POLITECHNIKA GDAC
SKA
WYDZIAA
CHEMICZNY
KATEDRA TECHNOLOGII POLIMERÓW
INŻYNIERIA MATERIAA
OWA
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.
sð =ð f (ðeð )ð (I)
gdzie: µ - odksztaÅ‚cenie, zmienna niezależna; à - naprężenie zależne od przyÅ‚ożonego
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 do wartości l . Przyrost długości, czyli wydłużenie bezwzględne równe jest:
o x
Dðlx =ð lx -ð l0 (II)
gdzie: l0 - początkowa długość próbki, [mm]; lx - długość próbki po rozciągnięciu, [mm].
Stosunek wydłużenia bezwzględnego do początkowej długości próbki wyraża wydłużenie
wzglÄ™dne µ
x
lx -ð l0 Dðlx Dðlx
eð =ð =ð (III) lub eð =ð ×ð100% (IV)
x x
l0 l0 l0
Rzeczywiste naprężenie podczas rozciÄ…gania Ãrn jest to stosunek siÅ‚y rozciÄ…gajÄ…cej do
rzeczywistej powierzchni przekroju poprzecznego próbki.
F
sðrn =ð [N/mm2, MPa] (V)
Ax
gdzie Ax oznacza rzeczywistą powierzchnię przekroju poprzecznego próbki w momencie badania
(zerwania) [mm2], 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
sð =ð [N/mm2, MPa] (VI)
A0
gdzie: F - siła odkształcająca, [N]; Ao - powierzchnia początkowego przekroju poprzecznego
[mm2].
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 Rys. 2. Schematyczny wykres rozciągania
różnych polimerów à = f(µ)
Na rys. 2. można prześledzić kolejne etapy próby rozciągania i punkty charakterystyczne na
krzywej obrazujÄ…cej zależność sð =ð f (eð ) . W tworzywie poddanym rozciÄ…ganiu 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:
sð =ð Eeð (VII)
Współczynnik kierunkowy tej prostej, czyli tangens kąta, pod którym prostoliniowy odcinek
wykresu funkcji nachylony jest do osi odciÄ™tych µ, nosi nazwÄ™ moduÅ‚u sprężystoÅ›ci wzdÅ‚użnej.
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
poszukiwanÄ… umownÄ… granicÄ… plastycznoÅ›ci Ã2. Niekiedy wyznacza siÄ™ również wydÅ‚użenie
wzglÄ™dne na granicy plastycznoÅ›ci µ2. Maksymalne naprężenie zarejestrowane w czasie
rozciÄ…gania Ã3 jest tzw. doraz
ną wytrzymałością na rozciąganie. Jest to maksymalne naprężenie
nominalne, jakie tworzywo może osiągnąć w czasie krótkotrwałego rozciągania statycznego.
Maksymalne wydÅ‚użenie wzglÄ™dne zaobserwowane w czasie rozciÄ…gania (na rysunku µ4) jest
zwane wydłużeniem względnym przy zerwaniu. Rzędna tego punktu, czyli naprężenie
obserwowane w chwili zerwania próbki nosi nazwÄ™ naprężenia zrywajÄ…cego Ã4.
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 A0 [mm2]. Wyniki badań wytrzymałości na zerwanie zostaną przedstawione przez
maszynÄ™ wytrzymaÅ‚oÅ›ciowÄ… w postaci wykresu zależnoÅ›ci naprężenie-odksztaÅ‚cenie à = f(µ) (dla
maszyny wytrzymaÅ‚oÅ›ciowej Zwick/Roell Z020) lub w postaci wykresu F= f(µ) (dla maszyny
wytrzymaÅ‚oÅ›ciowej FPZ-100 Rauenstein) gdzie F-siÅ‚a [N] , à  naprężenie [MPa], µ 
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 à = f(µ) lub krzywej F= f(µ)
dla każdego wykonanego pomiaru,
2. Tabelaryczne przedstawienie wartoÅ›ci naprężenia w chwili zerwania Ãzr. wszystkich
przebadanych próbek oraz wyznaczenia Å›redniej wartoÅ›ci sð ,
zr
3. Obliczenie odchylenia standardowego od średniej (S),
2
(ðx -ð x)ð
åð
S =ð
n -ð1
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:
[MPa]
sð Ä…ð S
zr
5. Odczytać z wykresu à = f(µ) wartoÅ›ci naprężenia przy których próbka osiÄ…ga 100, 200,
300 czy 500% wartoÅ›ci wydÅ‚użenia (Ã100%, Ã200%, Ã300%, Ã500%), dla pomiarów na
maszynie wytrzymałościowej Zwick/Roell Z020
6. Odczytać z wykresu F = f(µ) wartoÅ›ci siÅ‚y przy której próbka osiÄ…ga 100, 200, 300 czy
500% wartości wydłużenia (E100%, E200%, E300%, E500%), dla pomiarów na maszynie
wytrzymałościowej FPZ-100 Rauenstein.
7. Każda student przed przystąpieniem do laboratorium zobowiązany jest powtórzyć:
·ð Podstawowe jednostki (siÅ‚y, ciÅ›nienia, dÅ‚ugoÅ›ci, powierzchni,) np. N, Pa, kG,
kG/cm2, m2,dm2...............
·ð 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