POLITECHNIKA GDAŃSKA

WYDZIAŁ CHEMICZNY

KATEDRA TECHNOLOGII POLIMERÓW

Przedmiot: Inżynieria elastomerów

Lab. 7. Oznaczenie cech wytrzymałościowych elastomerów w próbach
jednoosiowego rozciągania

Celem laboratorium jest zapoznanie Studentów z pomiarami wytrzymałościowymi

elastomerów przeprowadzonych w próbach rozciągania z wykorzystaniem dwóch typów maszyn.

Własności wytrzymałościowe

Tworzywa konstrukcyjne, do których należą elastomery, charakteryzuje szereg własności

fizycznych określających 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 elastomerów przy rozciąganiu polega na

jednoosiowym odkształcaniu próbki o określonych wymiarach ze stałą prędkością i pomiarze lub

rejestracji naprężeń w, zależności od odkształcenia.

( )

ε

σ

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

x

. Przyrost długości, czyli wydłużenie bezwzględne równe jest:

0

l

l

l

x

x

−

=

∆

(II)

gdzie: l

0

- początkowa długość próbki, [mm]; l

x

- długość próbki po rozciągnięciu, [mm].

Stosunek wydłużenia bezwzględnego do początkowej długości próbki wyraża wydłużenie

względne ε

x

0

0

0

l

l

l

l

l

x

x

x

∆

=

−

=

ε

(III) lub

%

100

0

⋅

∆

=

l

l

x

x

ε

(IV)

Rzeczywiste naprężenie podczas rozciągania σ

rn

jest to stosunek siły rozciągającej do

rzeczywistej powierzchni przekroju poprzecznego próbki.

x

rn

A

F

=

σ

[N/mm

2

, MPa] (V)

gdzie A

x

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:

0

A

F

=

σ

[N/mm

2

, MPa] (VI)

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 elastomeru 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 Rys. 2. Schematyczny wykres rozciągania

różnych polimerów σ = f(ε)

Na rys. 2. można prześledzić kolejne etapy próby rozciągania i punkty charakterystyczne na

krzywej obrazującej zależność

)

(

ε

σ

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:

ε

σ

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.

Laboratorium przeprowadzone zostanie z wykorzystaniem maszyny wytrzymałościowej

Zwick/Roell typ Z020 oraz FPZ-100/1 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).

Opis postępowania

Przedmiotem laboratorium jest oznaczenie własności wytrzymałościowych przy rozciąganiu

elastomerów o różnej budowie chemicznej. Pomiary zostaną przeprowadzone na podstawie

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 ustalić grubość i szerokość próbki w celu

obliczenia początkowego przekroju poprzecznego A

0

[mm

2

]. Wyniki badań wytrzymałości na

rozciąganie zostaną przedstawione w postaci 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

W sprawozdaniu należy podać tytuł zajęć laboratoryjnych, nazwiska uczestników grupy oraz

datę wykonania ćwiczenia.

Sprawozdanie powinno zawierać:

Próbki w kształcie wiosełek

Próbka w kształcie pasków

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

σ

,

3. Obliczenie odchylenia standardowego od średniej (S),

( )

1

2

−

−

=

∑

n

x

x

S

gdzie: x – wartość oznaczana dla każdej poszczególnej próbki,

x - średnia arytmetyczna oznaczanej wartości

n – liczba pomiarów

4. Wartość naprężenia przy zerwaniu dla danego materiału przedstawić w postaci:

S

zr

±

σ

[MPa]

5. Odczytać z wykresu σ = f(ε) wartości naprężenia przy których próbka osiąga 100, 200,

300 wartości wydłużenia (σ

100%

, σ

200%

, σ

300%

) dla pomiarów na maszynie

wytrzymałościowej Zwick/Roell Z020

6. Podjąć próbę interpretacji uzyskanych wyników biorąc pod uwagę budowę

chemiczną elastomerów.

Termin oddania sprawozdania wynosi 7 dni od daty odrobienia ćwiczenia.

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