A1 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
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 Polimerek szakító vizsgálata 2/13
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. a b 1. ábra Próbatest típusok: (a) hőre lágyuló polimer anyaghoz, (b) hőre keményedő mátrixú kompozithoz Polimerek szakító vizsgálata 3/13
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. Polimerek szakító vizsgálata 4/13
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 (T g ) alatt üvegszerű állapotban ridegen, míg e felett az ún. nagyrugalmas állapotban szívósabban viselkednek és nagyobb a szakadási nyúlásuk is (5/b ábra). Polimerek szakító vizsgálata 5/13
a b 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 Polimerek szakító vizsgálata 6/13
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 (A 0 [mm 2 ]): F [MPa], (1) A 0 a relatív nyúlás () pedig a próbatest megnyúlásának (l [mm]; l= l-l 0, ahol l a próbatest aktuális hossza) és a kezdeti mérési hossznak (L 0 [mm]) a hányadosa: l 100 [%]. (2) L 0 M B F F F M B Y F Y Y M B P F P P L P L Y L M P Y M B 7. ábra Általános szakító diagram L B L 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. Polimerek szakító vizsgálata 7/13
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 ): LM L0 M 100 [%], (3) L 0 ahol L 0 a próbatest vizsgált szakaszának eredeti terheletlen hossza, L M a próbatest vizsgált szakaszának a maximális erőnél mért megnyúlt hossza. Szakadási nyúlás ( B ): LB L0 B 100 [%], (4) L ahol L B : a próbatest vizsgált szakaszának a szakadáskor mért megnyúlt hossza. 0 A - görbéből a vizsgált anyagra nézve különböző rugalmassági modulusok határozhatók meg (E). Kétféle típusú rugalmassági modulusról beszélhetünk: Húr modulus (E h ): a görbe tetszés szerinti pontját az origóval összekötő egyenes meredeksége, természetesen pontról pontra változik (8. ábra). Érintő modulus (E e ): 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 (E 0 ). Ha a görbe kezdőpontjához nem pontosan húzzuk be az érintőt, akkor a Polimerek szakító vizsgálata 8/13
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. a 8. ábra Rugalmassági modulusok meghatározása, (a) húr modulus (b) érintő modulus b A szakítógörbe alatti terület a szakításra fordított munka, azaz a törési munka (W B ). 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. W B l F dl [J], (5) 0 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 (A p ) közelítőleg számítható a térfogat-megmaradás elvét feltételezve a következő összefüggéssel: Polimerek szakító vizsgálata 9/13
A A L A 0 0 0 0 0 L0 A p Lp A p, (6) Lp L0 l p ahol: A 0 a kezdeti keresztmetszet, L 0 a kezdeti mérési hossz, L p a pillanatnyi hossza az L 0 kezdeti mérési hossznak, L p =L 0 +l p, l p 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. L a. b. 9. ábra Kontrakció: helyi keresztmetszet csökkenés (a) és nyakképződés: a kontrakció terjedése (b) Polimerek szakító vizsgálata 10/13
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 Polimerek szakító vizsgálata 11/13
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 1 2 3 4 5 6 Anyag Vastagság Szélesség Szakítási hossz Szakítási sebesség [mm] [mm] [mm] [mm/min] Polimerek szakító vizsgálata 12/13
3. Mérések kiértékelése Sorszám 1 2 3 4 5 6 Anyag A 0 F max M M E 0 [mm 2 ] [N] [MPa] [%] [GPa] 4. Összefoglaló diagramok σ Szakítógörbék összehasonlítása σ M Szakítószilárdság összehasonlítása [MPa] [MPa] ε [%] Minta sorszám ε M Szakadási nyúlás összehasonlítása E 0 Rugalmassági modulusz összehasonlítása [%] [GPa] Minta sorszám Minta sorszám Polimerek szakító vizsgálata 13/13