Uniwersytet Rzeszowski Instytut Techniki
Przedmiot: Wykonanie:	Nauka o materiałach Adam Kmiotek
Temat Ćwiczeń:	Metody badań tworzyw sztucznych - właściwości mechaniczne.

Badania wytrzymałości:

Próba rozciągania polega na jednoosiowym odkształcaniu odpowiednio przygotowanych próbek i mierzeniu powstających sił.

Właściwości mechaniczne tworzyw sztucznych można mierzyć m.in. maszynami wytrzymałościowymi.

W celu scharakteryzowania właściwości tworzywa poddanego rozciąganiu lub ściskaniu są stosowane następujące pojęcia:

• wytrzymałość na ściskanie,

• granica plastyczności,

• umowna granica plastyczności,

• odkształcenie przy zniszczeniu,

• odkształcenie na granicy plastyczności,

• naprężenie ściskające przy założonym odkształceniu względnym.

Próba zginania polega na tym, że próbkę tworzywa podpartą na końcach obciąża się punktowo, prostopadle do jej osi podłużnej. Odległość pomiędzy punktami podparcia musi być ściśle określona i jest zwykle unormowana. Badanie stosuje się tylko do tworzyw kruchych, które pękają w czasie badania. Badania tworzyw sztucznych, z których nie można wykonać próbek dużych wykonuje się aparatem Dynstat, dla którego wystarczają próbki o wymiarach 15x10x2 mm. Zasada badania polega na tym, że do próbki pomiarowej zamocowanej w obrotowym uchwycie jest przytwierdzone ramię z obciążnikiem. Wskutek obrotu uchwytu próbki przenosi się przez ruch obrotowy na ramię. W miarę wznoszenia się ramienia, tj. odchylania od pionu, powstaje i zwiększa się jego moment obrotowy działający na próbkę jako moment zginający. Wzrost tego momentu powoduje wzrost naprężeń w próbce prowadzący do jej zginania, a dalej do zniszczenia. Odczytany w chwili zniszczenia moment zginający służy do obliczania wytrzymałości na zginanie, a jednocześnie zmierzony kąt ugięcia jest miarą odkształcenia próbki.

Udarność jest miarą kruchości materiałów określaną przez pracę potrzebną do dynamicznego złamania próbki i odnoszoną do wielkości poprzecznego przekroju próbki.

gdzie:
- udarność w
,

- praca potrzebna do złamania próbki w
,

- pole przekroju poprzecznego próbki przed badaniem w
(w przypadku badania udarności z

karbem - pole przekroju poprzecznego wyznacza się w miejscu karbu).

Badania wykonywane są metodami:

•Charpy'ego,

•Dynstat,

•Izoda.

W zależności od właściwości badanego tworzywa pęknięcie w czasie dynamicznego złamania próbki może być kruche lub plastyczne.

a' - odkształcenie sprężyste b' - odkształcenie plastyczne

Rys 1 - pęknięcie kruche Rys 2 - pęknięcie plastyczne

Badania dynamicznego złamania próbki prowadzi się podczas udarowego zginania lub rozciągania próbek z karbem lub bez karbu. W wahadłowych metodach stosowanych do tego badania są używane urządzenia elektroniczne do pomiaru siły i odkształcenia.

K - praca łamania zużyta na złamanie próbki

So - pole powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu złamania w cm²

Metoda Charpy'ego

Metoda ta polega na uderzeniu młotem wahadłowym udarowo w prostopadłościenną próbkę z karbem lub bez karbu, podpartej na dwóch podporach oraz określeniu pracy potrzebnej do jej złamania. Karb ma na celu koncentrację naprężeń w określonym miejscu badanej próbki. Udarność określa się pracą potrzebną do dynamicznego złamania próbki, odniesioną do 1 m² przekroju próbki (jeżeli jest to udarność z karbem, to do przekroju w miejscu z karbem).

Rysunek przedstawia zasadę badania udarności metodą Harpy'ego:

1. ostrze wahadła, 2. próbka, 3. podpora młota.

Metoda Dynstat

Udarność oznacza się na próbkach o małych wymiarach, umocowanych pionowo. Praktyczne znaczenie pomiarów aparatem Dynstat polega na tym, że próbki o tak małych wymiarach udaje się wycinać z wielu gotowych wyrobów, co nie jest możliwe przy próbkach do aparatu Charpy'ego.

gdzie: 1 - ostrze wahadła młota, 2 - próbka, 3 - uchwyt.

Badanie metodą Izoda

Metoda Izoda różni się od metody Charpy'ego sposobem zamocowania próbki, wymiarami próbek oraz prędkości uderzenia wahadła młota. Metodą tą bada się wyłącznie próbki z karbem. Próbkę mocuje się pionowo, jednym końcem w uchwycie podstawy młota i łamie ostrzem walcowym wahadła młota w określonej odległości od krawędzi uchwytu. Udarność określa praca zużyta na dynamiczne złamanie próbki z karbem odniesiona do początkowego przekroju poprzecznego w miejscu karbu, wyrażona w kJ/m².

gdzie: 1 - ostrze wahadła młota, 2 - próbka, 3 - uchwyt.

Badanie twardości

Pojęcie twardości w odniesieniu do tworzyw sztucznych określa się za pomocą oporu, jaki stawia materiał, gdy wciska się w jego powierzchnię pionowo odpowiedni wgłębnik, stosując naciski tak wielkie, aby powstało odkształcenie trwałe. Jako wgłębniki stosuje się tu elementy o znormalizowanych kształtach, np. kulki, stożki lub piramidki.

Przy pomocy metody wciskania kulki

Metoda polega na powolnym wciskaniu stalowej kulki w badane tworzywo. Po upływie pewnego czasu ustala się stan równowagi, w którym zwiększająca się powierzchnia odcisku równoważy wywierane obciążenie przez wgłębiającą się kulkę. W tym stanie stosunek siły obciążającej do powierzchni odcisku wgniecionego w badanym materiale określa jego twardość.

Do badania używa się aparatu Brinella w którym można nastawiać obciążenie wstępne i kilka do wyboru obciążeń roboczych. Czujnik rejestruje głębokość wgniotu pod naciskiem. Ustala się za pomocą klocka z miękkiej miedzi pod wstępnym obciążeniem Fo = 9,8 N odkształcenie ramy przyrządu, jakie wystąpi w czasie pomiaru z zastosowaniem wybranego obciążenia pomiarowego Fm.

Do próbki umieszczonej na stoliku przykłada się obciążenia wstępne oraz pomiarowe i mierzy po 30 s głębokość odcisku. Należy wykonać 10 pomiarów. Odcisk powstający pod wpływem wybranego obciążenia jest sumą odkształceń plastycznego i sprężystego, które w tworzywach sztucznych mogą być większe niż u wielu metali. Po zdjęciu obciążenia następuje stosun­kowo szybki powrót poodkształceniowy odcisku w zakresie odkształcenia sprężystego.

Do badania tworzyw gumo podobnych nadaje się metoda Shore'a. Aparat mieszczący się w dłoni dociska się podstawą do tworzywa. Wgłębnik wystający z podstawy, wypychany sprężyną wgniata się w materiał, przy czym ustala się równowaga między naciskiem sprężyny a reakcją tworzywa. Dla umiarkowanych twardości stosuje się typ A, w którym wgłębnik jest zakończony tępym stożkiem. Dla dużych twardości (typ D) stosowany wgłębnik jest na końcu zaostrzony. Po dociśnięciu wskazówka zatrzymuje się na odpowiednim zakresie skali wyrażonej w stopniach Shore'a.

Do pomiaru miękkości gum stosuje się aparat Schoppera, w którym wykorzystuje się kulkę o średnicy 10 mm i obciążenie 9,81 N, mierząć głębokość odcisku, nie usuwając obciążenia.

Dla elastycznych tworzyw porowatych wprowadzono pojęcie wskaźnika twardości. Jest to wg metody 1 siła potrzebna do wciśnięcia stopki przyrządu pomiarowego lub wg metody 2 talerza wciskowego w badaną próbkę. W metodzie 1 wynik odczytuje się wprost w °Sch (stopnie Schiltknechta). W metodzie B grubość próbki mierzy się wstępnie pod naciskiem 9,81 N, a następnie ściskają do 40% grubości wyjściowej

Badanie ścieralności

Zużyciem ściernym nazywa się odrywanie tworzywa z dwu stykających i przesuwających się względem siebie powierzchni, spowodowane występującymi nierównościami lub obecnością twardych cząsteczek obcego materiału. Ten sam układ dwu tworzyw trących może dawać zupełnie inny obraz ścierania w zależności od prędkości przesuwu powierzchni trących, temperatury, sposobu usuwania tworzywa ścieranego, występujących równocześnie drgań itp.

Metody pomiaru:

•aparat Schoppera,

•aparat Graselli,

•tarcze ścierne.

Aparat Schoppera nadaje się do wszystkich tworzyw sztucznych. Jako wzorzec ścieralności stosuje się specjalnie zwulkanizowaną gumę. Próbki tworzywa w postaci walca są dociskane jedną z podstaw do papieru ściernego za pomocą określonego obciążenia. Śruba pociągowa przesuwa uchwyt próbki z równomierną prędkością wzdłuż walca tak, aby próbka posuwa się cały czas po świeżym papierze. Po przebyciu 40 m drogi tarcia próbki oczyszcza się z pyłu i ponownie waży.

Oznaczanie ścieralności na aparacie Grasselli. Proces ścierania przebiega również na papierze ściernym, ale wynik wyraża się w cm3/(kWh).

W charakterze wzorca stosuje się gumę wzorcową taką samą jak w metodzie Schoppera. Tarcza pokryta papierem ściernym obraca się ścierając jednocześnie dwie próbki. Po upływie czasu odpowiadającego 200 obrotom tarczy wyłącza się silnik, oczyszcza próbki i waży. W ten sposób ustala się wskaźnik ścieralności gumy wzorcowej dwóch próbek i wskaźnik ścieralności badanego materiału.

---