View
3
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
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
Változat: 3.5.
Kiadva: 2013. február 7.
Polimerek szakító vizsgálata 2/13
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
A1 – SZAKÍTÁS
Változat: 3.5.
Kiadva: 2013. február 7.
Polimerek szakító vizsgálata 3/13
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.
1. ábra Próbatest típusok: (a) hőre lágyuló polimer anyaghoz, (b) hőre keményedő mátrixú kompozithoz
a
b
A1 – SZAKÍTÁS
Változat: 3.5.
Kiadva: 2013. február 7.
Polimerek szakító vizsgálata 4/13
A próbatestek gyártástechnológiája és annak beállítási 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.
A1 – SZAKÍTÁS
Változat: 3.5.
Kiadva: 2013. február 7.
Polimerek szakító vizsgálata 5/13
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).
A1 – SZAKÍTÁS
Változat: 3.5.
Kiadva: 2013. február 7.
Polimerek szakító vizsgálata 6/13
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
a b
A1 – SZAKÍTÁS
Változat: 3.5.
Kiadva: 2013. február 7.
Polimerek szakító vizsgálata 7/13
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]):
0A
F [MPa], (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:
100L
l
0
[%]. (2)
P
Y
Y
B
M
P M B
MB
Y
P
F
F
F
M
B
FY
L
FP
LP L Y ML LB
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.
A1 – SZAKÍTÁS
Változat: 3.5.
Kiadva: 2013. február 7.
Polimerek szakító vizsgálata 8/13
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):
100L
LL
0
0MM
[%], (3)
ahol L0 a próbatest vizsgált szakaszának eredeti terheletlen hossza, LM a próbatest vizsgált
szakaszának a maximális erőnél mért megnyúlt hossza.
Szakadási nyúlás (B):
100L
LL
0
0BB
[%], (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
A1 – SZAKÍTÁS
Változat: 3.5.
Kiadva: 2013. február 7.
Polimerek szakító vizsgálata 9/13
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.
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.
dlFW
l
0
B
[J], (5)
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:
a b
A1 – SZAKÍTÁS
Változat: 3.5.
Kiadva: 2013. február 7.
Polimerek szakító vizsgálata 10/13
p0
00
p
00ppp00
lL
LA
L
LAALALA
, (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)
A1 – SZAKÍTÁS
Változat: 3.5.
Kiadva: 2013. február 7.
Polimerek szakító vizsgálata 11/13
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 Angol Német
Erő Force e Kraft
Elmozdulás Elongation e Bewegung
Feszültség Stress e Spannung
Hőmérséklet Temperature e Temperatur
Húzószilárdság Tensile strength e Zugfestigkeit
Nedvességtartalom Moisture content s Feuchtigkeitsgehalt
Nyúlás Strain e Dehnung
Rugalmassági modulus Young’s modulus r Elastizitätsmodul
Szakítási sebesség Test speed e Prüfgeschwindigkeit
Szakítószilárdság Breaking strength r Bruchspannung
Szakítóvizsgálat Tensile test e Zugprüfung
Szívósság Toughness 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
A1 – SZAKÍTÁS
Változat: 3.5.
Kiadva: 2013. február 7.
Polimerek szakító vizsgálata 12/13
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: [°C]
Környezeti relatív légnedvesség: [%]
Sorszám Anyag Vastagság Szélesség Szakítási hossz
Szakítási
sebesség
[mm] [mm] [mm] [mm/min]
1
2
3
4
5
6
A1 – SZAKÍTÁS
Változat: 3.5.
Kiadva: 2013. február 7.
Polimerek szakító vizsgálata 13/13
3. Mérések kiértékelése
Sorszám Anyag A0 Fmax M M E0
[mm2] [N] [MPa] [%] [GPa]
1
2
3
4
5
6
4. Összefoglaló diagramok
Minta sorszám Minta sorszám
Minta sorszám
σM
[MPa]
εM
[%]
E0
[GPa]
σ
[MPa]
ε [%]
Szakítógörbék összehasonlítása Szakítószilárdság összehasonlítása
Szakadási nyúlás összehasonlítása Rugalmassági modulusz összehasonlítása
Recommended