BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK KOMPOZITERŐSÍTŐ SZÖVETEK DEFORMÁCIÓS KÉPESSÉGÉNEK VIZSGÁLATA SZAKDOLGOZAT HORVÁTH PÉTER ATTILA KONZULENSEK: DR. HALÁSZ MARIANNA AL-GAADI BIDOUR PROF. DR. VAS LÁSZLÓ MIHÁLY 2013

2 2

3 Tartalomjegyzék Rövidítésjegyzék...4 Jelölésjegyzék Bevezetés Irodalomkutatás Kompoziterősítő szövetek Szövetek szilárdsági tulajdonságainak vizsgálata Húzó vizsgálat Nyomó vizsgálat Hajlító vizsgálat Nyíró vizsgálat Golyós-repesztő vizsgálat Vizsgálatok Felhasznált eszközök és alkalmazott módszerek Anyagjellemzők meghatározása Húzó vizsgálat Nyíró vizsgálat Golyós repesztő vizsgálat Anyagok Vizsgálati eredmények Anyagjellemzők meghatározása Húzó vizsgálat Nyíró vizsgálatok Golyós repesztő vizsgálat Eredmények értékelése A vizsgált szövetek összehasonlítása Az alkalmazott vizsgálati módszerek Összefoglalás Summary Irodalomjegyzék Mellékletek

4 Rövidítésjegyzék KES-FB-1 KES-FB-2 KES-FB-3 GV GS BV Húzó- és nyíró berendezés Hajlító berendezés Nyomó berendezés Üveg vászon szövet Üveg sávoly szövet Bazalt vászon szövet Jelölésjegyzék v [mm] vastagság F [N] nyomóerő H [N/mm] keménység C [cm] hajlítóhossz θ [rad] lehajlás szöge l [m] lehajlott hossz γ i [ ] pillanatnyi nyírási szög s [mm] befogó elmozdulása b [mm] a nyírt szövet kezdeti szélességének fele θ 0 [ ] kezdetben bezárt 90 -os szög fele a i [mm] felrajzolt vonalak közötti keresztirányú távolság fele b i [mm] felrajzolt vonalak közötti hosszirányú távolság fele N i [N] pillanatnyi nyíróerő N f [N/cm] fajlagos nyíróerő F i [N] pillanatnyi húzóerő ε [%] lineáris relatív nyúlás R 0 [mm] a befogott felület sugara l def [mm] deformált felület meridián görbéjének hossza, α [rad] gömbsüveghez tartozó ívszög B [mm] deformált felület csonkakúp részének alkotó hossza K [mm] kidomborodási magasság F gmax [N] maximális golyónyomó erő D [µm] elemiszál átmérő T t [tex] lineáris sűrűség 4

5 1. Bevezetés A XX. század második felétől kezdődő rohamos technológiai fejlődésben a kompozitok fontos szerepet játszottak. Kezdetben a repülőgépipar, az űrtechnika nélkülözhetetlen anyagai voltak, de mára széles körben elterjedt az ipari felhasználásuk, és a műszaki szerkezeti anyagok legmodernebb csoportját alkotják. A kompozitok olyan többfázisú, összetett szerkezeti anyagok, amelyek nagy szilárdságú erősítőanyagból, illetve szívós mátrixból állnak. Az erősítőanyag és a mátrix között kitűnő adhézió van, amely kapcsolat a deformáció magas szintjén is fennmarad [1]. Erősítőanyagnak szálat, vagy textíliát használnak, mivel így irányítható anizotrópia hozható létre, amely a kompozitok egyik legfontosabb tulajdonsága. A kompozitok nagymértékű és széleskörű felhasználása, valamint az ezekkel kapcsolatos gazdasági, műszaki szempontok szükségessé tették az alapanyagok feldolgozás közbeni viselkedésének megértését, leírását. A textilipar hosszú múltja és az erősítőanyagok hagyományos textíliákkal való rokonsága miatt nagyon sok tapasztalat áll rendelkezésre gyártástechnikájuk, illetve mechanikai tulajdonságaik vizsgálata területén. A textíliák jellegzetes tulajdonságokkal rendelkeznek alakíthatóságukat illetően. Kis erő esetén is nagy alakváltozásokat szenvednek meghatározott irányokban, ami lehetővé teszi bonyolult térformára való idomulásukat. Például szövetek esetén az egymásra merőleges lánc- és vetülékirányban nagy húzószilárdság és kis megnyúlás jellemző, míg ezekkel 0 <α<90 szöget bezáró irányokban jelentősen kisebb a húzószilárdság, és jóval nagyobb a megnyúlás. A gyártástervezés során ezeket a tulajdonságokat messzemenően szem előtt kell tartani. Azonban bármennyire is sok tapasztalat áll rendelkezésre a hagyományos humán textíliákkal kapcsolatban, nem jelenti azt, hogy ezek a tapasztalatok egy az egyben érvényesek a kompoziterősítésre használt műszaki textíliák esetében is. Jelentős viselkedésbeli különbséget okoznak az alkalmazott szálak alapanyagainak tulajdonságai, a belőlük készült fonalak alaki jellegzetességei, továbbá a speciális lapképző eljárásokkal kialakított különleges szerkezetek sajátosságai. Dolgozatomban az egyik leggyakrabban alkalmazott kompoziterősítő anyag, az üveg szövet különböző fajtáinak, illetve az egyre elterjedtebb bazalt szövet deformációs képességét vizsgálom. Munkám során különböző irányokban húzóvizsgálatokat végzek a szakítószilárdság, és a szakadási nyúlás értékek meghatározására. A textíliák térformára idomulási képessége 5

6 szempontjából lényeges nyírási tulajdonságok mérésére kétféle vizsgálatot alkalmazok. A többtengelyű terheléssel szembeni viselkedést golyós repesztő vizsgálattal jellemzem. Végül a különböző módszerekkel kapott eredmények közötti összefüggéseket vizsgálom, és ezáltal szeretnék átfogó képet adni e gyakran használt erősítő szövetek deformációs tulajdonságairól. 2. Irodalomkutatás Az alábbi fejezetben bemutatom a kompoziterősítő szövetek különböző fajtáit, alapanyagait, mechanikai vizsgálatukra alkalmazott különféle módszereket, illetve ezen a területen végzett kutatási eredményeket Kompoziterősítő szövetek A kompozitok jelleg szerint három fajta erősítőanyagot tartalmazhatnak. Az első csoportot a szemcsés anyagok képviselik. A szemcsés anyagokat elsősorban nem a szilárdsági, hanem a keménységi, illetve a kúszási tulajdonságok javítására használják [2]. Ha az ár csökkentése érdekében adagolnak szemcséket, akkor töltőanyagnak nevezzük őket. A következő csoportot a szálas erősítőanyagok alkotják. A szerkezeti anyagoknak gyakran csak bizonyos irányokban kell a terhelés nagy részét felvenniük. Erre nyilvánvalóan az 1D-s erősítőanyagok a legmegfelelőbbek. Lehetőség van szálerősítéses anyagok fröccsöntésére is, ami kisebb előállítási költséget jelent, viszont a szálak véletlenszerű elrendeződése kisebb szilárdságot eredményez. Az egyirányú szálakkal erősített kompozitok esetén aknázható ki legjobban az erősítőszálak tulajdonságjavító hatása, azonban az ilyen anyagok előállítása nagy munkaerő és gép ráfordítást igényel, ami megnöveli a költségeket. Ez a kompozitok esetében különösen nagy probléma, mivel az elterjedésük egyik gátja a magas áruk. A költséghatékony szálas fröccsöntés, extrudálás viszont csak kis mértékben teszi lehetővé a tervezhető anizotrópiát. Erre megoldást az évezredek óta használatos textíliák jelentik, amelyek a kompoziterősítő anyagok harmadik csoportját alkotják. Az erősítőanyagként használt textíliák ipari méretekben is könnyen kezelhetőek. (1. ábra). 6

7 1. ábra: különböző módon erősített polimer kompozitok teljesítménye és gyártási hatékonysága [3] A rendezett struktúrájú 2D textíliák közül a szöveteket alkalmazzák leggyakrabban kompoziterősítő anyagként. A szövetek egymásra merőleges fonalak rendszeréből állnak. A szövet hosszirányában a lánc-, erre merőlegesen a vetülékfonalak helyezkednek el. Ezek a kötésminta által megszabott szabályok szerint keresztezik egymást, meghatározva az anyag kinézetét, mechanikai tulajdonságait [4]. 3 alapkötést különböztetünk meg, a többiek ezekre vezethetők vissza: Vászonkötés: A vetülékfonal a láncfonal színén és fonákján váltakozva fekszik fel (2. ábra). A legszorosabb kötés, jellegzetessége a kötéspontok sakktáblaszerű elhelyezkedése. Sávolykötés: A kötéspontok átlós irányban helyezkednek el. A színoldali kötéspontok aránya alapján megkülönböztetünk lánc-, vetülék-, illetve egyenlő oldalú sávolykötést (2. ábra). Atlaszkötés: A legkevésbé szoros kötés, jellegzetessége, hogy a kötéspontok egyenletesen helyezkednek el (2. ábra) [4]. 2. ábra: Vászon-, sávoly- és atlaszkötés [4] 7

8 Az adott irányba eső fonalak arányától függően beszélhetünk kiegyensúlyozott és kiegyensúlyozatlan szövetről. Ennek szélsőséges esete az UD (unidirectional) szövet, amelynél az erősítő szálak egyirányúak, míg a rájuk merőleges vetülékfonalak csak összetartó szerepet játszanak. A kiegyensúlyozott szövettel szemben nehezebben kezelhető, viszont mechanikai tulajdonságai egyes alkalmazásokhoz jobban megfelelnek [5]. A szőtt kompoziterősítő anyagok leggyakoribb alapanyaga az üveg-, az aramid- és a karbonszál, de rohamosan terjed a bazaltszál alkalmazása is. Üvegszál: A legelterjedtebb anyag, mivel nagy szilárdságot biztosít alacsony ár mellett. Kitűnő elektromos szigetelő, nagyfeszültségű berendezések burkolataként is használható. Az elemi szál átmérője 10 µm körüli. Bazaltszál: Mechanikai tulajdonságai meghaladják az üvegét, míg sűrűsége csak 5%- kal nagyobb. Ára is összemérhető az üvegével. Az hasonlóan kitűnő sav- és lúgálló, illetve rezgéselnyelő képességgel rendelkezik [6]. Egyre nagyobb népszerűségnek örvend, elterjedését egyenlőre a még nem megfelelő gyártókapacitás korlátozza. Aramid szál: Kitűnő nyíró- és ütőszilárdsága miatt nagy igénybevételű helyeken használják. Gyakran alkalmazzák golyóálló mellények anyagaként. Kiváló mechanikai tulajdonságait a szálgyártás során nagymértékű nyújtással érik el, melynek hatására alakul ki a szál orientált szerkezete. Karbon szál: Nagy szilárdság és kis sűrűség jellemzi. Kémiailag ellenálló, jó az égésállósága. Magas előállítási költsége miatt eleinte a repülőgépiparban és a haditechnikában alkalmazták, azonban általános ipari használatra kifejlesztett alacsonyabb árú változatai egyre elterjedtebbek [7] Szövetek szilárdsági tulajdonságainak vizsgálata A textíliák mechanikai viselkedését leginkább a szakítószilárdságuk, és szakadási nyúlásuk jellemzi. A nagyobb szakítószilárdság általában jobb feldolgozhatóságot és hosszabb élettartamot jelent. Ez azonban csak egy általános megközelítés, és gyakran nem ad elegendő információt, mivel a feldolgozás során változatos terhelések érik a textíliákat. Emiatt szükség van egyéb vizsgálati módszerekre is, amelyek jobban megközelítik a valódi igénybevételeket (pl.: nyírás, többtengelyű húzás) [8]. 8

9 Húzó vizsgálat Legegyszerűbb változata az egytengelyű húzóvizsgálat, amely során a próbadarabot a hozzá illesztett koordinátarendszer valamelyik koordináta-tengelyével párhuzamosan terheljük szakítógép segítségével [9]. Húzóvizsgálatnál a próbatest lehet szalag vagy cső alakú, Grab-vizsgálat esetén előírt méretű sáv (3. ábra), illetve különféle tépővizsgálatokhoz kialakított minta (4. ábra). A húzóvizsgálat során rögzítjük a pillanatnyi húzóerőt a megnyúlás, illetve az idő függvényében. A rögzített adatokból a főbb meghatározandó mennyiségek a szakítóerő, amely a vizsgálat során mért legnagyobb erő, és a szakadási nyúlás. A rögzített adatokból számolható többek között a fajlagos szakítóerő, a fajlagos szakadási nyúlás, illetve a rugalmassági modulus. a, b, c, 3. ábra: Próbatestek szakító vizsgálatokhoz [9] (a: szalag, b: cső, c: Grab-minta) 9

10 4. ábra: Próbatestek tépő vizsgálatokhoz [9] A textíliák húzóvizsgálatát általában univerzális szakítógépen, speciális, textíliák befogására alkalmas, hullámos belső felületű befogófejekkel végzik, de vannak speciálisan a textíliák vizsgálatára kifejlesztett berendezések is. E tekintetben különösen jelentős Sueo Kawabata munkássága. Egy komplett vizsgáló rendszert dolgozott ki (KES- Kawabata Evaluation System) a kelmék fogási tulajdonságainak objektív mérésére [10, 11, 12]. Ehhez négy mérőberendezést fejlesztett ki, amelyekkel a textíliák húzó, nyíró, összenyomhatósági, hajlító és felületi tulajdonságait állapítja meg. Minden mérésnél ugyanazt a 200x200 mm-es próbadarabot vizsgálja. Ezt azért teheti meg, mert a minták tanulmányozása kis alakváltozási tartományokban történik, azaz a vizsgálatok roncsolás mentesek. A mérések meghatározott terhelés elérése után tehermentesítéssel folytatódnak, így az adott anyagra jellemző hiszterézis görbéket veszik fel. A kiértékelés számítógéppel történik. A négy mérőberendezés közül a KES-FB-1 végzi a kelmék húzóvizsgálatát. A mérés során a minta két oldala be van fogva. Egyik befogó a másik befogótól fokozatosan távolodva terheli a mintát, míg a másik, dob alakú befogó a rá szerelt nyomatékmérő segítségével rögzíti a húzóerőt. Amikor a húzóerő a beállított értéket eléri, a készülék tehermentesíti a mintát (5. ábra). 10

11 5. ábra KES-FB-1 elvi vázlata [11] 1. nyíróerő mérőfej, 2. nyíróerő iránya, 3. húzóerő iránya, 4. mintadarab, 5. nyírószög mérő, 6. vezető, 7. feszítőérzékelő, 8. csúsztató keret, 9. súly, 10. dob, 11. forgatónyomaték-érzékelő, 12. tengelykapcsoló Hagyományos esetben a mintát teljes szélességében rögzítjük a befogóba, azonban például a Grab-módszernél keskenyebb a befogó, mint a kelme. Ennél a mérésnél a szövet befogott részeinek szakítóerejéhez hozzáadódik a be nem fogott fonalakról átadódó, szerkezettől, anyagtípustól függő járulékos erő. Mérésekkel megállapították, hogy az ennél a vizsgálatnál fellépő szakítóerők kb. 10%-kal magasabbak az egyszerű szakítóvizsgálatnál mértekhez képest [8]. Így pl. Olofsson és Bernskiöld a Grab-módszert és az adott szélességre kifoszlatott (nem vágott) sáv szakítóvizsgálatát összehasonlította [8]. Megállapították, hogy legnagyobb mértékben a befogott fonalak nyúlnak, és ezek határozzák meg a szakadási nyúlást. A Grab-módszer esetén a keresztirányú fonalak feszítik a nem befogott fonalakat is, így a szakítóerő a befogott fonalak szakítóerejéből és a be nem fogottak deformációjához szükséges erőkből tevődik össze. Arra a következtetésre jutottak, hogy a növekvő nyúlás miatt a keresztirányú fonalak egyre több be nem fogott fonalat feszítenek meg. A kifoszlatott minta szakítóerejét, illetve a Grab-módszer esetén be nem fogott fonalaknak átadódó erőt két különböző szélességű próbatest vizsgálatával határozták meg, és ezek alapján igazolták feltevéseiket [8]. Szűcs I. a húzóvizsgálat során kialakuló nyúláseloszlás tanulmányozására végzett vizsgálatokat különböző kelméken [9]. Az egyszerű húzóvizsgálathoz a minták felületére 10x10 mm-es rácsrendszert rajzolt fel, amelynek elmozdulását digitális kamerával rögzítette a vizsgálat folyamán, majd a képeket öt pontban összevetette az erő elmozdulás görbe jellemző pontjaival (6. ábra). 11

12 6. ábra: Nyúláseloszlás a kelmében húzóvizsgálat során [9] További méréseket végzett különböző módon módosított mintákon. A sávok közepét kilyukasztotta, vagy a mintákat különböző helyeken megerősítette. Rácsszerű mintákat is használt, amelyek esetében nem volt szükséges a jelölőpontok felrajzolása, mivel közvetlenül a minta szerkezetének változásából lehet következtetni a deformációra. Előzetesen a legkisebb keresztmetszetben feltételezte a minták szakadását. A mérések azonban ezt cáfolták, mivel minden esetben a legnagyobb keresztmetszetben szakadt el az anyag. Ezt a jelenséget a szerkezet molekuláris rendeződésével magyarázta [9]. A hagyományos egytengelyű húzás logikus továbbfejlesztéséből született a biaxiális húzás. Ennek egyik változata során a kereszt alakú mintát a szárainál folyamatosan húzzuk, így azokban egytengelyű húzóigénybevétel lép fel, szemben a kelme közepével, ahol kéttengelyű a húzás (15./c ábra). A vizsgálat során közvetlen a minta közepén történik a nyúlás mérése, miközben a húzóerő rögzítésre kerül. Azonban a módszernek az a hátránya, hogy inhomogenitások lépnek fel a mintában. Ennek lehetséges kiküszöbölése a szárakban lévő keresztirányú fonalak eltávolítása, így a minta közepén csak húzóigénybevétel lép fel, de ez sem jelent tökéletes megoldást, mivel eltérések keletkeznek az anyag merevségében, és kezdeti hullámosságában, ráadásul kötött anyagok 12

13 esetében nem alkalmazható. Az első vizsgálatok négyzet alakú mintával történtek. Ekkor a befogás pontszerűen csapok, drótok (7./a ábra) vagy szorítókapcsok segítségével történt (7./d ábra). Az egytengelyű Grab-vizsgálatnak megjelent a többtengelyű változata is (7./b ábra) [13]. 7. ábra: Biaxiális húzóvizsgálatok (a: pontszerű befogás, b: biaxiális Grab-vizsgálat, c: kereszt alakú minta, d: szorítókapcsos befogás) [13] Nyomó vizsgálat 2D-s textíliák esetén a nyomó vizsgálat nem a húzóval ellentétes igénybevételt jelenti. Ugyanis, ha a textíliát egy a síkjába eső tengelyirányában próbáljuk összenyomni, akkor a textília összenyomódás helyett kihajlik. Textíliáknál nyomóvizsgálat esetén a textília síkjára merőleges nyomóerőt alkalmazunk, és a nyomóerő nagyságát regisztráljuk a textília vastagság-változása függvényében. A fejezetben bemutatott KES rendszer 4 készüléke közül a KES-FB-3 berendezés vizsgálja a kelmék összenyomhatóságát. A textíliát két egymással szemben elhelyezkedő 2 cm 2 felületű bélyeg közé kell helyezni. A felső lefele mozogva összenyomja a szövetet, majd egy előre beállított nyomóerő értéknél megfordul a bélyeg mozgásának iránya, így fokozatosan tehermentesíti az anyagot (8. ábra) [10]. 13

14 8. ábra KES-FB-3 elvi vázlata [11] 1. érzékelő, 2. vezető, 3. összenyomó tányér, 4. mintadarab, 5. jelátalakító Peirce szerint a kelmék nyomóerő - vastagság görbéi mindig tartalmaznak egy közel lineáris szakaszt. Peirce a textíliák nyomóigénybevétellel szembeni ellenállását a keménységgel jellemzi, amely ennek az egyenes szakasznak két pontjához tartozó értékeikből számítható (2.1) [8]: : H = F v 2 1 F1 v 2 (2.1) Ahol H a keménység, F a nyomóerő, v a vastagság Hajlító vizsgálat A textíliák jellemző igénybevétele a húzó mellett a hajlító igénybevétel. A kelme gyűrődő képességét döntően a hajlító merevsége, illetve hajlítás utáni visszarugózási tulajdonsága határozza meg. Hajlító merevség alatt az egységnyi görbület létrehozásához szükséges hajlítónyomaték nagyságát értjük [8]. A hajlítás vizsgálatára is számos különböző módszer ismeretes. A pontban bemutatott Kawabata kelmeelemző rendszer KES-FB-2 berendezését a szövetek hajlítóvizsgálatára fejlesztették ki. A minta két befogópofába van rögzítve, amelyek közül az egyik meghatározott ív mentén mozog. Ennek eredményeként a minta görbületi sugara lineárisan csökken (9. ábra). 14

15 9. ábra: A hajlítási vizsgálat mérési elve [10, 11] Az előre beállított maximális görbület elérése után ugyanazon a pályán visszafelé indul a befogó. A berendezés a görbület függvényében méri a hajlítási nyomatékot [10]. Peterson és Dantzig módszere esetén egy kelmesávot vízszintes asztalra helyezünk, majd gumival borított görgőkkel addig közelítjük az asztalhoz kapcsolódó 45 -os lejtőhöz, amíg a kelme vége eléri azt. A hajlítómerevség a BC távolságtól függ (10. ábra). Sinkle módszerénél a próbasáv végét, illetve a rá helyezett vonalzó nulla osztását a lejtő kezdetéhez helyezzük, és a próbasávot a vonalzóval együtt addig toljuk előre, ameddig a sáv vége eléri a lejtőt. A merevség arányos a BB távolsággal (10.ábra). Peirce módszere a hajlítóhossz meghatározásához alkalmazható. A hajlítóhossz a textília nehézségi erő hatására történő lehajlását jellemzi, és a kelme lehajlott hosszától, illetve a lejtő szögétől függ (2.2). cos0,5θ C l 8tgθ 1 3 (2.2) ahol C a hajlítóhossz, l a lehajlott hossz, θ a lehajlás szöge. A hajlítóhossz és a hajlítómerevség különböző mennyiségek. Az előbbi a kelme redőződési képességét, az utóbbi a kézi hajlíthatóságot jellemzi [8]. 15

16 10. ábra: A hajlítóvizsgálat főbb pontjai [8] Nyíró vizsgálat A szövetek feldolgozása során az egyik legjellemzőbb igénybevétel a nyírás. Döntően ez határozza meg egy kelme térformára idomulási tulajdonságát, amely például egy sablonra való illesztésnél fontos. A szövetek nyírási viselkedése elsősorban a kompozit gyártása szempontjából érdekes, mivel a befoglaló anyagba ágyazás után már a mátrix merevsége határozza meg a nyírást [14]. Akkor tekinthetők megfelelőnek a nyíró tulajdonságok, amikor a textília egy felületen redő- és szakadásmentesen fekszik fel [15]. A nyírás elsősorban a fonalaknak a kelme síkjában történő elfordulásából, illetve a elhajlásából, egymáson való csúszásából áll. Redőződés akkor lép fel, amikor a nyírás miatt a fonalak által bezárt szög elér egy határértéket [15]. A mátrixba ágyazott erősítőszövetek nyírási vizsgálata viszonylag új téma, viszont a humán szövetek nyírási tulajdonságait már régóta kutatják. Skeleton már 1976-ban kidolgozott egy olyan módszert, amellyel a szövet súlyából és vastagságából lehet következtetni a nyírómerevség nagyságára. Gyakran használt közelítésként a húzó merevség nagyságának 1/20-át vették nyírási modulusznak [14]. Ezen módszerek bár közelítésként megállják helyüket, azonban a kompozitok elterjedésével szükség volt pontosabb vizsgálati módszerek alkalmazására. Az első nyíróvizsgálatok többek között a Kawabata kiértékelő rendszeren (KES-F) alapultak. Mint ahogy már a fejezetben említettem, a KES-FB-1 berendezés húzó- és nyíróvizsgálatokhoz is használható. Nyíró vizsgálat esetén a készülék kismértékű, állandó nagyságú húzóerővel terheli a kelmét, így nem lép fel jelentős nyúlás a fonalakban. Az egyik befogó a másikhoz képest állandó sebességgel párhuzamosan mozog, így nyíró igénybevételt fejt ki a kelmére (11. ábra). A mérés 8 -os nyírási szögig történik, majd a nyírás irányt vált [10]. A berendezés rögzíti mind a normál, mind a tangenciális irányú 16

17 erőket és elmozdulásokat. A KES-módszer hátránya, hogy nem csak tiszta nyírás lép fel a mintában ábra: KES-módszer [15] A KES- módszerhez hasonló eljárás a szövethenger nyíróvizsgálat. A szövet a két tárcsaszerű befogóba rögzítve egy henger palástját képezi (12. ábra). A készüléket egy erőszabályozóval felszerelt szakítógépbe helyezzük, hogy állandó nagyságú axiális erővel terhelhessük. Az alsó tárcsát eközben forgatónyomaték alá helyezve nyíróigénybevételt hozunk létre a vizsgált szövetben [14]. 12. ábra: Szövethenger nyíróvizsgálat [14] 17

18 Egy nagyon elterjedt, egyszerű, és olcsó módszer az átlósirányú húzóvizsgálat. A vetülékirányhoz képest 45 -ban kivágott mintát a szakítóvizsgálathoz hasonlóan egyenletes sebességű húzó terhelésnek vetjük alá. A vetülék- és láncfonalak által bezárt derékszög csökkenni kezd, ami nyíróigénybevétel jelenlétére utal. A mintában három zónát különböztethetünk meg az igénybevétel szempontjából (13.ábra): I.-es zóna: Tiszta nyírás lép fel. III-es zóna: Nem lép fel nyírás. II-es zóna: Az I-es zóna nyírása nagyságának fele lép fel [16, 17]. A nyírási szög meghatározása történhet a vizsgálat kezdeti geometriai adatok és az elmozdulás összefüggéséből, illetve képfeldolgozásos módszerrel is [16]. 13. ábra: Átlósirányú húzóvizsgálat különböző deformációs zónái [16, 17] Egy másik módszer a képkeretes vizsgálat. A 200x200 mm-es kelmét keretes befogóba helyezve szakítógép segítségével két ellentétes sarkánál fogva egyenletes sebességgel húzni kezdjük. A kezdetben négyzet alakú keret rombusz alakot vesz fel. A nyíró erő és a nyírási szög könnyen meghatározható a terhelő erőből és a keret geometriájából. A teljes befogás lehetővé teszi, hogy a keretet húzva, vagy nyomva terheljük, így mind pozitív, mind negatív nyírási szögű deformációt elérhetünk. A képkeretes vizsgálat azon alapszik, hogy szálirányokban nyújthatatlannak tekintjük a szövetet, ekkor a redőződés megindulásáig csak nyíró igénybevétel ébred az anyagban [15]. A kísérletek azonban azt mutatják, hogy a fonalakban a vizsgálat közben nemkívánt nyúlások lépnek fel. Mind a képkeretes, mind az átlósirányú húzóvizsgálatnak vannak hátrányai egymással szemben, így általában együtt használják őket. 18

19 Wysochina T-alakú mintát javasolt a nyíróvizsgálatok elvégzéséhez (14. ábra). A próbatest legnagyobb része elő van feszítve, eközben a T szárának húzásával nyíróigénybevétel keletkezik a szövetben. A kiértékelés során először végeselem analízis segítségével határozzuk meg a kelmében létrejövő homogén nyírási zónákat. Ezt követően egy összetett numerikus és tapasztalati számítási módszert alkalmazunk a nyírás nagyságának meghatározására. Ez egy olyan iterációs eljárás, amely során a végeselem módszerrel megjósolt, és az optikai mérőberendezéssel kapott nyúlások összehasonlítása addig történik, amíg a két módszerrel kapott eredmények különbsége minimális nem lesz [14]. 14. ábra: Nyíróvizsgálat T alakú mintával [14] Golyós-repesztő vizsgálat Gyakorlatban a kelméket nem egyirányú terhelés éri (pl.: sisakok gyártása, zsákok, hálók) (15. ábra), ezért szükség van többtengelyű vizsgálatokra (többtengelyű húzás, nyírás, golyós-repesztés) [8]. A golyós repesztés jól használható például kötött kelmék esetén, ahol a hagyományos húzóvizsgálat során a láncszerűen átadódó fonalerők hatására keresztirányú kontrakció lép fel, amely miatt nehezen határozható meg a kelme pillanatnyi keresztmetszete. 19

20 15. ábra: Védősisak erősítőszerkezete [18] A golyós-repesztő vizsgálat során a körgyűrű alakú befogóval, előterhelés mentesen rögzített kelmét, rá merőleges irányban egyenletes sebességgel mozgatott acélgolyóval terheljük (16. ábra). A kezdetben sík próbadarab a vizsgálat során térbeli felületté alakul, gömbsüvegben végződő csonkakúp alakú deformációt szenved el. A vizsgálatot a kelme repedéséig végezzük. A nyomóerőt és az elmozduláshoz kapcsolódó kidomborodási magasságot rögzítjük a mérés során [4] [8]. 16. ábra: Golyós repesztő vizsgálat [19] A golyós repesztés sajátosságait számos kutató vizsgálta. Rozant és társai például átfogóan vizsgálták a különböző kötött, és szőtt kelmék golyós-repesztős deformációját [20]. A vizsgálatok közötti összehasonlítást háromféle mérőszám alapján végezték. Az alakítási energiát az erő-elmozdulás görbe alatti területből számították. A lineáris relatív 20

21 nyúlás meghatározása a gyűrű alakú befogó, illetve a golyó átmérője alapján történt. A területi relatív nyúlást a deformált és az eredeti felület hányadosaként számolták. A mérésekből megállapították, hogy a kötött kelmék nagyobb 3D-s deformációs képességekkel rendelkeznek a szövetekkel szemben, így felhasználásuk például sajtolt laminátumok gyártása esetén, ahol fontos kritérium az anyagok részéről a gyártás során felmerülő összetett alakíthatóságnak való megfelelés, előnyösebb. Sommer a mérései alapján arra a következtetésre jutott, hogy a befogott felület növelése egy adott kelménél növekvő kidomborodási magasságot eredményez, a repesztőnyomás ezzel szemben hiperbolikusan csökken [8]. A lineáris repesztőerő az idő logaritmusának függvényében közelítőleg lineárisan csökkenő jellegű. A golyósrepesztővizsgálat alakváltozása és alakítási energiája a lánc- és vetülékirányú húzó vizsgálatokhoz képest legtöbb esetben kisebb volt, ami azzal magyarázható, hogy a húzó vizsgálatnál csak lánc-, vagy vetülékirányú fonalak vannak befogva, így kevésbé korlátozott az alakváltozásuk. A minták berepedésének alakja között szabályszerűség volt tapasztalható. A vetülék- és láncirányban egyforma szilárdságú kelmék a minta közepén kereszt alakban repedtek be. Különböző szilárdságú fonalrendszerek esetén az első berepedés az egyik irányban középen jött létre, majd a másik irányban ebből kiindulva egy, vagy több repedés keletkezett. 21

22 3. Vizsgálatok A humán textíliák véges hosszúságú (font fonal), vagy végtelen hosszúságú szálakból (selyemfonal) sodrat segítségével rögzített kör keresztmetszetű fonalakból állnak. A kompoziterősítő szöveteket ezzel szemben általában sodrat nélküli, lapos rovingok alkotják. Emiatt néhány megszokott textiles fogalom esetében ezentúl a fonal helyett a roving megnevezést használom (pl. rovingirány, rovingsűrűség). Az alábbiakban bemutatom a vizsgálatokhoz használt eszközöket, elvégzésükhöz és kiértékelésükhöz használt módszereket, illetve hogy milyen szempontok alapján választottam erősítőszöveteket a vizsgálatokhoz. Ezután részletesem ismertetem a kapott mérési eredményeket Felhasznált eszközök és alkalmazott módszerek A különféle húzó-, nyíró- és golyós-repesztő vizsgálatokhoz Zwick-005 típusú szakítógép szolgáltatta a mérésekhez szükséges egyenletes sebességű elmozdulást és az erő mérését. A szakítógép maximum 5 kn nagyságú erővel terhelhető, és a sebessége 0, mm/perc tartományon belül állítható [21]. A hozzá kapcsolt erőmérő cella segítségével számítógépen rögzíthetőek a befogófejek elmozdulásából adódó, és az erőmérő cella által mért adatok. A szakítógép Zwick TestXpert 11.0 programmal vezérelhető. Megadhatjuk a mérési paramétereket, beállíthatjuk a mérés bázispontját. A program ezenkívül kirajzolja a mérési diagramokat, illetve a kívánt formátumba konvertálja őket Anyagjellemzők meghatározása A szálak, rovingok, szövetek optikai vizsgálatához Olympus BX 51M mikroszkópot és hozzá kapcsolt C-5060 Camedia típusú digitális fényképezőgépet használtam. A mikroszkóp 2-100x-os nagyítású kép előállítására képes, így megfelelő a ~10 µm-es nagyságú objektumok vizsgálatának elvégzéséhez [21]. Lehetőség van a minta hagyományos módon, szemlencséken keresztüli megtekintésére, illetve a digitális fényképezőgéppel készített képek révén számítógéppel segített képfeldolgozásra. A mintát alulról és felülről is megvilágíthatjuk változtatható fényerővel, illetve különböző szűrőkkel javíthatjuk a képminőséget. A monitoron a mikroszkópi képet az AnalySIS program jeleníti meg. A programmal rögzíthetjük a fényképezőgép képét, és szerkeszthetjük azt (méretskála, méretek elhelyezése), információt nyerhetünk belőle (méretek lekérdezése). 22

23 A rovingok lineáris sűrűségének meghatározásához a vizsgált roving hosszát és tömegét mértem meg (3.1) [8]. roving tömege [g] T t = 1000 [tex = roving hossza [m] g ] 1km (3.1) A rovingok tömegét Ohaus Explorer mérleggel mértem, ami. ±0,0001g-os pontossággal képes mérni 110g-os mérési határig Húzó vizsgálat A húzóvizsgálatokhoz az erősítőszövetekből különböző irányban kivágott mintákat készítettem, hogy azokkal jellemezzem a szövetek különböző irányú húzótulajdonságait. A szakítószilárdság helyett fajlagos szakítóerőt használtam, mivel a textíliák esetében nehezen határozható meg a minta keresztmetszete. A fajlagos szakítóerő a legnagyobb mért húzóerő nagyságának elosztását jelenti a minta szélességével. A mintákat vetülék- és láncirányban, illetve a köztes 22,5, 45 és 67,5 -os irányokban vágtam ki. A méretük 200x50 mm volt. A mintákat mm hosszúságon hullámos befogóval fogtam be, amit kifejezetten textíliákhoz használnak. A nagyobb érintkező felület segít megakadályozni a munkadarab kicsúszását Nyíró vizsgálat A nyírást két különböző módszerrel vizsgáltam. Az egyik nyíróvizsgálatot a Polimertechnika Tanszéken tervezett nyíró befogóval végeztem (17. ábra). Ezzel a speciális befogó készülékkel a nyíróvizsgálat a KES rendszerben alkalmazott vizsgálathoz hasonlóan történik. A két függőleges befogópofa vízszintesen egy lineáris vezetéken mozoghat, illetve a minta befogásának idejére fixálható. A mintákat először két szélük mentén az átmenetileg rögzített befogópofákba kell befogni, majd két-két belső kulcsnyílású csavarral rögzíteni. Ezután kiengedve a befogópofákat a mintára a hozzájuk kapcsolt rugó által ráadódik az előre beállított előfeszítő erő. A rögzített helyzetű befogókkal szemben ez az állandó nagyságú erő biztosítja, hogy a mérés közben mindig ugyanakkora legyen a vízszintesen ható húzóerő, és a vizsgálat közben ne növekedjen a rovingok húzóterhelése és nyúlása. A minta közepét egy másik, a szakítógép mozgó feléhez kapcsolódó befogóba kell befogni, amely befogó fogja átadni a nyíróerőt szimmetrikusan a minta két felének. 23

24 17. ábra: Nyíróbefogóval végzett nyírás vázlata A mérés során a mozgó rész az állóhoz képest 100 mm/perc sebességgel távolodik. A befogók egymással párhuzamosan mozognak, így a vetülék- és láncrovingok által eredetileg 90 -os szög változni kezd. Ennek eredményeként a minta mindkét felében ellentétes irányú nyíródeformáció jön létre. A vizsgálatot a húzóerő visszaeséséig végeztem. A befogó elmozdulásából számolható a nyírási szög (3.2) (18. ábra): 18. ábra: A nyíróvizsgálat során a nyírási szög értelmezése s γ i = arcsin (3.2) b 24

25 ahol γ i a pillanatnyi nyírási szög, s a befogó elmozdulása, b a nyírt szövet kezdeti szélességének fele. A másik nyíróvizsgálatot az átlósirányú húzás módszerével végeztem. Ebben az esetben a vetülékirányhoz képest 45 -ban kivágott szövetben a rovingirányok nem esnek a terhelés irányába, így nyírás lép fel, és a rovingok által bezárt 90 -os szög csökkenni kezd. A méréshez három különböző anyagból 6-6 mintát készítettem. Az alkalmazott vizsgálati minta mérete 200x50 mm (19. ábra). Ebből 50 mm hosszúságot fogtam be a két végen. A szövetek, különösen a csúszós műszaki szövetek a kivágás során könnyen deformálódhatnak Ennek megakadályozása érdekében az anyagot papírra ragasztottam, és a szükséges mintákat a papírral együtt vágtam ki. A minták befogását is a papírral együtt végeztem, hogy eközben se következhessen be nem kívánt deformáció. A minták alakját rögzítő papírt csak közvetlenül a mérés előtt távolítottam el. A befogáskor ugyanazokat a hullámos, belső kiképzésű szövetbefogókat alkalmaztam, mint a húzóvizsgálat során. 19. ábra: Átlósirányú húzóvizsgálat mintadarabja Az átlósirányú húzóvizsgálat kiértékelésére egy újfajta módszert használtam, amelyet Al-Gaadi Bidour, a Polimertechnika Tanszék doktorandusz hallgatója fejlesztett ki nyíróvizsgálatokhoz [16]. A mérés előtt hossz- és keresztirányban a 20. ábra szerinti vonalakat rajzoltam a mintákra. Az egymást keresztező vonalak a mérés kezdetekor egy egyenlő oldalú négyzetet határoznak meg, amelynek a mérés megkezdése után a nyúlás irányába eső oldalai növekedni, az arra merőlegesek csökkenni kezdenek. Kezdetben az oldalak felezőpontjai egy, a négyzetbe írható ideális rombusz átlóinak a végpontjai. Ennek 25

26 a rombusznak az oldalai a mérés során végig egybe esnek a vetülék-, és láncirányokkal, így az általuk bezárt szög (20. ábra, 2θ) megváltozása megadja a nyírási szöget. A fehér üvegszövetre fekete, a barna bazaltra fehér vonalakat rajzoltam a megfelelő kontraszt érdekében, hogy a mérés során videoextenzométer segítségével érzékelni lehessen a vonalak közötti távolság változását. A minta hossz- és keresztirányú változása, valamint a keresztfej elmozdulása és a húzóerő került rögzítésre. A nyírási szög a felrajzolt vonalak távolságának változásából számolható (3.3) [16]: γ = θ i 2θ 0 2θ i = 2 0 a 2arctg b i i (3.3) ahol γ i a nyírási szög, θ i a rovingok által pillanatnyilag bezárt szög fele, θ 0 a rovingok által a vizsgálat kezdetén bezárt szög fele, a i a felrajzolt vonalak közötti pillanatnyi keresztirányú távolság fele, b i a felrajzolt vonalak közötti hosszirányú távolság fele. 20. ábra: A nyírási szög meghatározásához szükséges méretek [16] 26

27 A nyírási szög és a húzóerő ismeretében számolhatjuk a nyíróerőt (3.4): N i = F i 2cosθ i [ N ] (3.4) ahol N i a pillanatnyi nyíróerő, F i a pillanatnyi húzóerő, θ i a vetülék és a láncrovingok által bezárt pillanatnyi szög fele, amely a nyírási szögből számolható (3.5) [16]: θ = i θ 2 0 i 2 γ (3.5) ahol θ 0 a vetülék és láncrovingok által bezárt kezdeti szög fele (45 ), γ i a pillanatnyi nyírási szög Golyós repesztő vizsgálat Az előzőekhez hasonlóan a mérés szakítógép, az adatok rögzítése számítógép segítségével történt. A vizsgálathoz 60x60 mm-es próbadarabokat vágtam ki, majd golyós repesztő készülékbe fogtam be őket. A golyós repesztő vizsgálattal az első berepedéshez tartozó deformációs képességet adjuk meg. Ennek mérőszámai az alábbiak: K kidomborodási magasság (10. ábra): Az első berepedésnél mérhető, a kelme kezdeti síkjától mért kiemelkedés. ε lineáris relatív nyúlás: A kelme kezdeti síkjára merőleges tengelymetszetben számított fajlagos érték (3.6) [19]. ε = l def l l 0 0 (3.6) ahol l 0 =2R 0, a befogott felület átmérője, l def =2B+2Rα, a deformált felület meridián görbéjének hossza, α a deformált felület gömbsüveg részéhez tartozó ívszög, B a deformált felület csonkakúp részének alkotó hossza (3.7), (21. ábra): 27

28 2 B = R KR K 2 (3.7) ezeket behelyettesítve (3.8): ε = B R R 0 0 R + α R 0 (3.8) Az ε meghatározásához először a B-t számoljuk ki, majd a 21. ábra alapján szögfüggvények segítségével kifejezzük az α-t (3.9), (3.10), (3.11) [19]: α = α 1 + α 2 tg α 1 = tgα 2 R B K R = R 0 (3.9) (3.10) (3.11) 21. ábra: Golyós repesztő vizsgálat fontosabb méretei [19] 28

29 3.2. Anyagok A szövetek kiválasztása előtt fontos szem előtt tartani, hogy milyen területen kívánjuk őket felhasználni. A kis szériás termékekben alkalmazott nagy teljesítményű, drága, vagy a tömeggyártásban alkalmazott sokcélú, alacsonyabb árú szövetek közül választásom az utóbbiakra esett. Ennek az az oka, hogy ezeknek az anyagoknak a hétköznapi felhasználása jóval szélesebb körű, így először érdemesebb ezeket tanulmányozni. Az üvegszövet mellett nagy népszerűsége és elterjedtsége miatt döntöttem. Mivel a különböző szövési tulajdonságok deformációs képességre gyakorolt hatását is nyomon szerettem volna követni, a legegyszerűbb vászon- mellett sávolyszövetet is használtam. Ennek eltérő területi- és rovingsűrűsége is összehasonlítás alapját képezte. Az anyagok különbözőségéből származó, például súrlódás hatásának vizsgálata miatt még egy, az üveghez hasonló bazaltvászon szövetet is vizsgáltam. Ez egyébként is egyfajta alternatívája az üvegszálas erősítő anyagoknak Vizsgálati eredmények Az alábbiakban a különféle vizsgálatok során tapasztalt jelenségeket mutatom be, majd a mérési adatokat kiértékelem, és az eredményeket diagramokkal szemléltetem Anyagjellemzők meghatározása A vizsgálat során optikai mikroszkóppal határoztam meg a szövetek, szálak különböző geometriai, szerkezeti jellemzőit. A kapott eredményeket az 1. táblázatban foglaltam össze. A szálak vizsgálatakor a szálakat üveg tárgylemezre helyeztem, majd egy csepp víz segítségével rögzítettem rá a fedőlemezt. 50x-es nagyítást használtam, hogy a méreteiket pontosan meg lehessen határozni. Ennél a nagyításnál azonban sok problémát okozott az elmosódott kép (22. ábra). A vizsgált anyagaim szálainak átmérőjét (d) 5-5 pontban határoztam meg, majd az eredményeket átlagoltam (1. melléklet). 29

30 a, b, c, 22. ábra: A szálak mikroszkópi képe 50x-es nagyításnál (a: üveg (GV), b: üveg (GS), c: bazalt (BV)) A rovingsűrűség meghatározásához a szövetekről is készítettem mikroszkópi képeket ( ábra). A rovingszámot 10mm hosszú szakaszokon mértem (lánc- és vetülékirányban 5-5 pontot), majd az eredmények átlagát számoltam (1. táblázat) (2. melléklet). 23. ábra: Vászon üvegszövet mikroszkópi képe 5x-ös nagyításnál 30

31 24. ábra: Sávoly üvegszövet mikroszkópi képe 5x-ös nagyításnál 25. ábra: Bazaltszövet mikroszkópos vizsgálata 5x-ös nagyításnál A lineáris sűrűség meghatározásához anyagonként 5-5 roving tömegét és hosszúságát mértem, majd a belőlük számolt lineáris sűrűség átlagát vettem. A kapott eredményeket az 1. táblázat és a 3. melléklet tartalmazza. Anyag Kötésmód Területi sűrűség Rovingsűrűség [1/10 mm] Elemiszál átmérő [g/m2] Lánc Vetülék [μm] Lineáris sűrűség [tex] GV vászon , ,710 GS sávoly ,412 65,741 BV vászon , , táblázat: A szövetek tulajdonságai 31

32 Húzó vizsgálat Elsőként a húzóvizsgálat során fellépő jellegzetes jelenségeket mutatom be, amelyeket a bazalt vászon vizsgálata során készített képekkel szemléltetem. Ezután részletesen elemzem anyagonként a mérési eredményeket. A vizsgálati mintában a rovingok a szőtt szerkezetből következően egymást keresztezve, hullámosan helyezkednek el. A vizsgálat során a terhelés növelésével a húzás irányába eső rovingok megfeszülnek és hullámosságuk csökken, míg emiatt az ezekre merőleges rovingok hullámossága nő. A mérés folyamán hallhatóak voltak kis pattanások, majd a maximális erő elérésekor határozott hangjelenség kíséretében tönkrement az anyag. Ez, illetve a szövet bolyhozódása arra utal, hogy tönkremenetel az elemi szálak szakadása révén ment végbe (26. ábra). 26. ábra: BV anyag húzóvizsgálata vetülékirányú terhelés esetén 22,5 -os húzóvizsgálat során már a mérés kezdetekor a minta átlójában feszülés volt tapasztalható, miközben a többi rész instabillá vált és redők alakultak ki. A feszülés később feloldódott, és a rovingok elkezdtek kihúzódni a szövetszerkezetből. Ennek a foszlásnak az irányát befolyásolta a kezdetben tapasztalt feszülés. A próbadarab középen erősen elkeskenyedett (27. ábra). 32

33 Horváth Péter Attila 27. ábra: BV anyag húzóvizsgálata 22,5 -os terhelés esetén A 45 -os húzóvizsgálat során a szövet mintázatán jól láthatóan és elkülöníthetően megjelennek az irodalomkutatásban bemutatott nyírási zónák, amelyek különböző igénybevételek jelenlétére utalnak. A minta a befogáshoz közeli részt leszámítva egyenletesen keskenyedett el (28. ábra). A tönkremenetel során a rovingok a középső tartományban kihúzódtak a szövetszerkezetből, miközben hangjelenség nem volt tapasztalható. 28. ábra: BV anyag húzóvizsgálata 45 -os terhelés esetén 67,5 -os terhelésnél a szövet hasonlóan viselkedett, mint a 22,5 -os terhelésnél, a szerkezet szimmetriájának megfelelően. A kezdetben fellépő feszülés azonban a minta ellentétes irányú átlójában keletkezett (29. ábra). 33

34 Horváth Péter Attila 29. ábra: BV anyag húzóvizsgálata 67,5 -os terhelés esetén Láncirányú terhelésnél a minta a vetülékirányban tapasztaltaknak megfelelően viselkedett (30. ábra). 30. ábra: BV anyag húzóvizsgálata láncirányú terhelés esetén A következőkben rendre az előző vizsgálatokkal kapott mérési diagramokat mutatom be. Üveg vászonszövet vetülék- és láncirányú húzóvizsgálatánál megfigyelhető a rideg üvegszövet gyors erőnövekedése, jól meghatározható szakadási pontja és gyors erővisszaesése (31. ábra, 35. ábra). A kezdeti görbemeredekséggel jellemezhető az anyag rugalmassága. A méréseknek viszonylag kicsi a szórása, ellentétben a 22,5 -os és 67,5 -os vizsgálatokkal, amelyeknél a kezdeti szakaszban tapasztalt változatos erőfelfutás után a görbék hasonló karakterisztikát mutatnak (32. ábra, 34. ábra). 45 -os terhelésnél lassan növekszik az erő, majd lassan csökken, és nincs töréspont (33. ábra). 34

35 31. ábra: GV anyag erő nyúlás diagramja vetülékirányú terhelés esetén 32. ábra: GV anyag erő-nyúlás diagramja vetülékirányhoz képest 22,5 -os terhelés esetén 33. ábra: GV anyag erő-nyúlás diagramja vetülékirányhoz képest 45 -os terhelés esetén 35

36 34. ábra: GV anyag erő-nyúlás diagramja vetülékirányhoz képest 67,5 -os terhelés esetén 35. ábra: GV anyag erő-nyúlás diagramja láncirányú terhelés esetén Az üveg sávolyszövet húzódiagramjai vetülék- és láncirányú terhelés esetén a kezdeti erőfelfutás során hasonlóan viselkednek a vászonnál tapasztaltakhoz, viszont az erő visszaesése sok esetben különbözik (36. ábra, 40. ábra). Ez a szakasz kevésbé meredek és szaggatott lefutású. Ez arra utal, hogy a rovingoknak csak egy része szakadt el vélhetően egyik oldalon, és a repedés onnan terjedve megy keresztben az anyagon át. Ezen a szakaszon tapasztalható periodikus kiemelkedések az adott roving szakadásával összefüggő erőnövekményre és csökkenésre utalnak. Mivel vászon szövetnél nem tapasztaltam ezt a jelenséget rovingirányokban végzett vizsgálatok esetén (üvegnél és bazaltnál sem), valószínűsíthető, hogy a nem egyenletes szakadásokat a sávoly aszimmetrikus szerkezete okozhatta. 22,5 -os és 67,5 -os irányú terhelésnél nagy különbséget mértem, amely nem jelent meg a vászonszöveteknél. Ennek oka szintén az 36

37 aszimmetrikus sávolyszövésben kereshető. A további irányokban végzett mérések a vászonhoz hasonló diagramokat eredményeztek (37. ábra, 38. ábra, 39. ábra). 36. ábra: GS anyag erő-nyúlás diagramja vetülékirányú terhelés esetén 37. ábra: GS anyag erő-nyúlás diagramja vetülékirányhoz képest 22,5 -os terhelés 37

38 38. ábra: GS anyag erő-nyúlás diagramja vetülékirányhoz képest 45 -os terhelés esetén 39. ábra: GS anyag erő-nyúlás diagramja vetülékirányhoz képest 67,5 -os terhelés 40. ábra: GS anyag erő-nyúlás diagramja láncirányú terhelés esetén 38

39 A bazalt szövet vetülék- és láncirányú terhelésnél a görbék lefutása hasonló az üveg vászonnál tapasztaltakhoz, különbség lényegében az erő és nyúlás értékek nagyságában volt tapasztalható (41. ábra, 45. ábra). 45 -os terhelésnél hasonlóan viselkedik a másik két anyaghoz képest, azonban arányaiban sokkal nagyobb húzóerő mérhető (43. ábra). 22,5 os és 67,5 -os terhelésnél a kezdeti erőfelfutás utáni szakadást a sávoly szövetnél tapasztalt szaggatott lefutásgörbe jellemzi (42. ábra, 44. ábra). Ez annak tudható be, hogy a terhelés irányával szöget bezáró szálakban különböző nagyságú feszültség lép fel, emiatt szakadásuk sem együtt történik 41. melléklet: BV anyag erő-nyúlás diagramja vetülékirányú terhelés esetén 42. melléklet: BV anyag erő-nyúlás diagramja vetülékirányhoz képest 22,5 -os terhelés esetén 39

40 43. ábra: BV anyag erő-nyúlás diagramja vetülékirányhoz képest 45 -os terhelés esetén 44. ábra: BV anyag erő-nyúlás diagramja vetülékirányhoz képest 67,5 -os terhelés esetén 45. ábra: BV anyag erő-nyúlás diagramja láncirányú terhelés esetén 40

41 A vetülék- és láncirányban kivágott mintáknál a rovingok mindkét vége be volt fogva, emiatt a rideg üveg- és bazaltszálak szakítási görbéin az erők gyorsan növekedtek. Miután elért a terhelés egy bizonyos szintet, a szálak nagy része rövid idő alatt láncszerűen szakadt el, az erő gyorsan visszaesett. A 45 -ban kivágott minták rovingjai nem érnek át az egyik befogóból a másikba, hanem a sáv széle felé futnak, így a vizsgálat során nem szakadnak el, hanem kihúzódnak egymás közül, emiatt nem tapasztalható a szálak rideg viselkedése és a szakítószilárdágukból adódó magas erő érték sem. A fellépő maximális erő és a hozzá tartozó nyúlás értékeket a rovingok közötti súrlódás határozza meg. A mérések során az erő lassan növekedett, majd a maximum, amely több nagyságrenddel alacsonyabb volt, mint a vetülék- és láncirányú vizsgálatok esetén, elérése után lassan csökkeni kezdett. Mindhárom anyagnál megfigyelhető, hogy lánc-, vetülék- és 45 -os irányokban egyértelműen megállapítható a maximális erő helye, azonban 22,5 és 67,5 -os terhelésnél két lokális maximum is megjelenik az erő-nyúlás görbéken (46. ábra). Az első maximum általában magasabb (kivéve a bazaltot), meredeken növekszik, és hirtelen esik vissza. A másik szélsőérték nagysága kisebb, lassan növekszik, és lassan esik vissza. Ezek a jelenségek törvényszerűségekre utalnak a vizsgálatokat illetően 46. ábra: 22,5 -ban, és 67,5 -ban kivágott minták húzóvizsgálati jelleggörbéje 41

42 Az első, B-vel jelölt maximum fel- és lefutása a rovingirányokban tapasztalt szakadáshoz, az S-sel jelölt, második maximum karakterisztikája a 45 -os minták rovingjainak kihúzódásához hasonló. Valójában e két folyamat együttese van jelen a mérés során. A 22,5 -os és a 67,5 -os kivágás miatt a legtöbb rovingnak csak az egyik vége, vagy egyik vége sem volt befogva, azonban a minta közepén néhány roving átért az egyikből a másik befogóba (47. ábra). Ezek terhelése okozta a gyors erőnövekedést, majd szakadás után a hirtelen erővisszaesést. Ezután azonban már a rovingok kihúzódása miatt a 45 -os vizsgálatnál tapasztalt laposabb görbét kaptam. A vizsgálati diagram tehát ennek a kétféle tönkremeneteli folyamatnak az eredője, ahogy ezt a 46. ábra is szemlélteti. Ezen diagramok kezdeti szakaszának feltűnően nagy volt a szórása. Ez annak volt köszönhető, hogy a kivágás irányának kicsi eltérése miatt kicsit ingadozott a mindkét végükön befogott rovingok száma, ami viszont az összes, mindkét végén befogott rovingok számához képest relatíve nagy ingadozást okozott. Csak néhánnyal több, mindkét végén befogott roving többszörösére emeli a kezdeti erőmaximumot. A második szakasz lefutásában már nem volt megfigyelhető ekkora szórás. 47. ábra: 22,5 -ban (a) és 67,5 -ban (b) kivágott minták szerkezete A polárdiagramok szerkesztésénél az átlagos maximális húzóerő értékeket fajlagosítottam a sávok szélességével (5 cm). Jellemző nyúlásként a maximális húzóerőhöz 42

43 tartozó értékeket vettem figyelembe, kivéve a 22,5 -ban, és 67,5 -ban kivágott mintákat. Ez utóbbiak esetében a 46. ábra szerint értelmezett S ponthoz tartózó nyúlásokat vettem figyelembe, mivel ebben az esetben a tényleges szakadási nyúlás többnyire nem esik egybe a maximális erővel (kivéve a BV anyag). A GV anyag fajlagos erő polárdiagramja alapján megállapítható, hogy vetülék- és láncirányban akár három nagyságrenddel nagyobb terhelés elviselésére képes, mint a köztes irányokban (48. ábra). A fajlagosított értékek és a logaritmikus skálázás miatt nem feltűnő a két rovingirányban mért erő különbsége. Ez annak köszönhető, hogy láncirányban nagyobb a rovingsűrűség. GV anyag nyúlás polárdiagramja vetülék és láncirányokban viszonylag magas értékeket mutat, amit a rovingoknak szövetszerkezetéből adódó kezdeti hullámossága okozhatott (49. ábra). 45 -os irányban a várakozásnak megfelelően a rovingirányban mérthez képest jóval nagyobb a nyúlás. Fajlagos szakítóerő [N/cm] ,5 67, , , , ,5 337, , ,5 48. ábra: GV anyag fajlagos szakítóerő polárdiagramja 43

44 Nyúlás [mm] ,5 67, , , ,5 337, , ,5 49. ábra: GV anyag nyúlás polárdiagramja A GS anyag fajlagos erő és nyúlás polárdiagramja a sávoly szövésből következően aszimmetrikus alakú (50. ábra, 51. ábra). Ez a tulajdonság jól megfigyelhető a 22,5 -os, a 67,5 -os, illetve az ezekkel egyenértékű irányokban. 67,5 -nál nagyobb erő és kisebb nyúlás jelentkezik, mint a 22,5 -os terhelésnél. Szimmetrikus vászon szövet esetén ezek az értékek közel egyformák. A nyúlás 45 -nál, és az ezzel egyenértékű irányokban a vártnak megfelelően a legnagyobb (51. ábra). Fajlagos szakítóerő [N/cm] ,5 67, , , ,5 337, , ,5 50. ábra: GS anyag fajlagos szakítóerő polárdiagramja 44

45 Nyúlás [mm] ,5 67, , , ,5 337, , ,5 51. ábra: GS anyag nyúlás polárdiagramja BV anyag polárdiagramjain a rovingirányok közötti irányokban végzett terhelések hasonló erő értékeket mutatnak. Ennek az az oka, hogy szemben a másik két anyaggal, a maximális erő mindhárom esetben az S-sel jelölt csúcson ébred, amelyet a szövetekben fellépő hasonló nagyságú súrlódó erő okoz (52. ábra, 53. ábra). A három anyag 45 -os vizsgálatát összehasonlítva azt tapasztaljuk, hogy a szövetben fellépő súrlódási erő a bazalt esetében a legnagyobb. Fajlagos szakítóerő [N/cm] ,5 67, , , ,5 337, , ,5 52. ábra: BV anyag fajlagos szakítóerő polárdiagramja 45

46 Horváth Péter Attila Nyúlás [mm] , , ,5 22, ,5 337, ,5 292, ábra: BV anyag nyúlás polárdiagramja Nyíró vizsgálatok A nyíróbefogóval végzett vizsgálatok során a három anyag hasonlóan viselkedett (54. ábra), mindössze a nyíróerők nagyságában tapasztaltam különbséget. 54. ábra: BV anyag nyíróvizsgálata befogóval 46

47 Az extenzométerrel végzett átlósirányú húzóvizsgálat próbadarabja és annak viselkedése megegyezik a 45 -os húzóvizsgálattal. A minta közepében tiszta nyírás lép fel, és a különböző igénybevételi zónákra a szövet mintázatának változása utal (55. ábra). 55. ábra: Átlósirányú húzóvizsgálat A kétfajta vizsgálat eredményeinek összehasonlítása érdekében a kapott nyíróerő értékeket fajlagosítottam. A nyíróbefogónál ez a nyíróerőnek a vizsgált minta hosszára (N f =N/hossz), átlósirányú vizsgálatnál a szélességre történő fajlagosítást jelenti ( = N /(0,05 2 szélesség) [20]. A mérésekből számolt fajlagos nyíróerőket átlagoltam, N f és a nyírási szög függvényében ábrázoltam. A két nyíróvizsgálattal kapott eredményekben jelentős eltérések tapasztalhatók. A nyíró befogóval végzett vizsgálatok esetén a nyíróerő azonnal növekedni kezd, átlósirányú vizsgálatnál lassan növekszik, majd egy meghatározott szöget elérve hirtelen emelkedik. Az 56, 57, 58. ábrán látható görbék 6-6 mérés átlagát szemléltetik. A különbségek oka feltételezhetően a nyíróbefogónál a mintában létrehozott 20 N nagyságú előfeszítés. Ezzel összefüggésben a nyírás irányára merőleges, mindkét végükön befogott rovingok miatt azonnal növekszik a nyíróerő, miközben az átlósirányú mintában, amelynek középső zónájában olyan rovingok is vannak, amelyeknek egyik vége sincs befogva, csak nagyobb alakváltozás után kezd a nyíróerő jelentősebben növekedni. A kétféle vizsgálat 47

48 eredményei közötti nagy eltérés okainak feltárásához további vizsgálatok szükségesek, például különböző mértékű előfeszítés hatásának tanulmányozása a nyíróerőre. A nyíróbefogóval végzett vizsgálatok nem mutatnak jelentős különbséget, az átlósirányú húzóvizsgálat viszont megerősítette a húzóvizsgálatok eredményei alapján kialakított azon feltételezést, hogy a bazalt vászon szövetben lép fel a legnagyobb súrlódási és nyírási erő. Az üvegszövetek közül a sávolyszövésűben feltűnően nagyobb nyíróerő lép fel a vászonhoz képest. Ez feltehetően a sávoly nagyobb rovingsűrűségének köszönhető, amely tömörebb szövetszerkezetet és nagyobb súrlódó felületet okoz. Az erőnövekedés az üvegszöveteknél azonosan 50 -os nyírási szög körül kezdődik, míg bazaltnál ez a szög ábra: GV anyag nyíróvizsgálata átlósirányú húzással és nyíró befogóval 57. ábra: GS anyag nyíróvizsgálata átlósirányú húzással és nyíró befogóval 48

49 58. ábra: BV anyag nyíróvizsgálata átlósirányú húzással és nyíró befogóval Golyós repesztő vizsgálat A golyós repesztő vizsgálatoknál mindhárom anyag esetében azt tapasztaltam, hogy a szövetekbe nyomott acélgolyó kezdetben megfeszíti a szövetet, majd egy adott kidomborodási magasságot elérve elkezdenek szétcsúszni a rovingok. Ekkor megjelenik a minta alatti golyó fényes felülete, majd átbújik a szöveten (59. ábra). 59. ábra: BV anyag golyós repesztő vizsgálata 49

50 A három anyag golyós repesztő vizsgálatánál feltűnő az eredmények nagy szórása. Ez a probléma már a korábban mások által végzett mérések során is felmerült [19]. A mérések során különbségeket okozhat az eltérő előfeszítés, amely a hullámos befogó különböző erővel történő meghúzása miatt következhet be. Az eltérő előfeszítés befolyásolja később a maximális kidomborodási magasságot. További probléma származhat abból, ha a terhelés hatására a rovingok megcsúsznak. Ez az erő kismértékű, hirtelen visszaesésében, majd ismét növekedésében mutatkozott meg. A tönkremenetelt a rovingok szétcsúszása okozta, amikor a golyó a nyomóerő hatására a rovingok között átbújt. A rovingokat alkotó elemi szálak nem szakadtak el, csak a szövetszerkezet ment tönkre. A maximális erő jelentősen függ attól, hogy a golyó legmagasabb pontjához képest a rovingok hogyan helyezkednek el. Ha egy roving középvonala pontosan keresztülmegy a golyó legmagasabb pontján, akkor nagyobb erő hatására csúszik meg, mint akkor, ha a roving nem keresztezi a golyó legmagasabb pontját. A két szélsőesetet szemlélteti a 60. ábra. 60. ábra: Rovingok elhelyezkedése a golyó felületén (legnehezebben szétcsúszó eset, legkönnyebben szétcsúszó eset) A folyamat jellege miatt nem határozható meg egyértelmű tönkremenetelt okozó golyónyomó erő. A vizsgált minta ellenállásának jellemzésére a maximális golyónyomó erőt, a maximális golyónyomó erőhöz tartozó kidomborodási magasságot és az alakítási energiát (görbe alatti terület) határoztam meg. Megállapítható, hogy a két üvegszöveten mért legnagyobb erők hasonló nagyságúak. A legkisebb mért erők a sávoly esetében nagyobbak, ami a sűrűbb szövésnek köszönhető (61. ábra, 62. ábra, 63. ábra). A bazalt szövet esetében nagyobb erő értékeket mértem, ami összefüggésben lehet a korábban már tapasztalt rovingok közötti nagyobb súrlódással, mivel a két vászonszövet rovingsűrűsége hasonló. 50

51 A feldolgozás szempontjából fontos megállapítani az alakíthatóságnak egy bizonyos határát, amelynél a szövet még nem kezd szétcsúszni, szerkezete nem szenved maradandó változást. Megfigyeléseim alapján ez a kidomborodási határ az üvegszöveteknél ez mindkét esetben 5 mm-nek vehető. Bazalt esetében ez a határ 6-7 mm. Az értékek a golyó és a befogógyűrű átmérőjéhez tartoznak. 61. ábra: GV anyag erő-kidomborodás diagramja golyós repesztő vizsgálatnál 62. ábra: GS anyag erő-kidomborodás diagramja golyós repesztő vizsgálatnál 51

52 63. ábra: BV anyag erő-kidomborodás diagramja golyós repesztő vizsgálatnál A kidomborodás metszetébe eső elemek hossznövekedését a befogás átmérőjéhez képest százalékosan megadva, azaz lineáris relatív nyúlást számolva adtam meg a deformáció nagyságát, és ennek függvényében ábrázoltam a fellépő golyónyomó erőket. Ezek az értékek már a vizsgálat geometriai körülményeitől függenek, így jobban jellemzik a mérés eredményeit. Jól látható, hogy a lapos görbék nem mutatnak hirtelen erővisszaesést, azaz szakadást. Az alakíthatóság határa üveg vászon- és sávolyszövetnél kb. 10 %-os, bazalt vászonnál 15 %-os lineáris relatív nyúlás (64. ábra, 65. ábra, 66. ábra). A bazaltnál tapasztalt magasabb deformációs képességet a vizsgálatok során elnyelt legnagyobb energia is alátámasztja (2. táblázat). Az üveg sávoly az üveg vászon szövetnél kisebb szakítószilárdságú, mégis nagyobb energiát nyelt el, ami a sávoly sűrűbb szövésével magyarázható. 64. ábra: GV anyag golyós repesztő vizsgálatának erő- lineáris relatív nyúlás diagramja 52

53 65. ábra: GS anyag golyós-repesztő vizsgálatának erő lineáris- relativ nyúlás diagramja 66. ábra: BV anyag golyós repesztő vizsgálatának erő- lineáris relatív nyúlás diagramja 53