Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny LABOTRATORIUM Ćwiczenie nr 1: Własności mechaniczne tworzyw sztucznych dr inż. Andrzej Bełzowski, dr inż. Agnieszka Szust 1. Wprowadzenie Własności mechaniczne tworzyw termoplastycznych zależą od wielu czynników: struktury molekularnej, temperatury, zawartości wody, prędkości obciążania, czasu działanie obciążenia. Wiele z wymienionych zależności w materiałach metalicznych nie występuje lub jest znacznie słabsza. Przykładem tego może 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,5 7,5 %, dla PET około 0,8%). Zaabsorbowana woda uszkadza wiązania chemiczne cząstek polimeru, co powoduje degradację materiału przejawiającą się w pogarszaniu własności mechanicznych i fizycznych. W stalach i innych stopach metali kontakt z wodą może wywołać korozję na powierzchni, ale trudno byłoby mówić o nasiąkliwości tych materiałów. Cechą specyficzną polimerów jest zależność ich właściwości mechanicznych od czasu działania obciążenia. Zagadnienie to jest omówione w dalszej części opracowania. Podczas prób wytrzymałości tworzywa termoplastyczne mogą wykazać zachowanie kruche lub ciągliwe. Te właściwości można 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), liczne duroplasty używane jako osnowy polimerowych kompozytów konstrukcyjnych żywice poliestrowe nienasycone (UP), żywice epoksydowe (EP) i żywice vinyloestrowe (VE). Charakterystyczną cechą tworzyw kruchych zauważalną na wykresach obciążania jest niewielka wartość odkształcenia w momencie zerwania B, na ogół B 5%. Krzywe i 3 przedstawione na rys. 1.1 reprezentują materiały ciągliwe. Przy wydłużeniach rzędu kilkunastu procent jest to ciągliwość raczej umiarkowana. Wiele tworzyw termoplastycznych wykazuje wartość B rzędu 50 1000%, 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 ważną cechą materiałów używanych do produkcji opakowań, ponieważ jest ona miarą odporności na uderzenia. σ M 1 σ y D σ M C 3 B B Rys. 1.1. Typowe wykresy rozciągania tworzyw sztucznych.
Mechanizmy odkształcania polimerów termoplastycznych pod wpływem przyłożonego obciążenia 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 może sprzyjać kruchemu pękaniu i obniża odporność na obciążenia 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 izotaktycznego może osiągać 65%.. Badania tworzyw sztucznych informacje ogólne Celem badań własności mechanicznych tworzyw sztucznych może być: kontrola jakości produkcji, kontrola jakości dostarczonej partii produktu, uzyskanie danych potrzebnych do projektowania wytrzymałościowego, sprawdzenie własności materiału nowego lub powstałego w wyniku badań nad ulepszeniem istniejących tworzyw. Ze względu na stosunkowo dużą zależność własności polimerów od temperatury, zawartości wody, szybkości obciążania 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 wydłużeń i przemieszczeń wymaga szczególnej ostrożności w celu uniknięcia uszkodzeń powierzchni próbki w miejscu styku z czujnikiem. Ryzyko uszkodzeń próbki przez zamontowanie układu do pomiaru odkształceń może być zminimalizowane dzięki użyciu nowoczesnych czujników optycznych (kamery wideo, czujniki laserowe). 3. Próba rozciągania tworzyw sztucznych Warunki i sposób przeprowadzania próby rozciągania tworzyw sztucznych są opisane w normie PN EN ISO 57: 1998, Tworzywa sztuczne. Oznaczanie właściwości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu. Typowa próbka (nazywana w normie kształtką) jest płaska i ma kształt wiosełkowy (rys. 3.1). Przy grubości 4,0±0, mm, szerokość części pomiarowej wynosi 10±0, mm a długość 80 lub 60 mm. Wielkość σ y określono w normie jako granicę plastyczności materiału, chociaż jest ona bliższa pojęciu wytrzymałości na rozciąganie w rozumieniu normy do badania metali. Tworzywa sztuczne wykazujące w próbie rozciągania zachowanie opisane krzywą typu cechuje utworzenie się widocznego stosunkowo dużego przewężenia, które w zakresie odkształceń odpowiadających odciętym punktów C i D obejmuje stopniowo całą długość części pomiarowej. W zakresie C D uszkodzenie próbki widoczne gołym okiem przeważnie jest na tyle poważne, że materiał można uznać za w zasadzie zniszczony. Gdyby w takim przypadku wartość naprężenia w punkcie D była wyższa od granicy plastyczności σ y, to niedoświadczony inżynier mógłby przyjąć wartość wytrzymałości σ M =σ(d) i zaprojektować element na podstawie tak określonej wytrzymałości. Stanowiłoby to pominięcie faktu, że uszkodzenie dyskwalifikujące materiał elementu do dalszego bezpiecznego użytkowania pojawiło się wcześniej, przy wartości naprężenia σ y <σ M. Należy mieć świadomość, że wielkości określane podobnymi terminami w badaniach metali i tworzyw sztucznych mogą mieć inny sens fizyczny.
Wydłużenie B jest określane jako wydłużenie całkowite tuż przed wystąpieniem zniszczenia próbki. W badaniach stali i innych ciągliwych stopów metali przeważnie określa się wydłużenie względne próbki po jej zerwaniu (w przeszłości oznaczane symbolem A 5, obecnie A C ). Jest to odkształceni trwałe a nie całkowite materiału (odkształcenie całkowite jest sumą składowej sprężystej (zanikającej po odciążeniu) i składowej trwałej, pozostającej w materiale nie obciążonym. Rys. 3.1. Próbka wiosełkowa z żywicy poliestrowej wzmocnionej tkaniną szklaną z zamontowanym ekstensometrem do pomiaru wydłużeń. W przypadku takiego materiału o podwyższonej wytrzymałości i sztywności można mieć nadzieję na uniknięcie istotnego wpływu zamocowania ekstensometru bezpośrednio na próbce na wynik próby. Inne zagrożenie stanowi możliwość poślizgu w miejscu połączenia czujnika z próbką (przy zbyt delikatnym mocowaniu), co spowodowałoby uskok wykresu obciążania dyskwalifikujący taką próbę. W metalach możliwość zakłócenia przebiegu próby przez wpływ zamocowania takiego czujnika jest znacznie mniejszy. 4. Określanie własności tworzyw sztucznych przy statycznym zginaniu 4.1. Wiadomości ogólne o próbach zginania tworzyw sztucznych Próby zginania są stosowane przede wszystkim w celu określenia własności tworzyw sztywnych, które charakteryzują się stosunkowo dużym modułem sprężystości wzdłużnej E. Stosowanie obciążeń zginających jest szczególnie przydatne w przypadku badania materiałów kruchych. Jest to ważna grupa tworzyw sztucznych szeroko stosowanych w technice, których charakterystyczną cechą są niewielkie wartości wydłużenia względnego przy zerwaniu, wynoszące najczęściej r = 1 5 %. Określenie odkształceń o takich wartościach z wymaganą dokładnością względną rzędu 1%, jest w próbie rozciągania dość trudne w przeciętnie wyposażonym laboratorium wytrzymałościowym. Wynika to między innymi z następujących okoliczności: przy najczęściej spotykanych długościach baz pomiarowych, wynoszących kilkadziesiąt milimetrów, dokładność bezwzględna pomiaru wydłużeń powinna wynosić około 1 5 μm, stosowany system mocowania czujnika do pomiaru wydłużeń powinien wykluczać możliwość powstania w miejscu mocowania uszkodzeń powierzchni próbki, co mogłoby mieć istotny wpływ na wynik próby. Wymienione trudności można w dużej mierze ominąć, określając własności tworzywa na podstawie przeprowadzonej próby zginania. Jedną z zalet prób zginania jest łatwość pomiaru 3
wielkości charakteryzującej odkształcenie próbki, którą jest jej największe ugięcie zwane strzałką 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 różnych materiałów. W praktyce najczęściej stosuje się schemat zginania trójpunktowego (rys. 4.1.a). W przypadku tworzyw nie wzmocnionych włóknami próbę prowadzi się aż do zniszczenia próbki, które powinno być spowodowane przez naprężenia normalne związane z działaniem momentu zginającego. Badanie podczas zginania polega na tym, że próbkę pomiarową z tworzywa w postaci beleczki prostopadłościennej, podpartą w określony sposób, obciąża się prostopadle do jej osi wzdłużnej. Na rys. 4.1 pokazano niektóre stosowane sposoby obciążania. Próba zginania tworzyw sztucznych nie wzmocnionych jest opisana w normie PN EN ISO 178: 1998 Tworzywa sztuczne. Oznaczanie właściwości podczas zginania. W przeszłości norma ta była stosowana również do przeprowadzania prób kompozytów polimerowych tj. tworzyw wzmocnionych włóknami. Obecnie próby zginania kompozytów polimerowych są opisane w normie PN EN ISO 1415: 001 Kompozyty tworzywowe wzmocnione włóknem. Oznaczanie właściwości przy zginaniu. Oprzyrządowanie do prób zginania stanowi standardowe wyposażenie maszyn wytrzymałościowych. Wzajemne usytuowanie punktów podparcia i przyłożenia obciążenia jest zwykle ściśle określone w obowiązujących normach. Obciążenie zwiększa się powoli, jednostajnie, aż do zniszczenia próbki lub do osiągnięcia określonej umownej strzałki ugięcia. Prędkości obciążania podane w PN EN ISO 178 w mm/min wynoszą: 1,, 5, 10, 0, 50, 100, 00, 500. W praktyce najczęściej stosuje się prędkości nie przewyższające 10 mm/min. W obowiązującej w Polsce normie PN EN ISO 178 przewiduje się stosowanie zginania trzypunktowego (rys. 4.1) próbek prostopadłościennych o stosunku wysokości do odległości podpór wynoszącym l/h=16. Zalecanym kształtem próbki jest prostopadłościan o wymiarach przekroju poprzecznego b h=10 4 mm i długości całkowitej l=80 mm. W uzasadnionych przypadkach są możliwe odstępstwa wymiarowe w granicach określonych w normie. Rozstaw podpór powinien spełniać warunek l r =16h, co w materiałach kruchych zapewnia zniszczenie wskutek osiągnięcia naprężeń normalnych σ związanych z momentem zginającym. F h l r / l r / Rys. 4.1. Schemat sposobu obciążania próbki w próbie zginania tzw. trzypunktowego. F F h l r /3 l r /3 l r /3. Rys. 4.. Schemat próby zginania czteropunktowego opisanej w niektórych normach zagranicznych (np. amerykańskich). 4
Wartości naprężenia obliczamy wg znanej zależności σ = M g W 4.. Wyznaczanie modułu sprężystości wzdłużnej Strzałkę ugięcia f pręta prostopadłościennego o szerokości b i wysokości przekroju h, zginanego trzypunktowo siłą o wartości F możemy obliczyć z zależności postępowania jest następująca: 1. Przeprowadzając próbę zginania (niszczącą lub do osiągnięcia tylko pewnej wymaganej strzałki ugięcia zarejestrować krzywą obciążenie ugięcie lub tylko wartości siły i ugięcia odpowiadające odkształceniom f1 =0,0005 i f =0,005. Wartości ugięć f 1 i f należy obliczyć ze wzoru f i fil = ( i = 1; ) 6h podstawiając kolejno f1 =0,0005 i f =0,005.. Określić wartości siły F obciążającej próbkę w chwilach osiągnięcia wartości odkształceń f1 i f oraz odpowiadające wartości największego naprężenia normalnego σ f1 i σ f. 3. Obliczyć moduł Younga materiału E f σ = f f σ f 1 f 1 Ponieważ odkształcenie zerwania tworzyw sztucznych stosowanych w technice z reguły przekracza wartość 1% jest oczywiste, że zakres wartości odkształceń 0,0005 0,005 wykorzystany do wyznaczenia modułu należy do zakresu liniowo sprężystego. 5.1 Cel i zakres ćwiczenia. Ćwiczenie ma na celu zapoznanie studentów z inżynierskimi podstawami badania i doboru tworzyw sztucznych. W zakres ćwiczenia wchodzi: a/ samodzielne wykonanie znormalizowanych prób rozciągania i zginania 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 różnych tworzyw sztucznych przy danym sposobie obciążania oraz danego tworzywa sztucznego przy różnych sposobach obciążania. Podczas przeprowadzonych, wymienionych prób wytrzymałościowych, wyznaczone zostaną następujące charakterystyki mechaniczne: granica plastyczności, wydłużenie, moduł elastyczności, wytrzymałość na zginanie 5
Szczególne, oczekiwane wartości omawianych charakterystyk mechanicznych powinny być zgodne z odpowiednimi normami i zawierać swe wartości w następujących granicach: Tab. 5.1 WŁAŚCIWOŚCI WYMAGANIA σs 4 N/mm Granica plastyczności σs S 8% Wydłużenie σs i R R 100% Moduł elastyczności E Et 100 N/mm Wytrzymałość na zginanie 3,5% σb 3,5 σb 3,5 N/mm Wymienione próby powinny być przeprowadzone zgodnie z zaleceniami norm: PN EN ISO 57 1/1998, PN EN ISO 57 /1998 rozciąganie; PN EN ISO 187:003+A1:005 zginanie; 5. 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 57 1/1998, PN EN ISO 57 /1998. Przeprowadzenie próby statycznego rozciągania pozwala na wyznaczenie takich cech wytrzymałościowych jak, maksymalne naprężenie rozciągające, moduł sprężystości oraz zależności naprężenie/wydłużenie w określonych warunkach. Aby przeprowadzić omawiane badanie potrzebujemy próbkę o określonej geometrii. (Rys1) Rys. 5. Uniwersalna kształtka do badań typu A1 i B1. Wymiary kształtek Typ A1 Bezpośrednio formowalna. Typ B1 Obrabiana mechanicznie. L3 długość całkowita 150 mm 150 mm L1 długość części ograniczonej liniami 80±mm 60±0,5mm równoległymi R promień (0 5 mm) 0 5 mm 60 mm L odległość między szerokimi równolegle 104 113mm 106 10mm usytuowanymi częściami B szerokość na końcach 0,0±0,mm 0,0±0,mm B1 szerokość wąskiej części 10,0 ±0,mm 10,0 ±0,mm 6
H zalecana grubość 4,0±0,mm 4,0±0,mm L0 długość pomiarowa 50,0±0,5mm 50,0±0,5mm L początkowa odległość między uchwytami 115 ±1mm 115 ±1mm W przypadku niektórych materiałów może zaistnieć potrzeba zwiększenia długości całkowitej. W celu zabezpieczenia przed zerwaniem lub ślizganiem się w szczękach maszyny wytrzymałościowej. Wszystkie powierzchnie kształtek powinny być wolne od pęknięć, rys i innych niedoskonałości. Z kształtek otrzymanych przez formowanie wszystkie wypływki, jeśli istnieją, powinny być usunięte ostrożnie, by nie uszkodzić formowanej powierzchni. Kształtka do badań rozciąga się wzdłuż jej głównej osi wzdłużnej, przy stałej prędkości, aż do zerwania kształtki lub do określonej wartości naprężenia(lub zadanego obciążenia) lub odkształcenia (wydłużenia). W czasie tej próby mierzy się trwałe obciążenie kształtki i jej wydłużenie. 5.3 Wyznaczane własności wytrzymałościowe w próbie rozciągania statycznego. Naprężenia: [MPa] Naprężenie rozciągające σ (konstrukcyjne) siła rozciągająca na jednostkę powierzchni początkowego przekroju kształtki wewnątrz odcinka pomiarowego przenoszona przez kształtkę w każdej określonej chwili. (A) Wytrzymałość na rozciąganie σ M (maksymalne naprężenie rozciągające przenoszone przez kształtkę w czasie próby rozciągania tj. siła rozciągająca na jednostkę powierzchni początkowego przekroju kształtki wewnątrz odcinka pomiarowego przenoszona przez kształtkę w każdej określonej chwili.) naprężenie przy zerwaniu σ B (naprężenie rozciągające przy którym próbka ulega zerwaniu) granica plastyczności σ y (pierwsze naprężenie, przy którym wzrost wydłużenia nie powoduje wzrostu naprężenia; może być mniejsze niż osiągane naprężenie maksymalne) (B) Wydłużenia względne: (Wzrost długości na jednostkę długości początkowej odcinka pomiarowego. Wyraża się jako stosunek bezwymiarowy lub w procentach (%)) wydłużenie względne przy maksymalnym naprężeniu rozciągającym M (Wydłużenie w punkcie odpowiadającym wytrzymałości na rozciąganie, jeśli występuje bez lub na granicy plastyczności rys.1 krzywe a i d); wydłużenie względne przy zerwaniu B (wydłużenie względne przy zerwaniu, jeśli zerwaniu nie towarzyszy wydłużenie względne przy granicy plastyczności y (Wydłużenie względne przy naprężeniu przy granicy plastyczności. ) (C) Moduł sprężystości przy rozciąganiu E t (D) Pozostałe definicje: Długość odcinka pomiarowego L 0 początkowa odległość między znakami pomiarowymi na środkowej części kształtki do badań. Wyraża się w milimetrach (mm). Prędkość badania v szybkość przesuwu szczęk maszyny wytrzymałościowej podczas badania. Wyraża się w milimetrach na minutę (mm/min). Naprężenie rozciągające σ (konstrukcyjne) siła rozciągająca na jednostkę powierzchni początkowego przekroju kształtki wewnątrz odcinka pomiarowego przenoszona przez kształtkę w każdej określonej chwili. Wyraża się w megapaskalach (MPa). Naprężenie rozciągające przy x% odkształcenia σ x maksymalne naprężenie rozciągające przenoszone prze kształtkę w czasie badania rozciągania. Wyraża się w megapaskalach (MPa). Może być mierzone na przykład wtedy, gdy krzywa naprężenie/wydłużenie nie wykazuje granicy plastyczności. W takim przypadku x należy przyjąć z określonej normy wyrobu lub uzgodnić między zainteresowanymi stronami. Jednak w każdym przypadku wartość x powinna być mniejsza niż wartość odkształcenia odpowiadającego wytrzymałości na rozciąganie. 7
Wydłużenie względne nominalne ts wydłużenie względne nominalne przy naprężeniu zrywającym, jeśli badana kształtka zerwie się po przekroczeniu granicy plastyczności. Wyraża się jako stosunek bezwymiarowy lub w procentach (%). Wydłużenie względne nominalne przy maksymalnym naprężeniu rozciągającym ts wydłużenie względne nominalne przy maksymalnym naprężeniu rozciągającym, jeśli naprężenie to wystąpi powyżej granicy plastyczności. Wyraża się jako stosunek bezwymiarowy lub w procentach (%). Moduł sprężystości przy rozciąganiu E t stosunek różnicy naprężeń σ 1 i σ, do różnicy wartości odkształceń = 0,005 i 1 = 0,0005. Wyraża się w megapaskalach (MPa). Definicji nie stosuje się w przypadku folii i gumy. Współczynnik Poissona µ ujemny stosunek wydłużenia względnego n z jednego z dwóch kierunków prostopadłych do kierunku rozciągania, do odpowiadającego mu wydłużenia względnego w kierunku rozciągania, w zakresie początkowej zależności liniowej krzywej odkształcenia podłużnego względem prostopadłego. Wyraża się jako stosunek bezwymiarowy. Współczynnik Poissona jest w pierwszym rzędzie oznaczany dla tworzyw wzmocnionych długimi włóknami. Rys. 5.3. Typowe krzywe naprężenie/wydłużenie uzyskane w próbie rozciągania statycznego. Krzywa a tworzywa kruche; Krzywa b tworzywa wzmocnione z granicą plastyczności Krzywa c tworzywa wzmocnione bez granicy plastyczności 8
5.4 Obliczanie i przedstawianie wyników. A) Obliczanie naprężeń. Wszystkie wartości naprężeń w odniesieniu do początkowego przekroju, należy obliczać w odniesieniu do przekroju początkowego. F σ = A Gdzie: σ jest określoną wartością naprężenia, wyrażona w MPa, F jest odpowiadającą siłą przypadającą na przekrój. A Jest początkowym przekrojem poprzecznym kształtki, wyrażonym w milimetrach kwadratowych. 5.5 Wytrzymałość na zginanie. Według cytowanej normy PN EN ISO 178, właściwości wytrzymałościowe tworzyw wyznacza się stosując schemat obciążania trzypunktowego (rys. 4.1.), identyczny z używanym w próbie wyznaczania modułu sprężystości E f (l r / h=16). Próbę przeprowadza się do osiągnięcia określonej umownej strzałki ugięcia, wynoszącej s c =1,5 h. Jeżeli próbka ulegnie złamaniu przed osiągnięciem tej strzałki, to wielkością charakteryzującą materiał jest wytrzymałość na zginanie σ fm, określona jako największe naprężenie zginające przeniesione przez próbkę, obliczone wg wzoru σ M g F l = = = fm 3Fl bh 6 gdzie F oznacza największą wartość siły zarejestrowaną podczas obciążania próbki. W Wartości wytrzymałości na zginanie tworzyw sztucznych różnią się istotnie od wytrzymałości na rozciąganie: praktycznie zawsze wytrzymałość na zginanie tworzyw σ fm jest większa od wytrzymałości na rozciąganie σ M. Różnice są niemałe, często rzędu 50% (σ fm 1,50 σ M ) Moduły sprężystości nie podlegają tej prawidłowości, z reguły ich wartości są zbliżone (E E f ). Wytłumaczenie przyczyny różnic wartości σ fm i σ M wymaga analizy rozkładów naprężeń w kształtkach przy założeniu, że wytrzymałość materiału jest opisana statystycznym rozkładem Weibulla, co przekracza zakres tego ćwiczenia. Jeżeli próbka nie ulegnie złamaniu przed osiągnięciem wartości umownej strzałki ugięcia s c, to wielkością charakteryzującą materiał pod względem zdolności do przenoszenia obciążeń zginających jest tzw. naprężenie przy określonej strzałce ugięcia σ fc. Jest to największe naprężenie normalne (zginające), występujące w próbce w chwili osiągnięcia ugięcia s c, określone wg wzoru przytoczonego wyżej. Wartość F oznacza tym razem siłę zarejestrowaną w momencie osiągnięcia ugięcia s c. Wielkość σ fc jest pojęciem umownym, ponieważ wiele tworzyw w chwili osiągnięcia strzałki ugięcia s c znajduje się już poza granicą stosowalności prawa Hooke a. Jak wiadomo, wzory używane do przeliczania wartości pomiarowych zostały wyprowadzone przy założeniu jego ważności. Sposób określenia naprężenia σ fc powoduje, że wykorzystanie tej wielkości w obliczeniach jest równoznaczne z wprowadzeniem warunku sztywności, często bardziej ostrego, niż warunek wytrzymałości. W celu określenia wytrzymałości na zginanie σ fm lub naprężenia zginającego przy umownej strzałce ugięcia σ fc należy 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 3± 0 C przy wilgotności względnej 50±5%. Prędkość posuwu trzpienia obciążającego przy zastosowaniu zalecanej kształtki o wymiarach 10 4 80 mm powinna wynosić mm/min. 4 bh r r 9
Rys. 5.4 Typowe krzywe naprężenia zginającego σ f, w zależności do badań (a) Kształtka, która ulega zniszczeniu przed osiągnięciem granicy plastyczności. (b) Kształtka 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. Rys.5.5 Przykład krzywej naprężenie/odkształcenie z początkowym zakresem krzywoliniowym i wyznaczaniem punktu odkształcenia zerowego: 1 początkowa część wykresu naprężenie/odkształcenie pokazująca zakres krzywoliniowy, początkowa część wykresu naprężenie/odkształcenie pokazująca miejsce od którego mierzy się siłę w zakresie prostoliniowym. 10
Rys.5.6 Położenie kształtki do badań na początku; oznaczenia: 1 kształtka do badań, F przybliżona siła, R 1 Promień trzpienia obciążającego; R Promień podpór; h grubość kształtki; d długość kształtki; L rozstaw podpór. 5.6 Obliczanie i przedstawianie wyników Obliczanie naprężeń Wszystkie wartości naprężeń należy obliczać w odniesieniu do początkowego przekroju poprzecznego kształtki: F σ = A gdzie: σ jest określoną wartością naprężenia, wyrażoną w megapaskalach; F jest odpowiadającą siłą, mierzoną w niutonach; A jest początkowych przekrojem poprzecznym kształtki, wyrażonym w milimetrach kwadratowych. Obliczanie odkształceń Wszystkie wartości odkształceń należy obliczać w odniesieniu do odcinka pomiarowego: ΔL0 = L ΔL (%) = 100 L 0 0 0 gdzie: jest określoną wartością wydłużenia względnego, wyrażoną jako wielkość bezwymiarowa lub w procentach; L jest długością odcinka pomiarowego, wyrażoną w milimetrach; 0 L 0 Δ jest przyrostem długości kształtki do badań między znakami pomiarowymi, wyrażonym w milimetrach. 11
Wartość wydłużenia względnego nominalnego należy obliczyć w odniesieniu do początkowej odległości między uchwytami do próbek: ΔL t = L ΔL t =100 L gdzie: t jest wydłużeniem względnym nominalnym, wyrażonym jako wielkość bezwymiarowa lub w procentach, %; L jest początkową odległością między uchwytami próbek; ΔL jest przyrostem odległości między uchwytami próbek, wyrażonym w milimetrach. Obliczanie modułu Moduł sprężystości przy rozciąganiu należy obliczyć w odniesieniu do dwóch określonych wartości wydłużenia względnego: σ σ 1 E t = 1 gdzie: E jest modułem sprężystości przy rozciąganiu, wyrażonym w megapaskalach; t σ 1 jest naprężeniem, w megapaskalach, mierzonym przy wartości wydłużenia względnego 1 =0,0005 σ jest naprężeniem, w megapaskalach, mierzonym przy wartości wydłużenia względnego =0,005 1 Współczynnik Poissona Jeśli jest to wymagane, należy obliczyć współczynnik Poissona w odniesieniu do dwóch odpowiadających sobie wartości odkształcenia, powstałego prostopadle do siebie: n μ n = gdzie: μn jest współczynnikiem Poissona, wyrażonym jako stosunek bezwymiarowy, gdy n=b (szerokość) lub h (grubość), wskazując wybrany kierunek prostopadły; jest odkształceniem w kierunku wzdłużnym jest odkształceniem w kierunku prostopadłym, gdy n=b (szerokość) lub h (długość) n Sprawozdanie z badań Sprawozdanie wykonane przez studentów powinno zawierać: wszystkie dane niezbędne do identyfikacji badanego materiału, dane dotyczące kształtki typ, szerokość i grubość przekroju równoległego, łącznie z wartościami średnimi, minimalnymi i maksymalnymi, sposób wykonania kształtek liczbę badanych kształtek dane dotyczące maszyny wytrzymałościowej dane dotyczące rodzaju miernika wydłużenia lub odkształcenia dane dotyczące rodzaju uchwytu urządzenia i nacisku mocowania 1
prędkość badania wyniki badań średnie wartości mierzonych standardowe odchylenie informację, czy którąkolwiek z kształtek do badań odrzucono lub zastąpiono i z jakiego powodu datę pomiarów Literatura 1. PN EN ISO 57 1. Oznaczanie wytrzymałości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu. Zasady ogólne. PN EN ISO 57. Oznaczanie wytrzymałości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu. Warunki badań tworzyw sztucznych 3. PN EN ISO 94. Tworzywa sztuczne. Wtryskiwanie kształtek do badań z tworzyw termoplastycznych (część 1,) 4. R. Sikora. Tworzywa wielkocząsteczkowe. Rodzaje, właściwości i struktura. Politechnika Lubelska, Lublin 1991 13