eredményeként az adott mérési körülményekre vonatkozóan megkapjuk az anyag erő-nyúlás (F-l) görbéjét. Ezt át lehet paraméterezni mérnöki feszültség-relatív nyúlás (-) görbévé (7. ábra): az erő tengely helyén a mérnöki feszültséget ( [MPa]) megkapjuk, ha az erőt (F [N]) osztjuk a próbatest kiindulási keresztmetszetével (A0 [mm2]):



F [MPa], A0

(1)

a relatív nyúlás () pedig a próbatest megnyúlásának (l [mm]; l= l-L0, ahol l a próbatest aktuális hossza) és a kezdeti mérési hossznak (L0 [mm]) a hányadosa:





l  100 [%]. L0

(2)

F

M  B FB

FM

M

Y F

B

Y

Y

P F

P

P

LP

P

L Y

Y

LM

L B L

M B

7. ábra Általános szakító diagram



A szakítóvizsgálat során regisztrált erő-nyúlás görbéből (illetve az ebből képezhető feszültség-relatív nyúlás görbéből) a következő mechanikai mennyiségeket lehet leolvasni, illetve számítani:

Y folyás határ: az az első feszültség, amelynél a nyúlás a feszültség növekedése nélkül növekszik. A gyakorlatban bizonyos polimereknél fel sem lép a folyás jelensége, másoknál több 100%-os folyási alakváltozás következhet be, amelyet a próbatesten nyakképződés és szerkezeti átalakulás kísérhet. A folyást bizonyos polimerek esetén az ún. feszültség fehéredés jelezheti.


7/13

A1 – SZAKÍTÁS


M húzószilárdság: a maximális erő és a kezdeti keresztmetszet hányadosa. A maximális erő elérésekor az anyag a leggyengébb pontjában helyileg instabil állapotba kerül, ezen a helyen megkezdődik a keresztmetszet kontrakciója, helyi keresztmetszet csökkenése. A folyamat folytatódhat nyakképződéssel, vagy hirtelen szakadással.

B szakító szilárdság: a szakadáskor mért erő és a kezdeti keresztmetszet hányadosa. A feszültség-relatív nyúlás diagram segítségével az alakváltozási mutatószámok is meghatározhatók. Ezek közül a legfontosabbak a következők: Nyúlás a maximális erőnél (M):

M 

LM  L0  100 [%], L0

(3)

ahol L0 a próbatest vizsgált szakaszának eredeti terheletlen hossza, LM a próbatest vizsgált szakaszának a maximális erőnél mért megnyúlt hossza. Szakadási nyúlás (B):

B 

LB  L0  100 [%], L0

(4)

ahol LB: a próbatest vizsgált szakaszának a szakadáskor mért megnyúlt hossza. A - görbéből a vizsgált anyagra nézve különböző rugalmassági modulusok határozhatók meg (E). Kétféle típusú rugalmassági modulusról beszélhetünk: Húr modulus (Eh): a görbe tetszés szerinti pontját az origóval összekötő egyenes meredeksége, természetesen pontról pontra változik (8. ábra). Érintő modulus (Ee): a görbe tetszőleges pontjához húzott érintő meredeksége (8. ábra). Mivel a szakítógörbe nem lineáris, így érintőjének meredeksége is pontról pontra változik. A feszültség - relatív nyúlás görbe origójába húzott érintőjének meredekségét kezdeti rugalmassági modulusnak nevezzük (E0). Ha a görbe kezdőpontjához nem pontosan húzzuk be az érintőt, akkor a


8/13

Változat: 3.5.

A1 – SZAKÍTÁS


pontos érintőtől való kis eltérés is nagy pontatlanságot eredményez a rugalmassági modulus értékében. Ezért a gyakorlatban a 0,05% és 0,25% relatív nyúlásértékhez tartozó görbepontokon átmenő egyenesnek a meredekségét tekintjük az anyag rugalmassági modulusának.

a

b

8. ábra Rugalmassági modulusok meghatározása, (a) húr modulus (b) érintő modulus

A szakítógörbe alatti terület a szakításra fordított munka, azaz a törési munka (WB). A törési munka rideg anyagoknál kisebb, szívós anyagoknál nagyobb. A törési munka és a rugalmassági modulus általában egymással fordítottan arányos. Mivel a gépészeti alkalmazásokban egyaránt nagy rugalmassági modulusú, ugyanakkor nagy szívósságú anyagokra van szükség, ezért a tervezésnél kompromisszumot kell kötni, és az adott szerkezetre optimalizálva kell megválasztani az adott mechanikai tulajdonságokkal rendelkező anyagot. l

WB 



F  dl [J],

(5)

0

Amint láttuk, a feszültségek számításánál az aktuális erőt mindig a kezdeti keresztmetszettel osztjuk. Ekkor az ún. látszólagos vagy mérnöki feszültségeket kapjuk. A nyúlás során azonban a próbatest keresztmetszete csökken. Ha a pillanatnyi erőt a pillanatnyi keresztmetszettel osztjuk, akkor a valódi feszültséget kapjuk. A pillanatnyi keresztmetszet (Ap) közelítőleg számítható a térfogat-megmaradás elvét feltételezve a következő összefüggéssel:


9/13

A1 – SZAKÍTÁS

A0  L0  A p  Lp  A p 


A0  L0 A L  0 0 , Lp L 0  l p

(6)

ahol: A0 a kezdeti keresztmetszet, L0 a kezdeti mérési hossz, Lp a pillanatnyi hossza az L0 kezdeti mérési hossznak, Lp =L0 +lp, lp az erő-nyúlás görbéről leolvasható pillanatnyi nyúlása a kezdeti mérési hossznak. Ez a számítási mód a próbatest szakítóvizsgálatának csak addig a szakaszáig használható, amíg a sűrűség állandó, illetve a próbatest keresztmetszete a hossz mentén azonosan csökken, azaz a helyi kontrakció megindulásától (8.a. ábra), illetve a nyakképződés szakaszában (8.b. ábra) már nem. Az összefüggés továbbá elhanyagolja a piskóta alakú próbatest két végénél levő keresztmetszet változást.

a.

b. 9. ábra Kontrakció: helyi keresztmetszet csökkenés (a) és nyakképződés: a kontrakció terjedése (b)


10/13

Változat: 3.5.

A1 – SZAKÍTÁS


A mérés során használt gépek, berendezések ZWICK Z020 TÍPUSÚ SZÁMÍTÓGÉP VEZÉRLÉSŰ UNIVERZÁLIS SZAKÍTÓGÉP (10. ÁBRA) A gép méréshatára: 20 kN Szakítási sebesség tartománya: 0,001..750 mm/min.

10. ábra ZWICK Z020 típusú számítógép vezérlésű univerzális szakítógép

3. A témához kapcsolódó fontosabb szavak angolul, németül Magyar Erő Elmozdulás Feszültség Hőmérséklet Húzószilárdság Nedvességtartalom Nyúlás Rugalmassági modulus Szakítási sebesség Szakítószilárdság Szakítóvizsgálat Szívósság

Angol Force Elongation Stress Temperature Tensile strength Moisture content Strain Young’s modulus Test speed Breaking strength Tensile test Toughness

Német e Kraft e Bewegung e Spannung e Temperatur e Zugfestigkeit s Feuchtigkeitsgehalt e Dehnung r Elastizitätsmodul e Prüfgeschwindigkeit r Bruchspannung e Zugprüfung e Zähigkeit

4. Ajánlott irodalom 1. EN ISO 527 szabvány: Szakítóvizsgálat 2. Czvikovszky T., Nagy P., Gaál J.: A polimertechnika alapjai, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2000 3. Hütte: A mérnöki tudományok kézikönyve, Springer-Verlag, 1993 Polimerek szakító vizsgálata

11/13

Változat: 3.5.

A1 – SZAKÍTÁS


Mérési jegyzőkönyv Név:

Jegy:

Neptun kód: Dátum:

Ellenőrizte:

Gyakorlatvezető:

1. Gyakorlaton elvégzendő feladatok – Különböző polimer próbatestek szakítóvizsgálatának elvégzése. – A regisztrált erő-nyúlás görbék alapján a mechanikai jellemzők kiszámítása. – A mechanikai jellemzők táblázatokba foglalása. – Összefoglaló grafikon készítése.

2. Alapadatok Környezeti hőmérséklet, T: Környezeti relatív légnedvesség:

Sorszám

Anyag

[°C] [%]

Vastagság

Szélesség

Szakítási hossz

[mm]

[mm]

[mm]

Szakítási sebesség [mm/min]

1 2 3 4 5 6


12/13

Változat: 3.5.

A1 – SZAKÍTÁS


3. Mérések kiértékelése Sorszám

A0

Anyag

2

[mm ]

Fmax

M

M

E0

[N]

[MPa]

[%]

[GPa]

1 2 3 4 5 6

4. Összefoglaló diagramok

σ

Szakítógörbék összehasonlítása

σM [MPa]

[MPa]

ε [%] εM

Szakítószilárdság összehasonlítása

Szakadási nyúlás összehasonlítása

[%]

E0

Minta sorszám Rugalmassági modulusz összehasonlítása

[GPa]

Minta sorszám


Minta sorszám

13/13

Szakítás BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK POLIMEREK SZAKÍTÓVIZSGÁLATA

Recommend Documents