Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Polimertechnika Tanszék Polimer anyagtudomány BMEGEPTMG04, 3+0+1v, 5 krp VI. POLIMEREK TÖRÉSI VISELKEDÉSE Vas László Mihály 1 Felhasznált források Irodalom 1. Bodor G.-Vas L.M.: Polimerek szerkezettana. Műegyetemi Kiadó, Bp. 000.. Blumenauer H. Pusch G.: Műszaki törésmechanika. Műszaki K., Bp. 1987. 3. Retting W.: Mechanik der Kunststoffe. Hanser Verlag, München, 199. 4. Halász L.-Zrínyi M.: Bevezetés a polimerfizikába. Műszaki K., Bp. 1989. 5. Bodor G.-Vas L.M.: Polimer anyagtudomány. Kézirat. BME, Bp. 000. 6. Ehrenstein G.W.: Polymerwerkstoffe. Struktur und mechanische Verhalten. C.Hanser Verlag, München, 1978. Ajánlott irodalom 7. Oswald T.A.-Menges G.: Materials Science of Polymers for Engineers. Hanser Pub., New York, 1996. 8. Ward I.M.-Hadley D.W.: An Introduction to the Properties of Solid Polymers. J.Wiley&Sons, Chichester, 1993. 9. Strobl G.: The Physics of Polymers. Concepts of Understanding their Structures and Behaviour. Springer Verlag, Berlin. 1996. 10. Menges G.: Werkstoffkunde der Kunststoffe. C.Hanser Verlag, München, 1985. 11. Eisele U.: Introduction to Plymer Physics. Springer-Verlag Verlag, Berlin 1990. Vas László M. 1
Szilárdság és tönkremenetel 1. Anyaghibák és szilárdság Szilárdság: Az anyag, illetve szerkezet ellenállása az irreverzibilis alakváltozással és repedésterjedéssel szemben. Törési ok általában: Meglévő repedés(ek) terjedése az igénybevételek (mechanikai-, hő-, vegyi-) hatására. 3 Szilárdság és tönkremenetel 1. Anyaghibák és szilárdság Mérethatás_1 (1) Szilárdtest paradoxona: Az anyagok σ B szakítószilárdsága szálformában nagyobb, mint a szokásos, terjedelmesebb, tömbalakban, de kisebb az elméletileg elérhetőnél: σ B, tömb< σb, szál < σb, elméleti () Szálforma paradoxona: a.) Miközben az F B szakítóerő nő, a szálak σ B szakítószilárdsága csökken _FB a szálátmérő növekedésével (3) Szálhossz paradoxona: A szálak F B átlagos szakítóereje csökken az l o terhelt, vagy szabad befogási hossz növekedésével _ F _ B F B (0) 0 σ B 0 d d _ F B ( οο ) 0 l o 4
Szilárdság és tönkremenetel 1. Anyaghibák és szilárdság Mérethatás_ Ad. (3) Szálforma paradoxona mérés üvegszálakon Tensile strength [GPa] Fibre diameter [µm] Ehrenstein G. W.: Faserverbund-Kunststoffe, Hanser Verlag, München, 199 5 Szilárdság és tönkremenetel 1. Anyaghibák és szilárdság Mérethatás_3 Ad. (3) Szálhossz paradoxona mérés lenszálakon 1600 1400 Zugfestigkeit [MPa] 100 1000 800 600 400 1071 873 695 559 478 00 0 0 5 10 15 0 5 30 35 Einspannlänge [mm] Quelle: Flachsfaserfestigkeit; Dr. S. Odenwald; TUC/IMK 6 3
Szilárdság és tönkremenetel 1. Anyaghibák és szilárdság Mérethatás_4 (4) Szálköteg-paradoxon: Az n-szálú kötegben keletkező szakadások egymásutánisága miatt a tapasztalt Fn,max maximális köteghúzóerővel értelmezhető kötegszakítóerő, 1 szálra eső része kisebb az egyedi szálszakítások révén kapott F S átlagos szakítóerő értéknél. Ennek megfelelően definiálható az n szálú köteg szálszilárdság kihasználási tényezője (η n ): Fn,max 0 < ηn = nfs < 1 7 Szilárdság és tönkremenetel. Meghibásodás, törés PE szívós törése ABS terpolimer S-B gömböcskéinél megjelenő, megnyúlt szakadási gödröcskék 8 4
Szilárdság és tönkremenetel 3. Húzási és nyírási sávok (inhomogén zónák), mint irreverzibilis deformációs folyamatok (elsősorban amorf) polimerekben Normálfeszültség kelti (Craze) Nyírófeszültség kelti 9 Szilárdság és tönkremenetel 4. A húzási/nyírási zónák a molekulaláncok feszültség hatására keletkező lokális kötegelődésével és/vagy maradó elmozdulásával (folyással) létrejött inhomogenitások. Húzási zónák, azaz sűrűség és orientáció inhomogenitások, mint egyfajta strukturált mikrorepedések Keletkezésére elsősorban az amorf termoplasztikus anyagok (ATP:: PS, SAN, PMMA, PC) hajlamosak; Keletkezhetnek a részbenkristályos termoplasztikus polimerek (RTP:: PE, PP, PA, PET) amorf részeiben is, illetve Kis mértékben a sűrűn térhálós polimer gyantákban (STH: UP, EP, VE) is felléphetnek. Nyírási zónák, azaz orientáció inhomogenitások kevésbé általános jelenségek; keletkezésük feltétele: Aktiválható relaxációs mechanizmus (mellék diszperziós tartomány) Az aktiváláshoz megfelelő hőmérséklet és alacsony terhelési sebesség 10 5
Szilárdság és tönkremenetel 5. Húzási és nyírási sávok (inhomogén zónák) Felületi NFZ Húzási zónák lehatárolódása a nyírási zónák által Belső NFZ Kaucsuk részecske hatása PS (NFZ) Önkeltésű CFZ-k 11 Szilárdság és tönkremenetel 5.a. Húzási/nyírási sávok és szerkezetük (inhomogén zónák) Nyírási zónák PS-ban nyomás hatására Mikroüregek Fibrillák Oudet Ch.: Polymeres. Masson, Paris, 1994. Folyási zónák (NFZ) PS-ban Menges G.: Werkstoffekunde der Kunststoffe. Hanser V. München 1985. 1 6
Szilárdság és tönkremenetel 6. Húzási sávok ATP polimerekben Az idő és a terhelési szint hatása a polimer deformációjára (kúszásgörbék) és a húzási (folyási) zónák kialakulására (ε F az első NFZ-hez tartozó határdeformáció, ε B a kúszási szakadási nyúlás ) Menges G.: Werkstoffekunde der Kunststoffe. Hanser V. München 1985. 13 Szilárdság és tönkremenetel 6.a. Húzási sávok ATP polimerekben Az idő és a terhelési szint hatása a PMMA deformációjára (kúszásgörbék) és a húzási zónák kialakulására (ε F az első NFZ-hez tartozó határdeformáció) 14 7
Szilárdság és tönkremenetel 8. Húzási sávok RTP polimerekben PP húzásakor az inhomogén szferolit-deformációkat kísérő, a szferolithatárokon fellépő mikrorepedés (NFZ, craze) képződés tartománya (kifehéredés) messze benyúlik a nyakképződött részektől a nem befűződött szakaszokba is 15 Szilárdság és tönkremenetel 9. Kompozit hibák és tönkremeneteli módok Légbuborék, légzárvány a mátrixban Belofsky H.: Product design and process engineering. Hanser Pub. Munich-New York, 1995. Mátrix repedések Szál-mátrix elválás Szálkicsúszás Szálszakadás 16 8
Szilárdság és tönkremenetel 10. Kompozit tönkremeneteli módjai és feltételei D Belofsky H.: Product design and process engineering. Hanser Pub. Munich-New York, 1995. Mátrix repedések Szál-mátrix elválás Szálkicsúszás Szálszakadás Hertzberg G.W.: Deformation and fracture mechanics J.Wiley, New York, 1989. 17 Polimerek törésmechanikai viselkedése 1. Repedésterjedés és törés módjai 18 9
Polimerek törésmechanikai viselkedése. A TÖRÉSMECHANIKA MÓDSZEREI Lineárisan rugalmas törésmechanika módszerei (LRTM) Feszültségintenzitási elméletek (K Ikrit ) Lineárisan rugalmas viselkedés Kis képlékeny tartományú viselkedés Energiahipotézis (G Ikrit ) Nemlineáris vagy képlékeny törésmechanika módszerei (NLRTM, KTM) Repedéskinyílási (COD) elmélet (δ Ikrit ) J-integrál (és J-pont integrál) Törés lényegi munkája (EWF) 19 Polimerek törésmechanikai viselkedése 3. Neuber-féle elliptikus bemetszés és a repedés ρ>0 Neuber szerint a bemetszés okozta feszültségcsúcs értéke: σ max = α kσ N ; α k = 1 + a ρ A végtelenül kicsiny sugarú repedéscsúcs esetén: αk σmax, ha ρ 0 0 10
Polimerek törésmechanikai viselkedése 4. Repedési/repedésterjedési módok Irwin szerint Muttnyánszky Á.: Szilárdságtan. Műszaki K. Bp. 1981 1 Polimerek törésmechanikai viselkedése 5. Griffith-féle féle repedésmodell és az Erwin-féle feszültségintenzitási elmélet LR anyag Westergaard eredményeire alapozva, Irwin bevezette a K feszültségintenzitási tényezőket: [ K f I ( ) K f II ( ) K f III I ij θ + II ij θ + III ij ( ), ] i, j { x,y,z } 1 σij = θ rπ Az f ij (θ) Williams-Irwin egyenletekre: 1, i = j f ij ( 0 ) = 0, i j B = vastagság K c =kritikus fesz. int. tényező a KI = Y σ o π a, r = x << a B Instabil repedésterjedés feltétele síkalakv.i állapotban: KI KIc = Yσ c πa; σc = σb 11
Polimerek törésmechanikai viselkedése 7. Irwin-féle kis képlékeny tartományú repedésmodell ~LR anyag a + rpl KI = Y o ( a + rpl ), r = x B σ π 1 K r = χ π I pl σ F B = vastagság A képlékeny tartomány alakja Instabil repedésterjedés feltétele síkalakváltozási állapotban: KI KIc = Yσ c π(a+ rpl ); σc = σb 3 Polimerek törésmechanikai viselkedése 8. Griffith-féle féle energiahipotézis LR anyag W U da γ s = γ st c c dc a, da = tdc; c = a, γ s = felületi feszültség felületi repedés belső repedés Fajlagos repedésterjesztő erő (G): G I = γ s E, E* = E, 1 ν K G Ic Ic = Y E * síkfeszültségi állapotban sík alakváltozási állapotban Instabil repedésterjedés feltétele síkalakv.i állapotban: GI GIc; σ c = σb 4 1
Polimerek törésmechanikai viselkedése 10. Dugdale-féle repedésmodell és a Wells-féle repedéskinyílási (COD) módszer NLR vagy képlékeny anyag Feltételek: a-n kívül rugalmas alakváltozás; A képlékeny tartományban és a repedésvégen σ F fesz. Repedéskinyílás és a törés feltétele: π aσ δ δ c Eσ F LR anyag esetében: KIc = mσ F Eδc Síkfesz.: m 1, Síkalakv.: m 5 Polimerek törésmechanikai viselkedése 11. Cherepanov és Rice J-integrál módszere NLR vagy képlékeny anyag Repedés σ és u a feszültség- és elmozdulás vektorok J Feltételek: Monoton növekvő terhelés A Γ görbén kívül LR viselkedés u = We dy σ ds x Γ K J G I I = I = Y E We = i,j LR viselkedésű anyagnál: σi, j dεi, j Viszkoelasztikus kúszás esetén: J-pont integrál d J& u& = W * dy σ ds W* = dx σ ij d & εij Γ Stabil repedésterjedés feltétele síkalakváltozási állapotban: J I J Ic = mσ Fδ c 6 13
Polimerek törésmechanikai viselkedése 13. A törés lényegi munkája (Essential Work of of Fracture: ) w e Feltételek: DEN próbatest kissebességű húzása A repedéscsúcs előtti tartományban (ligament) plasztikus alakváltozás Elasztomerekkel módosított PP keverék W/tl Az alakváltozás munkája: W = Ue + U p = tlwe + tl β wp W / tl = we + lβ w p Elliptikus zóna: π b β = 4 l w e és w p =rugalmas és plasztikus fajlagos munka Bezerédy Á. és tsi.: Műanyag és Gumi 34. 1997/1. 17-6. 7 Polimerek törésmechanikai viselkedése 14. A repedésterjedés mérési módszerei Optikai, videokamerás mérés és képfeldolgozás Akusztikus emisszió mérése Érzékenység, engedékenység (compliance) mérése szakítógépen Elektromos potenciálkülönbség mérése Ultrahang terjedés mérése Akusztikus emisszió mérése CT-próbatest A törés előtti mikrorepedések, mikrocsúszások, mikroszakadások hangsebességgel terjedő impulzusszerű rezgéscsomagot keltenek.. Pellionisz P. szerk.: AE anyag- és szerkezetvizsgálatok. GTE Bp. 199. 8 14
Polimerek törésmechanikai viselkedése 15. Akusztikus emisszió mérése tönkremeneteli módtól függő amplitudó és eseményszám (AE; kumulált eseményszám: ΣAE) Rövidszálas PP kompozit Hosszúszálas PP kompozit Pellionisz P. szerk.: AE anyag- és szerkezetvizsgálatok. GTE Bp. 199. Czigány T.: Anyagvizsgálók Lapja 8. 1998/1. 13-16. 9 Polimerek törésmechanikai viselkedése 17. Tervezés és ellenőrzés repedésméretre Szivárgás törés előtt (leakbefore-break) feltétel szerint a szivárgás határesetében: a=t Pl. Egy t falvastagságú tartály belső felületén keletkezett repedés a mérete ismert. A tartály a σ 0 terhelésen továbbra is üzemben tartható, ha nk I = nσ o π t < K Ic ahol n>1 biztonsági tényező. Hertzberg G.W.: Deformation and fracture mechanics of engineering materials. J.Wiley, New York, 1989. 30 15