POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, WYDZIAŁ MECHANICZNY OPAKOWANIA TRANSPORTOWE LABORATORIUM

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, WYDZIAŁ MECHANICZNY OPAKOWANIA TRANSPORTOWE LABORATORIUM Ćwiczenie nr 5: Własności mechaniczne materiałów stosowanych na opakowania transportowe Opracowali: dr inż. Andrzej Bełzowski, dr inż. Agnieszka Szust Wrocław, marzec Wprowadzenie Tworzywa sztuczne stosowane w technice dzieli się na trzy grupy: termoplasty, duroplasty, elastomery. W produkcji opakowań stosuje się głównie tworzywa termoplastyczne. Za podstawę klasyfikacji tworzyw sztucznych przyjmuje się ich zachowanie pod wpływem ogrzewania. Z przetwórczego punktu widzenia rozróŝnia się tworzywa sztuczne termoplastyczne oraz termoutwardzalne i chemoutwardzalne - tzw. duroplasty. Tworzywa sztuczne są na ogół bardzo lekkie (gęstość najczęściej ok. 1 g/cm 3 ), mają małą przewodność cieplną. Większość z nich jest dielektrykami, jednak po dodaniu znacznej ilości (ok. 50%) materiałów przewodzących, np. sadzy lub pyłu metalicznego, przewodzą prąd elektryczny. Mogą być przezroczyste lub całkowicie nieprzezroczyste. Tworzywa niemodyfikowane w porównaniu z metalami mają małą wytrzymałość na rozciąganie oraz mały moduł spręŝystości. Bardzo dobrą wytrzymałość na rozciąganie, duŝy moduł spręŝystości mają tworzywa wzmocnione (tzw. kompozyty polimerowe, określane równieŝ jako laminaty). Tworzywa sztuczne są najczęściej odporne na czynniki chemiczne, wilgoć, lecz nieodporne na działanie czynników silnie utleniających. Wadą większości tworzyw sztucznych jest ich wraŝliwość na podwyŝszoną temp. (powyŝej 100 C). W czasie II wojny światowej uzyskano silikony odporne na temperaturę do 250 C, następnie inne tworzywa, polisulfony, odporne do 200 C, a w 1969 r. polisiarczek fenylu odporny na temperaturę do 170 C. Obecnie znane są polimery odporne na temperaturę powyŝej 400 C. Zmniejszenie palności tworzyw sztucznych uzyskuje się w wyniku wprowadzania do tworzyw tzw. antypirenów. Wśród głównych odbiorców tworzyw sztucznych według branŝ są: - przemysł opakowań: 36% całkowitej konsumpcji tworzyw; - przemysł dóbr konsumpcyjnych dla gospodarstw domowych: 20%; - budownictwo: 19%; - elektrotechnika i elektronika: 9%; - przemysł samochodowy: 8%; - rolnictwo: 2%; - pozostałe zastosowania: 6% (źródło: Plastics Europe). Na szerokie stosowanie tworzyw sztucznych mają wpływ ich właściwości fizyczne i fizykochemiczne, takie jak: szczególne cechy wytrzymałościowe, odporność na korozję, lekkość, swoboda kształtowania, obojętność elektromagnetyczna, niska chłonność wody, mała przewodność cieplna, duŝa odporność na czynniki chemiczne. Własności mechaniczne tworzyw termoplastycznych zaleŝą od wielu czynników: struktury molekularnej, temperatury, zawartości wody, prędkości obciąŝania, czasu działanie obciąŝenia. Wiele z wymienionych zaleŝności w materiałach metalicznych nie występuje lub są one znacznie słabsze. Przykładem tego moŝe być absorpcja wody (wchłanianie do wnętrza elementu): w metalach praktycznie nieobecna, w tworzywach niekiedy osiągająca w stanie nasycenia nawet kilka procent (np. w poliamidach jest to 2,5-7,5 %, dla PET około 0,8%). Zaabsorbowana woda uszkadza wiązania

2 chemiczne cząstek polimeru, co powoduje degradację materiału przejawiającą się w spadku własności mechanicznych i fizycznych. W stalach i innych stopach metali kontakt z wodą moŝe wywołać korozję na powierzchni, ale trudno byłoby mówić o nasiąkliwości tych materiałów. Cechą specyficzną polimerów jest zaleŝność ich właściwości mechanicznych od czasu działania obciąŝenia. Zagadnienie to jest omówione w dalszej części opracowania. Podczas prób wytrzymałości tworzywa termoplastyczne mogą wykazać zachowanie kruche lub ciągliwe. Te właściwości moŝna wstępnie ocenić na podstawie zarejestrowanych wykresów prób rozciągania (rys. 1.1). Krzywa typu 1 na rys. 1.1 przedstawia zachowanie materiału kruchego. W praktyce w temperaturach otoczenia takie zachowanie mogą wykazywać: niektóre termoplasty - PS (polistyren), poli (sulfid fenylenu) (PPS), duroplasty uŝywane jako osnowy polimerowych kompozytów konstrukcyjnych Ŝywice poliestrowe nienasycone (UP), Ŝywice epoksydowe (EP) i Ŝywice vinyloestrowe (VE). Charakterystyczną cechą tworzyw kruchych zauwaŝalną na wykresach obciąŝania jest niewielka wartość odkształcenia w momencie zerwania ε B, na ogół ε B 5%. Krzywe 2 i 3 przedstawione na rys. 1.1 reprezentują materiały ciągliwe. Przy wydłuŝeniach rzędu kilkunastu procent jest to ciągliwość raczej umiarkowana. Wiele tworzyw termoplastycznych wykazuje wartość ε B rzędu %, co kwalifikuje je do materiałów ciągliwych lub bardzo ciągliwych. Do takich materiałów zaliczają się między innymi takie popularne tworzywa jak polietylen, polipropylen, poliamid. Ciągliwość jest waŝną cechą materiałów uŝywanych do produkcji opakowań, poniewaŝ sprzyja ona odporności na uderzenia. σ M σ y 1 2 D σ M C 3 ε B ε B ε B Rys Typowe wykresy rozciągania tworzyw sztucznych. Mechanizmy odkształcania polimerów termoplastycznych pod wpływem przyłoŝonego obciąŝenia polegają na rozluźnieniu wiązań między łańcuchami cząstek i względnym ruchu łańcuchów. Obecność w materiale fazy krystalicznej wpływa na jego właściwości. Wzrost stopnia krystaliczności zwiększa wytrzymałość, sztywność, twardość, odporność chemiczną. Krystaliczność moŝe sprzyjać kruchemu pękaniu i obniŝa odporność na obciąŝenia udarowe. W polietylenie o niskiej gęstości (jest to tzw. polietylen wysokociśnieniowy) stopień krystaliczności wynosi 40-50%. W polietylenie o wysokiej gęstości PE-HD (tzw. polietylen niskociśnieniowy) stopień krystaliczności osiąga 60-80%. Stopień krystaliczności polipropylenu 2

3 izotaktycznego moŝe osiągać 65%. Mechanizmy zniszczenia struktury polimerów zawierających fazę krystaliczną i amorficzną są omówione w podręczniku Dobrzańskiego Badania tworzyw sztucznych - informacje ogólne Celem badań własności mechanicznych tworzyw sztucznych moŝe być: 1. kontrola jakości produkcji, 2. kontrola jakości dostarczonej partii produktu, 3. uzyskanie danych potrzebnych do projektowania wytrzymałościowego, 4. sprawdzenie własności materiału nowego lub powstałego w wyniku badań nad ulepszeniem istniejących tworzyw. Ze względu na stosunkowo duŝą zaleŝność własności polimerów od temperatury, zawartości wody, szybkości obciąŝania itd., badania własności mechanicznych tworzyw sztucznych są z reguły trudniejsze technicznie w porównaniu do analogicznych prób materiałów metalicznych. Tworzywa sztuczne wymagają stosowania znormalizowanych sposobów pobierania materiału na próbki, ich wykonywania, klimatyzacji próbek. Badania wymagają ścisłego respektowania wymagań odnośnie warunków przeprowadzania prób, w szczególności wilgotności i temperatury badania. Na ogół trudniejszy technicznie (w porównaniu do metali) jest pomiar odkształceń. W tworzywach kruchych montowanie na próbkach ekstensometrów mechaniczno-elektrycznych do określania wydłuŝeń i przemieszczeń wymaga szczególnej ostroŝności w celu uniknięcia uszkodzeń powierzchni próbki w miejscu styku z czujnikiem. Ryzyko uszkodzeń próbki przez zamontowanie układu do pomiaru odkształceń moŝe być zminimalizowane dzięki uŝyciu nowoczesnych czujników optycznych (kamery wideo, czujniki laserowe), ale są to urządzenia bardzo kosztowne i z tego powodu mało popularne. W marcu 2009 jeden z najtańszych oferowanych układów optycznych z jedną kamerą do bezstykowego pomiaru odkształceń kosztował około zł. Taki sposób pomiaru odkształceń, od lat stosowany za granicą (np. w USA) przypuszczalnie rozpowszechni się ze względu na znakomite dostosowanie do specyfiki tworzyw sztucznych. 3. Uwagi o własnościach długotrwałych tworzyw sztucznych Cechą charakterystyczną tworzyw sztucznych jest zaleŝność ich własności od czynnika czasu. W przeszłości koncentrowano się głównie na zjawiskach reologicznych 2 : pełzaniu i relaksacji, które są schematycznie przedstawione na rys Wspomniane zjawiska nieistotne w badaniach większości metali prowadzonych w temperaturach otoczenia mogą utrudniać badania tworzyw sztucznych. Podczas obciąŝania próbki z tworzywa zamocowanej w uchwytach maszyny wytrzymałościowej moŝe okazać się, Ŝe pomimo zatrzymania ruchu uchwytów co powinno skutkować utrzymywaniem stałej wartości obciąŝenia występuje zauwaŝalny stały spadek wartości siły. Jest to spowodowane występowaniem w temperaturze otoczenia zjawiska relaksacji takiego materiału. W stalach zjawisko to zachodzi równieŝ, ale w temperaturach znacznie wyŝszych (np C). 1 L.A. Dobrzański, Niemetalowe materiały konstrukcyjne, Wyd. P. Śląskiej, Gliwice, Reologia zajmuje się badaniem wpływu czynnika czasu na właściwości oraz stan napręŝenia i odkształcenia w materiałach konstrukcyjnych. W metalach zjawiska reologiczne mogą odgrywać istotną rolę w elementach przenoszących długotrwałe obciąŝenia w podwyŝszonych temperaturach. Takie warunki występują często w energetyce. W tworzywach sztucznych efekty reologiczne występują często juŝ w temperaturach otoczenia, a ogrzanie materiału zwiększa intensywność tych procesów, tj. szybkość pełzania i relaksacji oraz zakres spadku wytrzymałości i modułu spręŝystości). 3

4 ε σ ε pl ε= ε spr + ε pl ε spr = σ/e σ= ε spr E t Rys Zjawisko relaksacji: pomimo utrzymywania odkształcenia całkowitego ε o stałej wartości, w miarę upływu czasu t w materiale następuje systematyczny spadek napręŝenia. Relaksacja napręŝeń w materiale moŝe z czasem wywołać zanik napręŝeń σ powodujących docisk w połączeniach, w których jest on poŝądany (np. w celu zapewnienia szczelności). t σ ε zniszczenie σ=const ε= ε spr +ε pl ε spr = σ/e t t Rys Zjawisko pełzania: utrzymywanie stałego napręŝenia (obciąŝenia) powoduje nieustanne zwiększanie się odkształceń materiału (wydłuŝeń, ugięć itp.). Pełzanie jest zjawiskiem częściowo nieodwracalnym (składowa ε pl nie zanika po usunięciu obciąŝenia, zanik składowej ε spr wymaga pewnego czasu). Wskutek pełzania moŝe nastąpić zmiana kształtu elementu, spadek przekroju itp. efekty. Długotrwałe działanie napręŝeń o stałej wartości moŝe doprowadzić nawet do zniszczenia. Czas uŝytkowania większości opakowań jest przewaŝnie zbyt krótki, aby pełzanie i relaksacja napręŝeń mogły spowodować istotne zaburzenie ich właściwości technicznych. Przejawem procesów reologicznych jest równieŝ stopniowy spadek wartości modułu spręŝystości i wskaźników wytrzymałości tworzyw sztucznych. Zjawiska te wywierają duŝy wpływ na charakterystyki eksploatacyjne wielu typów stacjonarnych zbiorników przemysłowych do magazynowania płynnych chemikaliów, paliw itp. Okazuje się, Ŝe w okresie lat eksploatacji zbiornika magazynowego lub rurociągu wytrzymałość i moduł spręŝystości Younga takich popularnych tworzyw konstrukcyjnych jak PVC, PP i PE mogą obniŝyć się o 20-50%. Jeden z producentów rur termoplastycznych podaje przytoczone w tab. 1 wartości modułu spręŝystości i wytrzymałości na zginanie trzech popularnych tworzyw, szeroko stosowanych w technice. 4

5 Tabela 3.1. Wartości modułu Younga (E) i wytrzymałości na zginanie (σ fm ) trzech tworzyw w funkcji czasu działania obciąŝenia. PVC- U t [h] 1/60=1 min 24=1 dzień 120=5 dni 2000=3 mies =2 lata =50lat E [MPa] σ fm [MPa] PP-H E [MPa] PE- HD σ fm [MPa] E [MPa] σ fm [MPa] Wartość wytrzymałości na zginanie PE-HD dla t=2 lata wynosi 15 MPa. Oznacza to, Ŝe napręŝenie zginające o wartości 15 MPa działające nieustannie spowoduje zniszczenie próbki po upływie dwóch lat. Zakres zmian własności spręŝystych i wytrzymałościowych tworzyw sztucznych jest na tyle duŝy, Ŝe w wielu zastosowaniach (np. w rurociągach gazowych, wodnych itp.) projektanci muszą znać oszacowania wartości wytrzymałości i modułu spręŝystości pod koniec zakładanego okresu uŝytkowania elementu. Problem ten większości opakowań raczej nie dotyczy, moŝe z wyjątkiem długich okresów magazynowania w pojemnikach naraŝonych na działanie obciąŝeń (grawitacyjnych, ciśnienia itp.). Pojemniki z tworzyw sztucznych przewidziane do długotrwałej eksploatacji mogą wymagać uwzględniania podczas projektowania charakterystyk długotrwałych 3 (LTHS, MRS). 4. Próba rozciągania tworzyw sztucznych Warunki i sposób przeprowadzania próby rozciągania tworzyw sztucznych są opisane w normie PN-EN ISO 527: 1998, Tworzywa sztuczne. Oznaczanie właściwości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu. Typowa próbka (nazywana w normie kształtką) jest płaska i ma kształt wiosełkowy (rys ). Przy grubości 4,0±0,2 mm, szerokość części pomiarowej wynosi 10±0,2 mm a długość 80 lub 60 mm. WydłuŜenie ε B jest określane jako wydłuŝenie całkowite tuŝ przed wystąpieniem zniszczenia próbki. W badaniach stali i innych ciągliwych stopów metali przewaŝnie określa się wydłuŝenie względne próbki po jej zerwaniu (w przeszłości oznaczane symbolem A 5, obecnie A C ). Jest to odkształcenie trwałe a nie całkowite materiału (odkształcenie całkowite jest sumą składowej spręŝystej (zanikającej po odciąŝeniu) i składowej trwałej, pozostającej w materiale nie obciąŝonym. 3 LTHS (Long term hydrostatic strength): wartość wytrzymałości długotrwałej określona przy załoŝeniu liniowego spadku własności dla czasu trwania obciąŝenia t=100000h=11,4 lat lub t= h =20 lat. MRS (Minimum required strength): wartość napręŝenia powodującego zniszczenie po 50. latach działania obciąŝenia 4 Charakterystyki materiałowe wyznaczane w próbie rozciągania tworzyw sztucznych zostały zdefiniowane nieco inaczej w porównaniu do standardów przyjętych w badaniach metali. Wielkość oznaczona na rys. 1.1 jako σ M została określona w normie jako wytrzymałość na rozciąganie. Odpowiada ona (σ M ) wytrzymałości na rozciąganie metali R m. Wielkość σ y określono w normie jako granicę plastyczności materiału, chociaŝ jest ona bliŝsza pojęciu wytrzymałości na rozciąganie w rozumieniu normy do badania metali. Dlatego, naleŝy mieć świadomość, Ŝe wielkości określane podobnymi terminami wg zasad badania metali i tworzyw sztucznych mogą mieć inny sens fizyczny. 5

6 Rys Próbka wiosełkowa z Ŝywicy poliestrowej wzmocnionej tkaniną szklaną z zamontowanym ekstensometrem do pomiaru wydłuŝeń. W przypadku takiego materiału - o podwyŝszonej wytrzymałości i sztywności - moŝna mieć nadzieję na uniknięcie istotnego wpływu zamocowania ekstensometru bezpośrednio na próbce na wynik próby. Inne zagroŝenie stanowi moŝliwość poślizgu w miejscu połączenia czujnika z próbką (przy zbyt delikatnym mocowaniu), co spowodowałoby uskok wykresu obciąŝania dyskwalifikujący taką próbę. W metalach moŝliwość zakłócenia przebiegu próby przez wpływ zamocowania takiego czujnika jest znacznie mniejsza Oznaczenie właściwości mechanicznych tworzyw sztucznych przy statycznym rozciąganiu Cel, zakres i szczegółowe wytyczne dotyczące przeprowadzenia próby rozciągania statycznego oraz wyznaczanych na podstawie wyników z przeprowadzenia tej próby cech wytrzymałościowych tworzyw sztucznych określają normy: PN-EN ISO 527-1/1998, PN-EN ISO 527-2/1998. Próba statycznego rozciągania umoŝliwia wyznaczenie takich charakterystyk materiału jak: maksymalne napręŝenie rozciągające, moduł spręŝystości oraz zaleŝność napręŝenie/wydłuŝenie w określonych warunkach. Kształt próbki do próby rozciągania jest pokazany na rys Rys. 4.2 Uniwersalna próbka do badań typu A1 i B1. 6

7 Tab.4.1. Wymiary próbek do badań. Wymiary próbek Typ A1 Bezpośrednio formowalna. Typ B1 Obrabiana mechanicznie. L3 długość całkowita 150 mm 150 mm L1 długość części ograniczonej liniami równoległymi 80±2mm 60±0,5mm R promień (20-25 mm) mm 60 mm L2 odległość między szerokimi równolegle usytuowanymi częściami mm mm B2 - szerokość na końcach 20,0±0,2mm 20,0±0,2mm B1 szerokość części wąskiej (pomiarowej) 10,0 ±0,2mm 10,0 ±0,2mm H zalecana grubość 4,0±0,2mm 4,0±0,2mm L0 długość pomiarowa 50,0±0,5mm 50,0±0,5mm L początkowa odległość między uchwytami 115 ±1mm 115 ±1mm W przypadku niektórych materiałów moŝe zaistnieć potrzeba zwiększenia długości całkowitej. Wszystkie powierzchnie kształtek powinny być wolne od pęknięć, rys i innych defektów. Z kształtek otrzymanych przez formowanie wszystkie wypływki, jeśli istnieją, powinny być usunięte ostroŝnie, by nie uszkodzić formowanej powierzchni. Kształtkę do badań rozciąga się wzdłuŝ jej głównej osi wzdłuŝnej, przy stałej prędkości, aŝ do zerwania lub do osiągnięcia określonej wartości napręŝenia (lub zadanego obciąŝenia) albo odkształcenia (wydłuŝenia). 4.2 Wyznaczane własności wytrzymałościowych w próbie statycznego rozciągania Wytrzymałość na rozciąganie σ M maksymalne napręŝenie rozciągające przeniesione przez kształtkę w czasie próby rozciągania. NapręŜenie przy zerwaniu σ B napręŝenie rozciągające przy którym próbka ulega zerwaniu. Granica plastyczności σ y pierwsze napręŝenie, przy którym wzrost wydłuŝenia nie powoduje wzrostu napręŝenia; moŝe być mniejsze niŝ osiągane napręŝenie maksymalne. Charakterystyki materiałowe określane jako odkształcenia próbki, - wydłuŝenie względne przy maksymalnym napręŝeniu rozciągającym ε M wydłuŝenie w punkcie odpowiadającym wytrzymałości na rozciąganie, - wydłuŝenie względne przy zerwaniu ε B - wydłuŝenie względne przy granicy plastyczności ε y wydłuŝenie względne przy napręŝeniu granicy plastyczności. Pozostałe zdefiniowane wartości: NapręŜenie rozciągające przy x% odkształcenia σ x maksymalne napręŝenie rozciągające przenoszone prze kształtkę w czasie badania rozciągania. WyraŜa się w MPa. MoŜe być mierzone na przykład wtedy, gdy krzywa napręŝenie/wydłuŝenie nie wykazuje granicy plastyczności. W takim przypadku x naleŝy przyjąć z określonej normy wyrobu lub uzgodnić między zainteresowanymi stronami. Jednak w kaŝdym przypadku wartość x powinna być mniejsza niŝ wartość odkształcenia odpowiadającego wytrzymałości na rozciąganie. 7

8 Moduł spręŝystości wzdłuŝnej przy rozciąganiu σ σ (2) σ (1) E t = = podczas próby ε ε ε mierzony jako stosunek róŝnicy napręŝeń σ (2) i σ (1), do róŝnicy wartości odkształceń ε (2) = 0,0025 i ε (1) = 0,0005[ MPa]. Współczynnik Poissona µ - Współczynnik Poissona jest w pierwszym rzędzie oznaczany dla tworzyw wzmocnionych długimi włóknami. (2) (1) Rys Typowe krzywe naprężenie/wydłużenie uzyskane w próbie rozciągania statycznego. Krzywa a - tworzywa kruche; Krzywa b, c - tworzywa ciągliwe z granicą plastyczności Krzywa d - tworzywa ciągliwe bez granicy plastyczności Obliczanie napręŝeń 4.3. Obliczanie i przedstawianie wyników Wszystkie wartości napręŝeń naleŝy obliczać w odniesieniu do początkowego przekroju poprzecznego kształtki: σ = F A gdzie: σ- wartość naprężenia [MPa] F - siła [N]; A -początkowy, poprzeczny przekrój próbki [mm 2 ] (4.1) 8

9 Obliczanie odkształceń Wszystkie wartości odkształceń naleŝy obliczać w odniesieniu do odcinka pomiarowego. Wartość wydłuŝenia względnego nominalnego naleŝy obliczyć w odniesieniu do początkowej odległości między uchwytami do próbek. L0 ε = L0 L ε (%) = 100 L0 L ε t = L L ε t = 100 L 0 gdzie: ε- wydłużenie względne [wielkość bezwymiarowa lub w procentach] L 0 - długość odcinka pomiarowego [mm] ΔL 0 - przyrost długości kształtki między znakami pomiarowymi [mm] ε t - wydłużenie względne nominalne L- początkową odległość między uchwytami próbek [mm] ΔL- przyrost odległości między uchwytami próbek [mm] Obliczanie modułu spręŝystości wzdłuŝnej. Moduł spręŝystości przy rozciąganiu naleŝy obliczyć w zakresie wartości odkształcenia określanej w normie ε (1) =0,0005, ε (2) =0,0025. (4.2) (4.3) (4.4) (4.5) E t σ = ε (2) (2) σ ε (1) (1) gdzie: E t - moduł sprężystości przy rozciąganiu [MPa] naprężenie [MPa] przy wartości wydłużenia względnego ε (1) =0,0005 σ (2) naprężenie odpowiadające odkształceniu ε (1) ε (2) =0,0025 σ (2) - -naprężenie odpowiadające odkształceniu ε (2) (4.6) Wyznaczenie współczynnika Poissona Jeśli jest to wymagane, należy obliczyć współczynnik Poissona. ε gdzie: n µ n = ε μ n -współczynnik Poissona, ε - odkształcenie w kierunku wzdłużnym, ε n - jest odkształceniem w kierunku prostopadłym (4.7) 5. Określanie własności tworzyw sztucznych przy statycznym zginaniu 5.1. Wiadomości ogólne o próbach zginania tworzyw sztucznych Próby zginania są stosowane przede wszystkim w celu określenia własności tworzyw sztywnych, które charakteryzują się stosunkowo duŝym modułem spręŝystości wzdłuŝnej E. Stosowanie obciąŝeń zginających jest szczególnie przydatne w przypadku badania materiałów kruchych. Jest to waŝna grupa tworzyw sztucznych szeroko stosowanych w technice, których charakterystyczną cechą są niewielkie wartości wydłuŝenia względnego przy zerwaniu, ε B 5 %. Określenie takich odkształceń z dokładnością względną rzędu 1%, jest w próbie rozciągania dość trudne w przeciętnie wyposaŝonym laboratorium wytrzymałościowym. Wynika to między innymi z następujących okoliczności: przy najczęściej spotykanych długościach baz pomiarowych, wynoszących kilkadziesiąt milimetrów, dokładność bezwzględna pomiaru wydłuŝeń powinna wynosić około 1 5 µm, 9

10 stosowany system mocowania czujnika do pomiaru wydłuŝeń powinien wykluczać moŝliwość powstania w miejscu mocowania uszkodzeń powierzchni próbki, co mogłoby mieć istotny wpływ na wynik próby. Wymienione trudności moŝna w duŝej mierze ominąć, określając własności tworzywa na podstawie przeprowadzonej próby zginania. Jedną z zalet prób zginania jest łatwość pomiaru wielkości charakteryzującej odkształcenie próbki, którą jest strzałka ugięcia. Próby zginania są szeroko stosowane w laboratoriach zajmujących się udoskonalaniem istniejących oraz opracowywaniem nowych tworzyw. Decyduje o tym względna łatwość oraz szybkość ich przeprowadzania. W tym przypadku celem badań jest często dokonanie oceny porównawczej róŝnych materiałów. W praktyce najczęściej stosuje się schemat zginania trzypunktowego (rys. 5.1). W przypadku tworzyw nie wzmocnionych włóknami próbę prowadzi się aŝ do zniszczenia próbki, które powinno być spowodowane przez napręŝenia normalne związane z działaniem momentu zginającego. Badanie podczas zginania polega na tym, Ŝe próbkę pomiarową z tworzywa w postaci beleczki prostopadłościennej, podpartą w określony sposób, obciąŝa się prostopadle do jej osi wzdłuŝnej. Próba zginania tworzyw sztucznych nie wzmocnionych jest opisana w normie PN- EN ISO 178: 2003+A1:2005 Tworzywa sztuczne. Oznaczanie właściwości podczas zginania. W przeszłości norma ta była stosowana równieŝ do przeprowadzania prób kompozytów polimerowych tj. tworzyw wzmocnionych włóknami. Obecnie próby zginania kompozytów polimerowych są opisane w normie PN-EN ISO 14125: 2001 Kompozyty tworzywowe wzmocnione włóknem. Oznaczanie właściwości przy zginaniu. Oprzyrządowanie do prób zginania stanowi standardowe wyposaŝenie maszyn wytrzymałościowych. Wzajemne usytuowanie punktów podparcia i przyłoŝenia obciąŝenia jest zwykle ściśle określone w obowiązujących normach. ObciąŜenie zwiększa się powoli, jednostajnie, aŝ do zniszczenia próbki lub do osiągnięcia określonej umownej strzałki ugięcia. Prędkości obciąŝania podane w PN-EN ISO 178 w mm/min wynoszą: 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500. W praktyce najczęściej stosuje się prędkości nie przewyŝszające 10 mm/min. W obowiązującej w Polsce normie PN EN ISO 178 przewiduje się stosowanie zginania trzypunktowego (rys. 5.1) próbek prostopadłościennych o stosunku wysokości do odległości podpór wynoszącym l/h=16, co w materiałach kruchych zapewnia zniszczenie wskutek osiągnięcia napręŝeń normalnych σ związanych z momentem zginającym. Zalecanym kształtem próbki jest prostopadłościan o wymiarach przekroju poprzecznego b h=10 4 mm i długości całkowitej l=80 mm. W uzasadnionych przypadkach są moŝliwe odstępstwa wymiarowe w granicach określonych w normie. Wartości napręŝenia obliczamy wg znanej zaleŝności M g σ = (5.1) W Próbę przeprowadza się do osiągnięcia określonej umownej strzałki ugięcia, wynoszącej s c =1,5 h. JeŜeli próbka ulegnie złamaniu przed osiągnięciem tej strzałki, to wielkością charakteryzującą materiał jest wytrzymałość na zginanie σ fm, określona jako największe napręŝenie zginające przeniesione przez próbkę, obliczone wg wzoru F L M 3FL g 4 σ fm = = = (5.2) W 2 2 bh 2bh 6 10

11 gdzie F oznacza największą wartość siły zarejestrowaną podczas obciążania próbki. Rys.5.1. PołoŜenie próbki do badań na początku oznaczenia: 1 kształtka do badań, F - przybliŝona siła, R 1 promień trzpienia obciąŝającego; R 2 promień podpór; h grubość kształtki d długość kształtki; L- rozstaw podpór. Wartości wytrzymałości na zginanie tworzyw sztucznych róŝnią się istotnie od wytrzymałości na rozciąganie: praktycznie zawsze wytrzymałość na zginanie tworzyw σ fm jest większa od wytrzymałości na rozciąganie σ M. RóŜnice są niemałe, często rzędu 50% (σ fm 1,50 σ M ) Moduły spręŝystości nie podlegają tej prawidłowości, z reguły ich wartości są zbliŝone (E E f ). Wytłumaczenie przyczyny róŝnic wartości σ fm i σ M przekracza zakres tego ćwiczenia. JeŜeli próbka nie ulegnie złamaniu przed osiągnięciem wartości umownej strzałki ugięcia s c, to wielkością charakteryzującą materiał pod względem zdolności do przenoszenia obciąŝeń zginających jest tzw. napręŝenie przy określonej strzałce ugięcia σ fc. Jest to największe napręŝenie normalne (zginające), występujące w próbce w chwili osiągnięcia ugięcia s c, określone wg wzoru przytoczonego wyŝej. Wartość F oznacza tym razem siłę zarejestrowaną w momencie osiągnięcia ugięcia s c (rys. 5.2). Wielkość σ fc jest pojęciem umownym, poniewaŝ wiele tworzyw w chwili osiągnięcia strzałki ugięcia s c znajduje się juŝ poza granicą stosowalności prawa Hooke a. Jak wiadomo, wzory uŝywane do przeliczania wartości pomiarowych zostały wyprowadzone przy załoŝeniu waŝności tego prawa. W celu określenia wytrzymałości na zginanie σ fm lub napręŝenia zginającego przy umownej strzałce ugięcia σ fc naleŝy poddać próbie co najmniej 5 próbek. Jako wynik badania przyjmuje się średnią arytmetyczną wykonanych oznaczeń. W normie określa się dokładnie sposób pobrania próbek oraz tolerancje wymiarów. Przed badaniem próbki poddaje się tzw. klimatyzacji, trwającej co najmniej 16 godzin w temperaturze wynoszącej 23±2 0 C przy wilgotności względnej 50±5%. Prędkość posuwu trzpienia obciąŝającego przy zastosowaniu zalecanej kształtki o wymiarach mm powinna wynosić 2 mm/min. Profesjonalne laboratoria przedstawiają wyniki przeprowadzonych prób w postaci protokołu, który powinien zawierać informacje o badaniach kaŝdej próbki, włączając w to dane o typie zniszczenia, jak i określoną wartość średnią napręŝeń wraz z odchyleniem standartowym. 11

12 Rys RóŜne moŝliwe przebiegi zaleŝności napręŝenia od odkształcenia w próbie zginania tworzyw. (a) Próbka, która ulega zniszczeniu przed osiągnięciem granicy plastyczności. (b) Próbka wykazująca maksimum, która następnie uległa złamaniu przed osiągnięciem umownej strzałki ugięcia s c. (c) Kształtka, która nie wykazuje maksimum ani nie ulega złamaniu przed osiągnięciem umownej strzałki ugięcia s c. Przy niektórych metodach rejestracji wykresów obciąŝenia na początku pojawia się nieliniowość. W związku z tym, Ŝe nie ma Ŝadnego fizycznego uzasadnienia takiego zachowania tworzyw sztucznych, podobne nieliniowości przypisuje się niedoskonałości układu rejestrującego wykres. Ekstrapolując liniową część krzywej do przecięcia z osią odkształceń (na rys. 5.3 oznaczoną jako σ ) określa się rzeczywiste połoŝenie krzywej w układzie: odkształcenie-napręŝenie. Rys Przykład krzywej napręŝenie/odkształcenie z początkowym zakresem krzywoliniowym i wyznaczaniem punktu odkształcenia zerowego: 1 początkowa część wykresu napręŝenie/odkształcenie sugerująca zakres krzywoliniowy, 2 ekstrapolacja części liniowej jako sposób korygowania połoŝenia początku wykresu obciąŝania. 12

13 5.2. Wyznaczanie modułu sprężystości wzdłużnej (modułu Younga) w próbie zginania Strzałkę ugięcia f pręta prostopadłościennego o szerokości b i wysokości przekroju h, zginanego trzypunktowo siłą o wartości F moŝemy obliczyć z zaleŝności: f i 2 ε fil = ( i = 1; 2) 6h (5.3) Kolejność postępowania przy wyznaczaniu modułu Younga jest następująca: 1. Przeprowadzając próbę zginania (niszczącą lub do osiągnięcia tylko pewnej wymaganej strzałki ugięcia zarejestrować krzywą obciąŝenie ugięcie lub tylko wartości siły i ugięcia odpowiadające odkształceniom ε f1 =0,0005 i ε f2 =0,0025. Wartości ugięć f 1 i f 2 naleŝy obliczyć ze wzoru (2), podstawiając kolejno ε f1 =0,0005 i ε f2 =0, Określić wartości siły F obciąŝającej próbkę w chwilach osiągnięcia wartości odkształceń ε f1 i ε f2 oraz odpowiadające wartości największego napręŝenia normalnego σ f1 i σ f2. 3. Obliczyć moduł Younga materiału E f σ f 2 σ f 1 = (5.4) ε ε f 2 f 1 PoniewaŜ odkształcenie zerwania tworzyw sztucznych stosowanych w technice z reguły przekracza wartość 1% jest oczywiste, Ŝe zakres wartości odkształceń 0,0005 ε 0,0025 wykorzystany do wyznaczenia modułu naleŝy do zakresu liniowo spręŝystego Ogólna charakterystyka metod badania 6. Udarność tworzyw sztucznych Udarność jest to odporność tworzywa na złamanie spowodowane siłą przyłoŝoną udarowo (dynamicznie). Jako miarę udarności przyjmuje się zazwyczaj iloraz pracy potrzebnej do dynamicznego złamania próbki przez jej przekrój poprzeczny w miejscu złamania. ObciąŜenie powinno być przyłoŝone z odpowiednią prędkością. Badania prowadzi się najczęściej podczas udarowego zginania lub rozciągania próbek z karbem lub bez karbu. Do badania udarności stosuje się zwykle młoty wahadłowe, które w zaleŝności od potrzeb mogą być wyposaŝone w dodatkowe urządzenia elektroniczne do pomiaru siły i odkształcenia. Najczęściej stosuje się dwie metody róŝniące się przede wszystkim sposobem mocowania próbki: Metoda Charpy ego, w której próbka w postaci beleczki prostopadłościennej (z karbem lub bez karbu) podpierana jest swobodnie na obu końcach i uderzana w środku pomiędzy podporami. Prędkość uderzenia w tej metodzie jest ściśle określona i wynosi 2,9 lub 3,8m/s. Metoda ta obowiązuje w kraju i jest szczegółowo opisana w normie PN-EN ISO 179-1/2004/A1, PN-EN ISO 179-2/2001, Tworzywa sztuczne. Oznaczanie udarności metodą Charpy ego. Metoda Izoda, w której stosuje się równieŝ próbki prostopadłościenne, jednakŝe wyłącznie z karbem. Są one utwierdzone jednym końcem w uchwycie. Młot uderza w swobodny koniec próbki z prędkością 3,35m/s. Metoda ta, chociaŝ nie jest zalecana w kraju, obowiązuje w wielu państwach, m.in. w USA. Wyniki oznaczania udarności metodą Izoda nie mogą być porównywane z wynikami pomiarów uzyskanymi metodą Charpy ego. Wskaźniki udarności, którymi są udarność próbki z karbem i bez karbu, nie mają bezpośredniego zastosowania do obliczeń wytrzymałościowych. Stanowią one orientacyjne wskaźniki 13

14 pomocnicze o charakterze porównawczym a niekiedy mogą nawet decydować o wyborze materiału. MoŜna je np. wykorzystywać do oceny wpływu koncentracji napręŝeń przez porównanie udarności próbek z karbem i bez karbu lub do oceny stopnia kruchości tworzyw w niskiej temperaturze. Udarność róŝnych polimerów badanych w temperaturze pokojowej znacznie róŝni się od siebie. Najmniejszą udarność wykazują polimery o temperaturze kruchości wyŝszej od temperatury pokojowej (np. polistyren, polimetakrylan metylu ), a więc tworzywa, w których w temperaturach badania istnieją duŝe siły międzycząsteczkowe. Udarność maleje takŝe wraz ze wzrostem stopnia krystaliczności i wielkości krystalitów oraz ze spadkiem masy cząsteczkowej. W porównywalnych temperaturach polimery usieciowane wykazują większą udarność od polimerów nieusieciowanych. Zwiększenie udarności uzyskujemy przez wprowadzenie do niektórych polimerów odpowiednich napełniaczy lub zmiękczaczy. Te ostatnie zmniejszają oddziaływania międzycząsteczkowe Oznaczanie udarności tworzyw sztucznych metodą Charpy ego Metoda oznaczania polega na złamaniu próbki, której sposób podparcia odpowiada schematowi poziomej belki swobodnie obustronnie podpartej. Złamanie powinno się osiągnąć jednym uderzeniem wahadłowego młota w jej środek pomiędzy podporami, dla próbek z karbem - po stronie przeciwległej do nacięcia Zakres stosowania próby Próbę stosuje się do oznaczania wskaźników udarności sztywnych tworzyw sztucznych (z wyłączeniem tworzyw porowatych) podczas udarowego zginania próbek z karbem i bez karbu. Stosuje się ją takŝe do kontroli produkcji i atestacji odbioru tworzyw oraz otrzymywanych z nich wyrobów. MoŜe równieŝ słuŝyć do oceny kruchości i ciągliwości tworzywa w zakresie określonym warunkami badania. Otrzymane w wyniku badań wskaźniki nie świadczą o wytrzymałości wyrobu w warunkach uŝytkowania, co wynika z umownego charakteru określanych wielkości. Celem próby jest oznaczenie następujących wskaźników wytrzymałości podczas zginania udarowego: a/ udarność próbki bez karbu a n praca zuŝyta na dynamiczne złamanie próbki bez karbu, odniesiona do początkowego przekroju poprzecznego próbki w miejscu złamania, b/ udarność próbki z karbem a k praca zuŝyta na dynamiczne złamanie próbki z karbem, odniesiona do początkowego przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu, c/ udarność względna KZ stosunek udarności z karbem a k do udarności bez karbu a n badanego tworzywa w jednakowych warunkach badania Przyrząd pomiarowy Do wykonania oznaczenia stosuje się młot wahadłowy sztywnej konstrukcji, umoŝliwiający oznaczenie energii zuŝytej na złamanie próbki. Wartość tej energii stanowi róŝnicę początkowej energii potencjalnej młota i energii pozostałej po złamaniu próbki. Skala przyrządu powinna być skorygowana na straty spowodowane tarciem i oporem powietrza. Produkuje się młoty Charpy ego o róŝnych zakresach maksymalnej energii udaru ( 0,5 50 J ). Kształt młota i podpór oraz warunki jego zamocowania do podłoŝa w laboratorium są znormalizowane. Podstawowe dane charakterystyczne przyrządu podaje norma PN-EN ISO 179-1/2004/A1, PN-EN ISO 179-2/

15 6.1 PołoŜenie próbki i kierunek uderzenia młotem Charpy ego. Rys. 6.2 Ostrze młota i podpory próbki Próbki Próbki w postaci prostopadłościennych beleczek wykonuje się według wytycznych odpowiednich norm technologicznych wymienionych w normie PN-EN ISO 179-1/2004/A1, PN-EN ISO 179-2/2001, stosując parametry podane w normach przedmiotowych dla badanego materiału. Wymieniona norma zaleca stosowanie trzech typów próbek róŝniących się rozmiarami i rozstawem podpór. Podczas badania próbek z karbem zaleca się stosowanie jednego z dwóch typów karbu: podcięcia o kształcie prostokąta karb typu A podcięcia o kształcie trójkąta karb typu B. Na rys.6.4 pokazano zalecany kształt próbki i karbów. Wartości wymiarów zaznaczonych na rysunku oraz szczegółowe wytyczne dotyczące sposobu wykonania karbu są podane w normie. O wyborze typu próbki i karbu powinna decydować norma przedmiotowa na badany materiał. Na ogół, jeśli norma przedmiotowa nie postanawia inaczej, zaleca się stosowanie próbki typu 2 baz karbu i typu 2 z karbem B. W razie konieczności stosowania próbek o wymiarach niezgodnych ze znormalizowanymi (np. próbki wycinane z gotowych płyt laminatów), naleŝy kierować się wytycznymi podanymi w normie PN-EN ISO 179-1/2004/A1 lub w odpowiedniej normie przedmiotowej. 15

16 45 0 ± ± A B C Rys.6.3. Rodzaje karbów: A karb typu A, (promień podstawy karbu r N =0,25mm±0,05 mm), B karb typu B (promień podstawy karbu r N =1,00mm±0,05 mm), C karb typu C (promień podstawy karbu r N =0,10mm±0,02 mm) Warunki wykonania próby 1. Warunki klimatyzacji próbek przed próbą oraz warunki wykonania oznaczenia są takie same, jak w próbie rozciągania tworzyw sztucznych. 2. Liczba badanych próbek powinna wynosić co najmniej 10, jeŝeli w normach przedmiotowych nie przewiduje się inaczej. 3. Wybrany do badań młot wahadłowy powinien mieć odpowiedni zapas energii i Ŝądaną prędkość tak, aby na złamanie próbki zostało zuŝyte nie mniej, niŝ 10% i nie więcej, niŝ 80% zapasu energii młota. Wyboru naleŝy dokonać na podstawie wytycznych normy PN-EN ISO 179-1/2004/A1, PN-EN ISO 179-2/2001 oraz wstępnych prób rozpoznawczych Sposób wykonania oznaczenia Wskazówkę skali energii młota naleŝy ustawić tak, aby stykała się ona z zabierakiem, gdy wahadło jest w pozycji podniesionej i zaaretowanej. Następnie naleŝy przeprowadzić próby kontrolne (bez próbek ) w celu sprawdzenia, czy całkowite straty na starcie nie są większe, niŝ dopuszczalne, podane w normie PN-81/C Próbkę ustawia się na podporach tak, aby środek karbu wypadł dokładnie w płaszczyźnie ruchu ostrza młota. Zwalnianie aretaŝu powinno być przeprowadzone ostroŝnie, bez wstrząsów. Następnie naleŝy odczytać na skali energię zaabsorbowaną przez próbkę i jeŝeli jest to konieczne, zastosować korektę na straty przez tarcie. siła B pęknięcie siła B pęknięcie A C A D C przemieszczenie przemieszczenie Rys. 6.4 Pęknięcie w czasie udarowego zginania próbki: (A) kruche, (B) plastyczne, gdzie a -odkształcenie spręŝyste, b - odkształcenie plastyczne. 16

17 Do obliczania udarności materiału moŝna przyjmować tylko próbki całkowicie złamane, jak równieŝ pęknięte, których obie części łączy tylko cienka błonka naskórka prasowniczego Obliczanie wartości udarności materiału Udarność próbek bez karbu (a n ) oblicza się ze wzoru: a n =A n /b t, (6.1) w którym A n oznacza energie uderzenia zuŝytą na złamanie próbki, b jest szerokością próbki a t jej grubością. Udarność próbek z karbem (a k ) oblicza się ze wzoru: a k =A k /b t k, (6.2) w którym A k oznacza energię zuŝytą na złamanie próbki z karbem a b i t k są wymiarami przekroju poprzecznego w miejscu osłabienia karbem. Udarność względną (KZ) oblicza się ze wzoru: KZ=(a k /a n ) 100% (6.3) Za wynik oznaczenia udarności a n i a k naleŝy przyjąć średnią arytmetyczną wyników co najmniej 10 oznaczeń obliczonych ze wzorów (6.6) i (6.2) oraz, jeŝeli jest to wymagane, odchylenie średnie i współczynnik wariancji. Obliczone wartości udarności podaje się z dokładnością do dwóch cyfr znaczących. 7. Cel i zakres ćwiczenia. Ćwiczenie ma na celu zapoznanie studentów z inŝynierskimi podstawami badania i doboru tworzyw sztucznych stosowanych do wyrobu opakowań. W zakres ćwiczenia wchodzi: a/ samodzielne wykonanie znormalizowanych prób rozciągania, zginania i udarności kilku wybranych tworzyw sztucznych, b/ określenie własności wytrzymałościowych badanych próbek przez wyznaczenie zdefiniowanych w normach wskaźników wytrzymałościowych, c/ przeprowadzenie krótkiej zbiorczej analizy otrzymanych wyników, mającej na celu porównanie mechanicznego zachowania się róŝnych tworzyw sztucznych przy danym sposobie obciąŝania oraz danego tworzywa sztucznego przy róŝnych sposobach obciąŝania. Podczas przeprowadzonych, wymienionych prób wytrzymałościowych, wyznaczone zostaną następujące charakterystyki mechaniczne: - granica plastyczności, - wydłuŝenie, - moduł spręŝystości wzdłuŝnej, - udarność Charpy ego z karbem, bez karbu i względną, - wytrzymałość na zginanie, - wytrzymałość na rozciąganie 17

18 Sprawozdanie z badań Sprawozdanie wykonane przez studentów powinno zawierać: dane dotyczące próbki typ, szerokość i grubość przekroju równoległego, łącznie z wartościami średnimi, minimalnymi i maksymalnymi, sposób wykonania kształtek liczbę badanych próbek dane dotyczące maszyny wytrzymałościowej dane dotyczące rodzaju miernika wydłuŝenia lub odkształcenia dane dotyczące rodzaju uchwytu urządzenia i nacisku mocowania prędkość badania wyniki badań średnie wartości mierzonych standardowe odchylenie obliczenia zadanych wielkości wytrzymałościowych informację, czy którąkolwiek z próbek do badań odrzucono lub zastąpiono i z jakiego powodu datę pomiarów. 18