POLIMEREK SZAKÍTÓ VIZSGÁLAT

1

4. POLIMEREK SZAKÍTÓ VIZSGÁLATA

4.1. A MÉRÉS CÉLJA

A mérés célja: hogy a hallgatók a fröccsöntött hore lágyuló polimer anyagú próbatestek példáján keresztül megismerjék a szakítóvizsgálat módszerét és a szakítóvizsgálattal meghatározható mechanikai tulajdonságokat, továbbá megfigyelhessék a polimer anyagok esetén tapasztalható jelenségeket (pl. nyakképzodés), illetve a fémekhez képesti eltéréseket.

4.2. ELMÉLETI HÁTTÉR

A szakítóvizsgálat során a szabványban leírt geometriájú próbatestet két végénél befogva, meghatározott mérési körülmények (szakítási sebesség, homérséklet, nedvességtartalom) mellett egytengelyu húzóigénybevétel mellett szakítjuk el, amely közben mérjük és regisztráljuk a megnyúlás függvényében a fellépo húzóerot.

4.2.1. Próbatest

A polimerek egyik sajátossága, hogy a szakítódiagramjuk és így a belole meghatározható mechanikai jellemzoik függnek a próbatest alakjától és méreteitol. A gyakorlatban kör és téglalap keresztmetszetu próbatest típusok vannak, polimer anyagoknál a téglalap keresztmetszetut használják. Ennek geometriai méretei is az anyag típusától függoen változnak. Hogy egy adott anyagnál melyiket kell használni, arra a szabványok tartalmaznak eloírásokat. Az 4.1. ábrán a nagy és normál nyúlású anyagok vizsgálatára alkalmas próbatestek láthatók.

a.

b.

4.1. ÁBRA PRÓBATEST TÍPUSOK: (A) PRÓBATEST NAGYNYÚLÁSÚ ANYAGHOZ, (B) NORMÁL SZAKÍTÓ PRÓBATEST

POLIMEREK SZAKÍTÓ VIZSGÁLAT

2

4.2.2. Mérési körülmények

Szakítási sebesség: a szakítási sebesség befolyásolja az anyag viselkedését. Nagyobb sebességek esetén az anyag szilárdabbnak, ridegebbnek látszik (4.2.a ábra). Míg fémek illetve erosített polimerek esetén 1 mm/perc nagyságrendu a szakítási sebesség, addig a hore lágyuló polimerek illetve elasztomerek esetén, ahol több 100 %-os relatív nyúlás jöhet létre, az alkalmazott szakítási sebességek is nagyságrend(ekk)el nagyobbak.

A.) B.)

4.2. ÁBRA (A) SZAKÍTÁSI SEBESSÉG ILLETVE (B) HOMÉRSÉKLET HATÁSA A SZAKÍTÓGÖRBÉKRE Vizsgálati homérséklet: a polimerek esetén már kis homérséklet változás is

jelentosen befolyásolja a szilárdságot, illetve a szakadási folyamat jellegét. Míg az üvegesedési homérséklet alatt a polimerek ridegen viselkednek, addig a nagyrugalmas állapotban szívósabban viselkednek nagyobb nyúlással (4.2.b. ábra).

Nedvesség tartalom: vannak olyan polimerek, amelyek több-kevesebb nedvességet képesek abszorbeálni (pl. a PA). A nedvességnek lágyító hatása van, azaz csökkenti a szilárdságot, növeli a nyúlást (4.3. ábra).

4.3. ÁBRA PA SZAKÍTÓGÖRBÉI KÜLÖNBÖZO NEDVESSÉGTARTALOM MELLETT

POLIMEREK SZAKÍTÓ VIZSGÁLAT

3

4.2.3. A szakítóvizsgálatból meghatározható mechanikai jellemzok

A szakítóvizsgálat eredményeként az adott mérési körülményekre vonatkozóan megkapjuk az anyag ero-nyúlás (F-∆l) görbéjét. Ezt egyszeruen át lehet paraméterezni feszültség-relatív nyúlás (σ-ε) görbévé (4.4. ábra): az ero tengely helyén a feszültséget (σ [MPa]) megkapjuk, ha az erot (F [N]) osztjuk a próbatest kiindulási keresztmetszetével (A0

[mm2]):

0AF

=σ [MPa], (4.1)

a relatív nyúlás (ε) pedig a próbatest megnyúlásának (∆l [mm]) és a kezdeti mérési hossznak (L0 [mm]) a hányadosa:

1000

⋅∆

=L

lε [%]. (4.2)

ε

σ

σ

ε

P

Y

σσ

σ

Y

B

M

εP εM εB

MB

Y

P

FF

F

M

B

FY

∆L

FP

∆LP L∆ Y ML∆ ∆LB

4.4. ÁBRA ÁLTALÁNOS SZAKÍTÓ DIA GRAM

A szakítóvizsgálat során regisztrált ero-nyúlás görbébol (illetve az ezzel ekvivalens

feszültség - relatív nyúlás görbébol) a következo mechanikai mennyiségeket lehet leolvasni, illetve számítani:

σp arányossági határ: eddig a feszültség értékig az alakváltozás arányos a feszültséggel, azaz ebben a tartományban érvényes a Hooke törvény:

εσ ⋅= E [MPa], (4.3) ahol E az anyag rugalmassági modulusa. A próbatest alakváltozása az

arányossági határon belül homogén, azaz a próbatest hossza mentén az azonos keresztmetszetu részek nyúlása egyenlo. Ha az arányossági határon belül a terhelést megszüntetjük, akkor a görbe az ε=0 pontba tér vissza, azaz csak rugalmas alakváltozás történik, maradó alakváltozás nem jön létre.

σY folyás határ: ekkor az anyag további igénybevétel növekedés nélkül nyúlik. A gyakorlatban bizonyos polimereknél fel sem lép, másoknál több 100 %-os folyási alakváltozás következhet be, melyet a próbatesten nyakképzodés elozheti meg és

POLIMEREK SZAKÍTÓ VIZSGÁLAT

4

szerkezeti átalakulás kíséri. A folyást bizonyos polimerek esetén az ún. feszültség fehéredés jelezheti.

σM húzószilárdság: a maximális ero és a kezdeti keresztmetszet hányadosa. A maximális ero elérésekor az anyag a leggyengébb pontjában helyileg instabil állapotba kerül, ezen a helyen megkezdodik a keresztmetszet kontrakciója, helyi keresztmetszet csökkenése.

σB szakító szilárdság: a szakadáskor mért ero és a kezdeti keresztmetszet hányadosa.

A feszültség-relatív nyúlás diagram segítségével az alakváltozási mutatószámok is meghatározhatók. Ezek közül a legfontosabbak a következok:

Nyúlás a maximális eronél (εM):

1000

0 ⋅−

=L

LLMMε [%], (4.4)

ahol: L0 a próbatest vizsgált szakaszának eredeti terheletlen hossza, LM a próbatest vizsgált szakaszának a maximális eronél mért megnyúlt hossza.

Szakadási nyúlás (ε B):

1000

0 ⋅−

=L

LLBBε [%], (4.5)

ahol: LB: a próbatest vizsgált szakaszának a szakadáskor mért megnyúlt hossza. A σ-ε görbébol a vizsgált anyagra nézve különbözo rugalmassági modulusok

határozhatók meg (E). Kétféle típusú rugalmassági modulusról beszélhetünk: Húr modulus (Eh): a görbe tetszés szerinti pontját az origóval összeköto egyenes

meredeksége, természetesen pontról pontra változik (4.5.a. ábra). Érinto modulus (Ee): a görbe tetszoleges pontjához húzott érinto meredeksége

(4.5.b. ábra). Mivel a szakítógörbe nem lineáris, így érintojének meredeksége is pontról pontra változik. A feszültség - relatív nyúlás görbe origójába húzott érintojének meredekségét kezdeti rugalmassági modulusnak nevezzük (E0). Ha a görbe kezdopontjához nem pontosan húzzuk be az érintot, akkor a pontos érintotol való kis eltérés is nagy pontatlanságot eredményez a rugalmassági modulus értékében. Ezért a gyakorlatban a 0,05 % és 0,25 % relatív nyúlásértékhez tartozó görbepontokon átmeno egyenes meredekségét tekintjük az anyag kezdeti rugalmassági modulusának.

∆σ

∆ε

ε ε

σ σ

σ σ

ε ε

h

h

E = __σhεh

h

∆σ__E =e ∆ε

Rug. modulus:E = __σε

Érintõ mod.:

Húr modulus:

00

0

0

0

A.) B.) 4.5. ÁBRA RUGALMASSÁGI MODULUSOK MEGHATÁROZÁSA, (A) HÚR MODULUS (B) ÉRINTO MODULUS

POLIMEREK SZAKÍTÓ VIZSGÁLAT

5

A szakítógörbe alatti terület a szakításra fordított munka, azaz a törési munka (WB):

dlFWl

B ⋅= ∫∆

0

[J], (4.6)

A törési munka rideg anyagoknál kisebb, szívós anyagoknál nagyobb. A törési munka és a rugalmassági modulus 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 rendelkezo anyagot.

Amint láttuk, a feszültségek számításánál az aktuális erot mindig a kezdeti keresztmetszettel osztjuk. Ekkor az ún. látszólagos vagy mérnöki feszültségeket kapjuk. Azonban pl. nyakképzodés esetén már a folyáshatártól, de nyakképzodés nélkül is legkésobb a maximális ero elérésekor a keresztmetszet elkezd csökkenni, kontrahálni. Ha a feszültséget nem a kezdeti, hanem a pillanatnyi keresztmetszetre vonatkoztatjuk, akkor a valódi feszültséget kapjuk. A pillanatnyi keresztmetszetet (Ap) a térfogat-megmaradás elve alapján lehet számolni a következoképpen:

ppppp lL

LAL

LAALALA

∆+⋅

=⋅

=⇒⋅=⋅0

000000 , (4.7)

ahol: Lp a pillanatnyi hossza az L0 kezdeti mérési hossznak, Lp =L0 +∆lp, ∆lp az ero-nyúlás görbérol leolvasható pillanatnyi nyúlása a kezdeti mérés hossznak.

4.3. A MÉRÉS SORÁN HASZNÁLT GÉPEK, BERENDEZÉSEK, ESZKÖZÖK

A méréshez Instron típusú univerzális szakítógépet használunk. A gép maximális méréshatára 100 kN, szakítási sebesség tartománya 0,001..500 mm/min.

4.4. A TÉMÁHOZ KAPCSOLÓDÓ FONTOSABB SZAVAK ANGOLUL, NÉMETÜL

Magyar Angol Német Ero Force e Kraft Elmozdulás Elongation e Bewegung Feszültség Stress e Spannung Homérséklet Temperature e Temperatur Húzószilárdság Tensile strength e Zugfestigkeit Nedvesség tartalom Moisture content s Feuchtigkeitsgehalt Nyúlás Strain e Dehnung Rugalmassági modulus Young modulus r Elastizitätsmodul Szakítási sebesség Test speed e Prüfgeschwindigkeit Szakítószilárdság Breaking strength r Bruchspannung Szakító vizsgálat Tensile test e Zugprüfung Szívósság Toughness e Zähigkeit

POLIMEREK SZAKÍTÓ VIZSGÁLAT

6

4.5. AJÁNLOTT IRODALOM

1. EN ISO 527 szabvány: Szakítóvizsgálat 2. Hütte: A mérnöki tudományok kézikönyve, Springer-Verlag, 1993, D44-D47 old. 3. Czvikovszky T., Nagy P., Gaál J.: A polimertechnika alapjai, Egyetemi

tankönyv, Muegyetemi Kiadó, Budapest, 2000, 447. old.