POLIEREK SZAKÍTÓ VIZSGÁLAT 4. POLIEREK SZAKÍTÓ VIZSGÁLATA 4.1. A ÉRÉS 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. ELÉLETI 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. ÁRA PRÓATEST TÍPUSOK: (A) PRÓATEST NAGYNYÚLÁSÚ ANYAGHOZ, () NORÁL SZAKÍTÓ PRÓATEST 1
POLIEREK SZAKÍTÓ VIZSGÁLAT 4.2.2. érési körülmények Szakítási sebesség: a szakítási sebesség befolyásolja az anyag viselkedését. Nagyobb sebességek esetén az anyag szilárdabbnak, ridegebbnek látszik (4.2.a ábra). íg fémek illetve erosített polimerek esetén 1 mm/perc nagyságrendu a szakítási sebesség, addig a hore lágyuló polimerek illetve elasztomerek esetén, ahol több 1 %-os relatív nyúlás jöhet létre, az alkalmazott szakítási sebességek is nagyságrend(ekk)el nagyobbak. A.).) 4.2. ÁRA (A) SZAKÍTÁSI SEESSÉG ILLETVE () HOÉRSÉKLET HATÁSA A SZAKÍTÓGÖRÉKRE Vizsgálati homérséklet: a polimerek esetén már kis homérséklet változás is jelentosen befolyásolja a szilárdságot, illetve a szakadási folyamat jellegét. íg 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. ÁRA PA SZAKÍTÓGÖRÉI KÜLÖNÖZO NEDVESSÉGTARTALO ELLETT 2
POLIEREK SZAKÍTÓ VIZSGÁLAT 4.2.3. A szakítóvizsgálatból meghatározható mechanikai jellemzok A szakítóvizsgálat eredményeként az adott mérési körülményekre vonatkozóan megkapjuk az anyag ero-nyúlás (- l) görbéjét. Ezt egyszeruen át lehet paraméterezni feszültség-relatív nyúlás (-) görbévé (4.4. ábra): az ero tengely helyén a feszültséget ( [Pa]) megkapjuk, ha az erot ( [N]) osztjuk a próbatest kiindulási keresztmetszetével (A [mm 2 ]): = [Pa], (4.1) A a relatív nyúlás () pedig a próbatest megnyúlásának ( l [mm]) és a kezdeti mérési hossznak (L [mm]) a hányadosa: l = 1 [%]. (4.2) L Y Y Y P P P L P L Y L P Y 4.4. ÁRA ÁLTALÁNOS SZAKÍTÓ DIA GRA L L A szakítóvizsgálat során regisztrált ero-nyúlás görbébol (illetve az ezzel ekvivalens feszültség - relatív nyúlás görbébol) a következo mechanikai mennyiségeket lehet leolvasni, illetve számítani: s p arányossági határ: eddig a feszültség értékig az alakváltozás arányos a feszültséggel, azaz ebben a tartományban érvényes a Hooke törvény: = E [Pa], (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 = pontba tér vissza, azaz csak rugalmas alakváltozás történik, maradó alakváltozás nem jön létre. s Y folyás határ: ekkor az anyag további igénybevétel növekedés nélkül nyúlik. A gyakorlatban bizonyos polimereknél fel sem lép, másoknál több 1 %-os folyási alakváltozás következhet be, melyet a próbatesten nyakképzodés elozheti meg és 3
POLIEREK SZAKÍTÓ VIZSGÁLAT szerkezeti átalakulás kíséri. A folyást bizonyos polimerek esetén az ún. feszültség fehéredés jelezheti. s 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. s 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 (e ): L L = 1 [%], (4.4) L ahol: L a próbatest vizsgált szakaszának eredeti terheletlen hossza, L a próbatest vizsgált szakaszának a maximális eronél mért megnyúlt hossza. Szakadási nyúlás (e ): L L = 1 [%], (4.5) L ahol: L : a próbatest vizsgált szakaszának a szakadáskor mért megnyúlt hossza. A - görbébol a vizsgált anyagra nézve különbözo rugalmassági modulusok határozhatók meg (E). Kétféle típusú rugalmassági modulusról beszélhetünk: Húr modulus (E h ): a görbe tetszés szerinti pontját az origóval összeköto egyenes meredeksége, természetesen pontról pontra változik (4.5.a. ábra). Érinto modulus (E e ): a görbe tetszoleges pontjához húzott érinto meredeksége (4.5.b. ábra). ivel a szakítógörbe nem lineáris, így érintojének meredeksége is pontról pontra változik. A feszültség - relatív nyúlás görbe origójába húzott érintojének meredekségét kezdeti rugalmassági modulusnak nevezzük (E ). 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,5 % és,25 % relatív nyúlásértékhez tartozó görbepontokon átmeno egyenes meredekségét tekintjük az anyag kezdeti rugalmassági modulusának. Húr modulus: E = h h h Érintõ mod.: E e = Rug. modulus:e = h h A.).) 4.5. ÁRA RUGALASSÁGI ODULUSOK EGHATÁROZÁSA, (A) HÚR ODULUS () ÉRINTO ODULUS 4
POLIEREK SZAKÍTÓ VIZSGÁLAT A szakítógörbe alatti terület a szakításra fordított munka, azaz a törési munka (W): W = l dl [J], (4.6) A törési munka rideg anyagoknál kisebb, szívós anyagoknál nagyobb. A törési munka és a rugalmassági modulus egymással fordítottan arányos. ivel 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: A L A L A L = Ap L p Ap = =, (4.7) Lp L + l p ahol: Lp a pillanatnyi hossza az L kezdeti mérési hossznak, Lp =L + lp, lp az ero-nyúlás görbérol leolvasható pillanatnyi nyúlása a kezdeti mérés hossznak. 4.3. A ÉRÉS SORÁN HASZNÁL T GÉPEK, ERENDEZÉSEK, ESZKÖZÖK A méréshez Instron típusú univerzális szakítógépet használunk. A gép maximális méréshatára 1 kn, szakítási sebesség tartománya,1..5 mm/min. 4.4. A TÉÁHOZ KAPCSOLÓDÓ ONTOSA SZAVAK ANGOLUL, NÉETÜL agyar Ero Elmozdulás eszültség Homérséklet Húzószilárdság Nedvesség tartalom Nyúlás Rugalmassági modulus Szakítási sebesség Szakítószilárdság Szakító vizsgálat Szívósság Angol orce Elongation Stress Temperature Tensile strength oisture content Strain Young modulus Test speed reaking strength Tensile test Toughness Német e Kraft e ewegung e Spannung e Temperatur e Zugfestigkeit s euchtigkeitsgehalt e Dehnung r Elastizitätsmodul e Prüfgeschwindigkeit r ruchspannung e Zugprüfung e Zähigkeit 5
POLIEREK SZAKÍTÓ VIZSGÁLAT 4.5. AJÁNLOTT IRODALO 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, uegyetemi Kiadó, udapest, 2, 447. old. 6