POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA TECHNOLOGII POLIMERÓW INŻYNIERIA MATERIAŁOWA INŻYNIERIA POLIMERÓW Właściwości tworzyw polimerowych przy rozciąganiu. Streszczenie: Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie badań własności mechanicznych tworzyw sztucznych, poddając je badaniom wytrzymałości na rozciąganie, z wykorzystaniem maszyn wytrzymałościowych Zwick/Roell Z020 oraz FPZ-100 Rauenstein.
Własności wytrzymałościowe Tworzywa konstrukcyjne, charakteryzuje szereg własności fizycznych, które określają zarówno ich jakość, jak i przydatność eksploatacyjną. W praktyce nie ma możliwości oznaczania wszystkich właściwości fizycznych tworzyw, dlatego też wyodrębniono grupę własności, które potocznie nazywa się podstawowymi własnościami fizycznymi. Do grupy tej zalicza się te własności, które są oznaczane w miarę prostymi metodami, a jednocześnie dostarczają istotnych informacji o badanym materiale. Z tego punktu widzenia najbardziej właściwym przykładem są badania właściwości tworzyw przy rozciąganiu, a ściślej mówiąc, własności, jakie obliczyć można z krzywej uzyskanej w próbie rozciągania. Ogólna charakterystyka badania. Badanie tworzyw przy rozciąganiu polega na jednoosiowym odkształcaniu próbki o określonych wymiarach ze stałą prędkością i pomiarze lub rejestracji naprężeń w, zależności od odkształcenia. f (I) gdzie: ε - odkształcenie, zmienna niezależna; σ - naprężenie zależne od przyłożonego odkształcenia. Z otrzymanej w ten sposób graficznej zależności obliczyć można nie tylko podstawowe własności fizyczne tworzyw, a) wytrzymałość na rozciąganie, b) wydłużenie względne przy zerwaniu, c) naprężenie przy określonym wydłużeniu. ale uzyskać informacje o innych własnościach fizycznych badanego materiału, jak elastyczność, ścieralność, twardość czy stopień usieciowania. Przyłożenie określonej siły rozciągającej F powoduje zwiększenie długości początkowej próbki l o do wartości l. Przyrost długości, czyli wydłużenie bezwzględne równe jest: l l (II) gdzie: l 0 - początkowa długość próbki, [mm]; l - długość próbki po rozciągnięciu, [mm]. l 0 Stosunek wydłużenia bezwzględnego do początkowej długości próbki wyraża wydłużenie względne ε
l l l (IV) 0 l (III) lub 100% l0 l0 l 0 Rzeczywiste naprężenie podczas rozciągania σ rn jest to stosunek siły rozciągającej do rzeczywistej powierzchni przekroju poprzecznego próbki. F rn [N/mm 2, MPa] (V) A gdzie A oznacza rzeczywistą powierzchnię przekroju poprzecznego próbki w momencie badania (zerwania) [mm 2 ], F - siła odkształcająca [N]. Pomiar rzeczywistej powierzeni przekroju poprzecznego próbki w czasie badania jest bardzo trudny. Dlatego też dla celów praktycznych wprowadzono umowną definicję naprężenia podczas rozciągania, którą wyraża wzór: F [N/mm 2, MPa] (VI) A 0 gdzie: F - siła odkształcająca, [N]; A o - powierzchnia początkowego przekroju poprzecznego [mm 2 ]. W każdej próbie rozciągania poza podstawowymi zmiennymi tzn. naprężeniem i wydłużeniem występuje wiele czynników wpływających na wynik badania, które należy uwzględnić przy obliczaniu wyników lub eliminować je przez stosowanie jednakowych warunków badania. Dotyczy to przede wszystkim: a) sposobu przygotowania próbek, który wspólnie z innymi czynnikami decyduje o liczbie różnego rodzaju defektów strukturalnych, które mogą występować w próbkach; b) kształtu i wielkości próbek; c) temperatury i wilgotność względnej otoczenia; d) czasu trwania próby, który reguluje się (dobiera się) przez dobór odpowiedniej szybkości odkształcania lub wzrostu naprężenia. Najpełniejszą charakterystyką zachowania się tworzywa poddanego rozciąganiu jest tzw. wykres rozciągania (rys. 1-2), który umożliwia prześledzenie współzależności pomiędzy dwiema zmiennymi, tj. pomiędzy odkształceniem i naprężeniem w czasie całego badania.
Rys. 1. Przykładowe wykresy rozciągania różnych polimerów σ = f(ε) Rys. 2. Schematyczny wykres rozciągania Na rys. 2. można prześledzić kolejne etapy próby rozciągania i punkty charakterystyczne na krzywej obrazującej zależność f ( ). W tworzywie poddanym rozciąganiu naprężenia wzrastają początkowo proporcjonalnie do odkształceń, zgodnie z prawem Hooke'a, czemu odpowiada początkowy odcinek prostoliniowy 0-1 na wykresie. W obszarze tym naprężenia są liniową funkcją odkształceń: E (VII) Współczynnik kierunkowy tej prostej, czyli tangens kąta, pod którym prostoliniowy odcinek wykresu funkcji nachylony jest do osi odciętych ε, nosi nazwę modułu sprężystości wzdłużnej. Stosunkowo często można jednak spotkać się z tworzywami, których wykresy rozciągania nie wykazują w ogóle liniowej zależności naprężenia od rozciągania. Charakteryzowanie właściwości mechanicznych takich tworzyw za pomocą modułu sprężystości jest raczej formalne. Największe naprężenie, do którego tworzywo poddane rozciąganiu zachowuje się zgodnie z prawem Hooke' a, nosi nazwę granicy proporcjonalności; na rysunku jest to rzędna punktu 1. Przy dalszym rozciąganiu wzrostowi odkształcenia towarzyszy znacznie powolniejszy wzrost naprężenia. Wykres rozciągania odchyla się od prostej odpowiadającej równaniu (VII). W tym obszarze odkształceń pojawiają się odkształcenia trwałe (plastyczne), tzn. takie, które nie cofają się po usunięciu obciążenia próbki. Odkształcenia trwałe pojawiają się po przekroczeniu pewnego naprężenia zwanego granicą plastyczności. W badaniach technicznych operuje się najczęściej tzw. umowną granicą plastyczności, czyli naprężeniem, które wywołuje w próbce
pewne umownie ustalone odkształcenie trwałe - najczęściej 0,2% początkowej długości odcinka pomiarowego. Sposób wyznaczania tej wartości na podstawie wykresu rozciągania przedstawiono na rys. 2. Na osi odkształceń odkłada się odcinek odpowiadający 0,2% odkształcenia trwałego (OA), a następnie prowadzi prostą równoległą do prostoliniowego odcinka wykresu rozciągania. Rzędna punktu przecięcia tej prostej z krzywą rozciągania jest poszukiwaną umowną granicą plastyczności σ 2. Niekiedy wyznacza się również wydłużenie względne na granicy plastyczności ε 2. Maksymalne naprężenie zarejestrowane w czasie rozciągania σ 3 jest tzw. doraźną wytrzymałością na rozciąganie. Jest to maksymalne naprężenie nominalne, jakie tworzywo może osiągnąć w czasie krótkotrwałego rozciągania statycznego. Maksymalne wydłużenie względne zaobserwowane w czasie rozciągania (na rysunku ε 4 ) jest zwane wydłużeniem względnym przy zerwaniu. Rzędna tego punktu, czyli naprężenie obserwowane w chwili zerwania próbki nosi nazwę naprężenia zrywającego σ 4. Omówiony wykres rozciągania jest wykresem schematycznym (teoretycznym), w praktyce można spotkać się z znacznymi odstępstwami, które są zależne od rodzaju tworzywa, szybkości rozciągania, sposobu formowania wyrobu oraz wielu innych czynników. Aparatura pomiarowa Właściwości mechaniczne tworzyw sztucznych można mierzyć m.in. maszynami wytrzymałościowymi (zrywarkami) firm Zwick, Instron, Shimadzu. Obecnie spotyka się nowoczesną aparaturę za pomocą, której można mierzyć naprężenie i odkształcenie przy dowolnej prędkości rozciągania, a przebieg pomiaru obserwuje się na monitorze komputera. Ćwiczenia przeprowadzone zostaną z wykorzystaniem maszyny wytrzymałościowej Zwick/Roell typ Z020 oraz FPZ-100 Rauenstein. Rys. 3 Maszyna wytrzymałościowa Zwick/Roell
Sposób przygotowania próbek W zależności od własności fizykochemicznych badanego tworzywa stosuje się trzy typy próbek, których kształt podano na rys 2-4, które wycina się z płytek tworzywa za pomocą odpowiednich wykrojników. Próbki powinny mieć powierzchnię gładką i równą, bez pęcherzy i rys, wżerów oraz innych widocznych defektów. Mocuje się je w szczękach z zaciskiem mechanicznym maszyny wytrzymałościowej. Próbki w kształcie wiosełek używa się podczas rozciągania materiałów elatycznych i termoplastów. Paski wykorzystywane są do zrywania tworzyw termoaktywnych oraz układów napełnianych materiałami nieorganicznymi i organicznymi np. metalami, włóknami. Zastosowanie próbek w kształcie wiosełek zapobiega przede wszystkim wyślizgiwania się ich ze szczęk oraz zrywaniu próbek w obrębie szczęki lub przy szczęce, poza odcinkiem pomiarowym (jeśli się to zdarzy pomiar obarczony zostaje błędem). Próbki w kształcie wiosełek Próbka w kształcie pasków Opis ćwiczenia. Przedmiotem ćwiczenia jest oznaczenie własności wytrzymałościowych przy rozciąganiu różnych tworzyw zgodnie z zaleceniami norm: PN-ISO 37:1998; PN-EN ISO 527-1-3:1998; PN-EN ISO 527-4-5:2000; PN-ISO 37:2007.
Zasada oznaczania polega na rozciąganiu aż do zniszczenia standardowej próbki do badań w kształcie paska lub wiosełka, zamocowanej w uchwycie maszyny wytrzymałościowej. Prędkość rozciągania wynosi 300mm/min. Próbki przed pomiarem należy zwymiarować tzn wyznaczyć grubość i szerokość odcinka pomiarowego w celu obliczenia powierzchni przekroju poprzecznego A 0 [mm 2 ]. Wyniki badań wytrzymałości na zerwanie zostaną przedstawione przez maszynę wytrzymałościową w postaci wykresu zależności naprężenie-odkształcenie σ = f(ε) (dla maszyny wytrzymałościowej Zwick/Roell Z020) lub w postaci wykresu F= f(ε) (dla maszyny wytrzymałościowej FPZ-100 Rauenstein) gdzie F-siła [N], σ naprężenie [MPa], ε odkształcenie [mm] lub [%]. Sprawozdanie Na początku sprawozdania proszę podać tytuł ćwiczenia, nazwiska uczestników grupy oraz datę wykonania ćwiczenia. Termin oddania sprawozdania wynosi 7 dni od daty odrobienia ćwiczenia. Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Opracowanie danych eksperymentalnych w postaci krzywej σ = f(ε) lub krzywej F= f(ε) dla każdego wykonanego pomiaru, 2. Tabelaryczne przedstawienie wartości naprężenia w chwili zerwania σ zr. wszystkich przebadanych próbek oraz wyznaczenia średniej wartości zr, 3. Obliczenie odchylenia standardowego od średniej (S), S n 1 2 gdzie: wartość oznaczana dla każdej poszczególnej próbki, - średnia arytmetyczna oznaczanej wartości n liczba pomiarów 4. Wartość naprężenia przy zerwaniu dla danego materiału przedstawić w postaci: zr S [MPa] 5. Odczytać z wykresu σ = f(ε) wartości naprężenia przy których próbka osiąga 100, 200, 300 czy 500% wartości wydłużenia (σ 100%, σ 200%, σ 300%, σ 500% ), dla pomiarów na maszynie wytrzymałościowej Zwick/Roell Z020 6. Odczytać z wykresu F = f(ε) wartości siły przy której próbka osiąga 100, 200, 300 czy
500% wartości wydłużenia (E 100%, E 200%, E 300%, E 500% ), dla pomiarów na maszynie wytrzymałościowej FPZ-100 Rauenstein. 7. Każda student przed przystąpieniem do laboratorium zobowiązany jest powtórzyć: Podstawowe jednostki (siły, ciśnienia, długości, powierzchni,) np. N, Pa, kg, kg/cm 2, m 2,dm 2... Przedrostki jednostek tzn. decy-, centy-, mili-..., hekto-, kilo-, mega-,... Literatura: 1. Broniewski T., Kapko J., Płaczek W., Thomalla J., Metody Badań i ocena właściwości tworzyw sztucznych, WNT Warszawa, 2000 2. Dzierża W., Czerniawski T., Właściwości mechaniczne i termiczne polimerów. Skrypt dla studentów chemii, Toruń 2000 3. Jaroszyńska D., Gaczyński R., Felczak B., Metody badań własności fizycznych gumy WNT Warszawa, 1978