Változat: A1 - Polimertechnika Tanszék · A1 – SZAKÍTÁS Változat: 3.5. Kiadva: 2013. február 7. Polimerek szakító vizsgálata 5/13 4. ábra Egyes polimer típusok tipikus

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.


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.



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.



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.



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.



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.



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.



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.



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.



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.



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.



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.



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

Documents

Változat: A1 - Polimertechnika Tanszék · A1 – SZAKÍTÁS Változat: 3.5. Kiadva: 2013. február 7. Polimerek szakító vizsgálata 5/13 4. ábra Egyes polimer típusok tipikus