Механічні випробування пластичних мас

Механічні випробуванняпластичних мас

 
ЗМІСТ
 
Вступ
Механічні випробування пластичних мас
1.  Загальні засади, на яких ґрунтуютьсямеханічні випробування
пластмас, особливості
2. Визначення ударної в’язкостіпластмас
3. Визначення руйнівного напруженняпластмас за статичного згину,
за розтягу, за стиску
4. Визначення модулю пружностіпластмас
5. Визначення твердості пластмас заБринеллем
Висновок
Література
 

 
Вступ
Тема реферату «Механічнівипробування пластичних мас» з дисципліни “Контроль якості полімернихматеріалів”.
Дисципліна “Контрольякості полімерних матеріалів” дає знання про те, якими методами оцінюють якістьматеріалів, з яких виготовляють полімерні вироби. Властивості полімернихматеріалів визначають і якість виробів і терміни їх експлуатації.
Контроль якостіпроводять на всіх підприємствах, не тільки на виробництвах полімерних виробів.Контрою піддають різні кількісні показники якості, від яких залежатьексплуатаційні та технологічні характеристики самого виробу та процесу йоговиготовлення. Операціям контролю приділяється велика увага, тому його будовавходить в основні підрозділи підприємства і вміщує як внутрішньо цеховийконтроль, так і контрольні операціях відділу технічного контролю. Якістьполімерних виробів є похідною від якості полімерного матеріалу. Не можна виготовити якіснийвиріб з полімерної сировини невисокої якості. Вихідний полімерний матеріалобов’язково контролюють на будь-якому виробництві відповідно технічним умовам,без яких полімерні матеріали взагалі не виробляються. Кожні технічні умови наполімерний матеріал вміщують перелік показників якості та методи їх визначення.Показники якості визначають також технологічні параметри процесів переробки,наприклад, менше значення індексу розплаву потребує більші значення тиску табільших температур переробки. До основних умов забезпечення високої якостіпродукції, яка є полімерними виробами широкого асортименту, можна віднестинасамперед якість полімерних матеріалів, ретельне додержання оптимальнихтехнологічних параметрів, автоматизацію та механізацію виробництва.

 
1. Загальнізасади, на яких ґрунтуються механічні випробування пластмас, особливості
Пластмасивідрізняються від інших матеріалів тим, що вони поєднують у собі необхіднийрівень механічних властивостей з низькою вартістю та високою продуктивністю завиготовлення виробів. Механічні характеристики полімерів вважаються одним знайважливіших експлуатаційних показників в будь-якій галузі їх застосування.Полімери мають найширший діапазон механічних властивостей серед усіх відомихматеріалів. За своєю поведінкою вони можуть бути як в’язкими рідинами абоеластомерами, так і жорсткими твердими тілами. Механічні властивості полімерівзалежать від багатьох факторів, головними з яких є:
1)  молекулярна маса;
2)  хімічний склад;
3)  ступінь розгалуження або зшивання;
4)  ступінь кристалічності та будовакристалів;
5)  склад та будова співполімерів(статистичні, блок-співполімери);
6)  пластифікація;
7)  наповнення;
8)  орієнтація макромолекул;
9)  температура;
10)  тривалість, частота та швидкістьнавантаження;
11)  тиск;
12)  амплітуда напружень та деформацій;
13)  вид напруженого стану (зсув, розтягта ін.);
14)  природа навколишнього середовища.
Фактори 1-8визначають структуру полімеру, а інші є зовнішніми.
Механічнівластивості пластмас, які визначають їх поведінку за механічної дії, значнозалежать від умов проведення випробування. Через релаксаційний характерпроцесів, які відбуваються у полімері у механічному полі, існує залежністьмеханічних характеристик від часу, швидкості навантаження, температури. Слідвраховувати також здатність полімерів до вимушеної еластичності, а такожзалежність релаксаційних характеристик від напруження.
Це пояснюєіснування різних методів механічних випробувань, які дозволяють всебічноописати механічні властивості полімерів, зокрема пластичних мас. Такий підхіднеобхідно враховувати як за випробування полімерів за технічного контролю, такі за наукових досліджень. Для одержання результатів, які можна порівнювати міжсобою, треба суворо дотримуватись вказаних у методиці умов випробування.
2. Визначенняударної в’язкості пластмас
Ударною в’язкістю називається робота, яканеобхідна для руйнування зразка, що віднесена до одиниці площини йогопоперекового перетину. Цей показник виражається в Дж/м2 (або в Н/м) і визначається на стандартних зразках,що виготовлено з даного полімерного матеріалу. Зразки з листів, плит, стрижнівта інших подібних матеріалів, виготовляють механічною обробкою, а зпорошкоподібних, гранульованих та інших сипучих матеріалів – пресуванням талиттям під тиском. Зразки, що виготовлено механічною обробкою та пресуванням,мають вигляд брусків розмірами 120±2х15±0,5х10±0,2 мм. Завиготовлення зразків з листових матеріалів, що мають товщину меншу за 10 мм, їхтовщина залишається рівною товщині листа. Коли ж зразок виготовляється з плититовщиною більше 10 мм, плиту зрізають тільки з одного боку до товщини 10 мм.Якщо ж зразки виготовляють методом лиття під тиском, вони повинні мати виглядбруска з розмірами 50±1х6±0,2х4±0,2 мм.
Визначенняпроводиться з допомогою спеціального приладу – маятникового копра (рис. 1).

/>
Рис. 1. Схема діїмаятникового копра 9положенняя зразка за випробування на ударну в’язкість
Цей метод такожназивається випробуванням на двохопорний ударний згин.
Випробуванняпроводять на трьох стандартних зразках. Перед випробуванням заміряютьмікрометром з точністю до 0,01 мм товщину та ширину кожного зразка в йогосередині та розраховують площину їх поперекового перетину.
Відстань міжопорами для зразків товщиною менше 5 мм повинна складати 40±0,2 мм; для зразківтовщиною більше 5 мм — 70±0,2 мм. Опори повинні бути закруглені радіусом 3 мм.
Зразок кладуть надві опори, що розміщені у нижній частині маятникового копра, таким чином, щобудар прийшовся на широкий бік зразка. Маятник піднімають до верхнього положеннята закріплюють спеціальною клямкою. Встановлюють стрілку приладу на нуль,звільняють клямку та дають маятникові вільно впасти. В самій нижній точціпадіння маятник б’є зразок своїм краєм, розбиває його та відхиляється в іншийбік на деяку висоту. За руху вверх маятник тягне за собою рухому стрілку, якафіксує на шкалі підйом маятника в кутових градусах. Різниця між висотою підйомумаятника до та після випробування показує роботу удару, яка необхідна дляруйнування зразка.
Через те, щоударна в’язкість пластиків коливається в дуже широких межах, до копра додаютьсямаятники різної потужності: 1; 4; 5 та іноді 15 Дж. Тому перед випробуваннямпопередньо необхідно підібрати потужність маятника шляхом пробного розбиваннябрусків, починаючи з найменшої потужності.
Ударна в’язкістьматеріалу розраховується за формулою:
/>, Дж/м2,
де А – робота, щонеобхідна для руйнування зразка, Дж;
S – площина поперековогоперетину зразка, м2.
Якщо шкалаприладу безпосередньо показує роботу А, то її значення зразу вставляють в цюформулу.
За величинуударної в’язкості беруть середнєарифметичне результатів випробування трьох зразків.
Стандартні брускиможуть виготовлятись з надрізом (для більш жорстких умов), тоді використовуютьплощину поперекового перетину у місці надрізу. Результати такого випробуваннядозволяють знайти коефіцієнт послаблення ударної в’язкості, який дорівнює відношеннюрезультатів для зразків з надрізом до тих, що не мають надрізу.
Звичайно надрізглибиною 5±0,3 мм розміщають в середині зразка. Але для шаруватих пластиківположення надрізу відповідно напрямку шарів може бути різним (подовжнім,поперековим). Як величина надрізу, так і його напрямок мають велике значеннядля характеристики пластику.
 
3. Визначенняруйнівного напруження пластмас за статичного згину, за розтягу, за стиску
Міцністю застатичного згинуназивається здатність матеріалу опиратись дії згинаючого навантаження до межі,яка руйнує зразок. Напруження, яке при цьому розвивається в зразку, називаєтьсяруйнівним напруженням за статичного згину. Випробування проводиться на приладі,який має пристрій для вимірювання стрілу вигину та величину навантаження зточністю до 1 %. В конструкції приладу врахована можливість зміни швидкостірухомої головки машини та відстані між опорами.
Зразки длявипробування мають форму стандартних брусків, розміри яких залежать від методувиготовлення, як і за випробування пластмас на ударну в’язкість. Для листовихта шаруватих пластиків в випадку їх товщини меншої за 10 мм встановлюютьсястандартні розміри зразків, відстані між опорами та швидкості навантаження(таблиця 1).
Таблиця1
Умови визначенняруйнівного напруження за статичного згинуРозміри зразків, мм Відстань між опорами l, мм
Радіус закруглення наконечника R2, мм Швидкість руху головки машини v, мм/хвилину Товщина h Довжина L Ширина b 1 2 3 4 5 6 1,00-2,0 35±1,5 15±0,2 20±0,3 2 10-20 2,01-4,0 55±1,5 15±0,2 40±0,3 4 20-40 4,01-6,0 80±2,0 15±0,2 60±0,5 6 30-45 6,01-8,0 100±2,0 15±0,2 80±0,5 8 40-53,5 8,01-10 120±2,0 15±0,2 100±0,5 10 50-62,5
Випробування проводятьза кімнатної температури на трьох зразках. Перед випробуванням заміряютьтовщину та ширину кожного зразка та визначають їх площину поперековогоперетину.
Зразок кладутьшироким боком на дві опори, які мають закруглення кінці з радіусом R1 – 1 мм (рис. 2).
/>
Рис. 2. Положеннязразка за випробування пластмас на статичний згин
До серединизразка під прямим кутом докладають згинаючу силу, яка створюється приладом.Давлючий стрижень має в нижній частині закруглення радіусом R2. Випробування ведуть до руйнуваннязразка, постійно збільшуючи навантаження з певною швидкістю. В моментруйнування фіксується величина вигину в міліметрах (стріла вигину) та згинаюченавантаження в Н.
Розрахунокміцності (руйнівного напруження) за статичного згину проводять за формулою:
/>, Па,
де М – згинаючиймомент, Н·м; М = P·l/4;
W – момент опору, м3; W =b·h2;
Р – величина згинаючої сили,Н;
l – відстань між опорами, м;
b – ширина бруска, м;
h – товщина бруска, м.
Межею міцності зарозтягуназивається здатність матеріалу чинити опір дії руйнуючого напруження зарозтягу до моменту руйнування зразка. Межа міцності за розтягу характеризуєтьсяруйнуючим напруженням і виражається в МПа. Сутність методу випробування євизначення сили, яка йде на руйнування зразка певної форми та розмірів, абосили, яка викликає текучість такого зразка. Навантаження, яке відповідає межітекучості, визначається в перший момент зростання деформації, яке відбуваєтьсябез збільшення навантаження або в момент утворення шийки (місцевого звуження)на зразку. За розрахунку напруження силу відносять до початкового поперековогоперетину зразка.
Одночасно зруйнівним напруженням визначають величину відносного подовження зразка зарозтягу в процентах від початкової довжини зразка. За визначення відносногоподовження за текучості заміряють довжину зразка, яка відповідає появі шийки,відносять її до початкової довжини.
За випробування склопластиківвизначають несучу здатність в кн./м. Це навантаження, яке приходиться на одиницю початкової ширини зразка.Якщо ж усі шари склопластику направлені в одному напрямку, визначають питомунесучу здатність, тобто навантаження, яке приходиться на одиницю ширини одногоармую чого шару зразка.
Випробуванняпроводять на розривних машинах, які дозволяють розтягувати зразок з швидкістю10-20 мм/хвилину та вимірюватинавантаження з точністю до 1 %.
Зразки зформованих та пресованих пластиків виготовляють в спеціальних формах. Зразки злистових та шаруватих пластиків вирізають з пластин в двох напрямках — довжинита ширини. Для випробувань застосовують три типи зразків (рис. 3).
Для випробуванняматеріалів з великим відносним подовженням, наприклад, поліетилену, пластифікованогополівінілхлориду, застосовують зразки типу а (L=115 мм; В=25±1 мм; b=6±0,4 мм; h=1-2 мм). Для більшості термореактивних,термопластичних та шаруватих матеріалів застосовують зразки типу б (L=150 мм; В=20±0,5 мм; b=10±0,5 мм). Склопластики випробуютьна зразках типу в (L=150 мм; В=15-20мм; h=0,5-6 мм). Випробуванняпроводять за температури 20±2 єС не менше як на трьох зразках. Передвипробуванням вимірюють товщину та ширину кожного зразка та розраховуютьплощину поперекового перетину. Розміри до 10 мм вимірюють з точністю до 0,01мм, більші – з точністю до 0,1 мм.
/>
Рис. 3. Форма тарозміри зразків для визначення руйнівного напруження за розтягу
(а – для пластмасз високим відносним подовженням за розриву;
б – для випробування більшостіпластмас;
в – для випробуваннясклопластиків)
Зразокзакріплюють в розривній машині та розтягують його до розриву, збільшуючинавантаження. На шкалі відзначають руйнівне навантаження в Н. для плівкових ташаруватих матеріалів одночасно вимірюють довжину зразка в момент розриву.
Руйнівненапруження за розтягу (міцність за розтягу_ розраховують за формулою:
/>, Па,
де Р –навантаження, за якого відбувся розрив, Н;
S – площина поперековогоперетину зразка до випробування, м2.
Розрахункипроводять з точністю до 0,1 МПа та приймають за результат випробування середнєарифметичне для трьох зразків.
Відноснеподовження обчислюють за формулою:
/>, %,
де l0– початкова вільна довжина зразка(відстань між затискачами машини), м;
l1 – довжина зразка в момент розриву,м.
З трьох визначеньзнаходять середнє арифметичне значення.
Межею міцності застискуназивається здатність матеріалу чинити опір стискаючому навантаженню домоменту, коли настане руйнування або утворяться тріщини.
Для характеристикиматеріалів, які руйнуються за стиску, визначають напруження в МПа за заданоївідносної деформації стиску. На основі одержаних результатів розраховуютьвідношення навантаження, яке викликає деформацію стиску 25 %, до початковогопоперекового перетину зразка:
/>, Па,
де q – навантаження за заданої деформаціїстиску 25 %, Н;
S – площина поперекового перетинузразка, м2.
Також можнавизначати межу текучості за стиску. Він характеризує відношення навантаження,за якого відбувається зростання деформації без збільшення зусилля, до площинипочаткового поперекового перетину зразка.
З даних, щоодержано з п’яти визначень обчислюютьсереднє арифметичне значення.
Випробуванняпроводять на машині, яка дозволяє стискувати зразок з швидкістю 2,5 МПа/с до повного руйнування. Зразки длявипробування формованих та пресованих матеріалів мають вигляд циліндриківдіаметром 10±0,5 та висотою 30±0,5 мм. Зразки з шаруватих матеріалів вирізаютьз плити та надають їм форму брусочка розміром 10±0,5х10±0,5х16±1мм. Перед випробуванням виміряють розміри кожного зразка та обчислюють площинипоперекового перетину їх. Зразок поміщають між двома плитами машини та піддаютьзростаючому стискаючому навантаженню. Відзначають навантаження, яке руйнуєзразок.
Руйнівненапруження за стиску (міцність за стиску) розраховують за формулою:
/>, Па,
де Р – навантаження,за якого відбулось руйнування зразка, Н;
S – площина поперековогоперетину зразка до випробування, м2.
пластмасав’язкість твердість пружність
4. Визначеннямодулю пружності пластмас
Модулем пружності називається відношеннянормального напруження до відповідного відносного подовження при простому розтягу або згинузразка. Вибір характеру деформації для визначення модуля пружності залежить відвластивостей пластмаси. Для пластмас, які перероблюються методом лиття під тиском або екструзією, визначають модуль пружності за випробуваннями на розтяг. Для пластмас, якіперероблюються пресуваннямз прес-порошків, модуль пружності визначається за випробуваннями назгин. Модуль пружності зразків, що виготовляються механічною обробкою злистових та шаруватих пластмас, можна визначати модуль пружності по випробуваннямяк на розтяг так ф на згин.
Методикавизначення модулю пружності за розтягу або стиску передбачає вимірюваннядеформації зразка за багаторазового прикладення напруження, що дає можливістьдобути більш глибоку уяву про міцні сні характеристики пластмас в умовахексплуатації в динамічних режимах.
Визначення модулю пружності завипробуванням на розтяг. Випробування здійснюють на будь-якійвипробувальній машині на розтяг. Зразки для випробувань повинні мати форму нарозміри, які наведені на рис. 4 а для листових або шаруватих матеріалів та нарис. 4 б – для інших пластиків.
Кількість зразків – не менше трьох. За випробування листовихабо шаруватих матеріалів зразки можна виготовляти в трьох напрямках: подовжньому,поперековому та діагональному (під кутом 45°), не менше трьох зразків длякожного напрямку. Перед випробуванням вимірюють товщину і ширину зразків вробочій частині з точністю не менше 0,1 мм і обчислюють площину поперековогоперетину (S) з точністю до 0,01 см2. Випробування здійснюють затемператури 20±5 °С.
/>
Рис.4. Форма та розміри зразків длявизначення модулю пружності по випробуванню на розтяг
Зразкизакріплюють в затискачах машини таким чином, щоб довга вісь зразка співпадала злінією прикладення навантаження. На робочій частині зразка встановлюютьтензометр. Бажано мати два тензометри з обох сторін зразка.
Зразкипіддають шестикратному навантаженню – розвантаженню за різних швидкостейприкладення навантаження: 15-20 МПа в хвилину для матеріалів, міцність на розтягяких вище 100 МПа, і 4-5 МПа для матеріалів, міцність на розтяг яких 100 МПа именше. При кожному навантаженні записують відрахунок деформації по тензометруне менше ніж за двох вантаженнях: початковому — Ро, що дорівнюєбіля 2% від руйнівного навантаження, та максимальному навантаженні — Рмакс, якескладає 8-10% від руйнівного навантаження.
Модульпружності кожного зразка Еi розраховують за формулою:
/>, Па
де /> – приріст навантаження (Рмакс — Ро), Н;
/> – база тензометра, м;
/> – середнє арифметичне зприросту деформації, яке підраховано зданих трьох останніх замірів.
Зарезультат випробування приймають середнє арифметичне модулю пружності (в Па) зразків,що випробуються, та середнє квадратичне відхилення величин модулю пружності К,які розраховують за формулами (/> — число зразків):
/>
Визначення модулю пружності за випробуванням на згин. Для визначення модулю пружності завипробуванням на згин може бути використана будь-яка випробувальна машина, якадозволяє проводити випробування на згин та вимірювати навантаження з похибкоюне більше 1%.
Випробувальнамашина повинна мати пристрій, який дозволяє змінювати наконечник, що передаєнавантаження, та відстань між опорами. Середина прольоту між опорами повиннаспівпадати з віссю наконечника, що передає навантаження. Краї опор повинні матизакруглення радіусом 1 мм. Заміри прогину зразка здійснюються безпосередньо підмісцем прикладення навантаження з допомогою прогиноміру з точністю до 0,01 мм.Замість прогиноміру можна використовувати індикатор часового типу з ціноюділення не більше 0,01 мм.
Зразки длявипробування виготовляють в вигляді брусок з розмірами, що вказані в таблиці…Перед випробуванням замірюють ширину та товщину зразка з точністю до 0,01 мм.
Зразок укладаютьна опори широкою стороною та піддають шестикратному навантаженню-розвантаженнюза тих же швидкостях, які прийняті за визначення модулю пружності завипробування на розтяг. Знімають показання при двох навантаженнях: початковомуРо та максимальному Рмакс. Для кожного зразка підрахунокмодулю пружності виконують по даним трьох замірів.
Модульпружності кожного зразка Е розраховують за формулою:
/> Па,
де /> – зростання навантаження />, Н;
/> – відстань між опорами, м;
/> – ширина зразка, м;
/> – товщина зразка, м;
/> – середнє арифметичне приростудеформації прогину, яке знайдено за даними трьох останніх замірів, м.
Зарезультат випробування приймають середнє арифметичне модулю пружності зразків,що випробуються, Е (Па) та середнє квадратичне відхилення результатів модулюпружності К (Па), які розраховують за формулами:
/>
де /> – число зразків
 
5. Визначеннятвердості пластмас за Бринеллем
 
Поверхневоютвердістю за Бринеллем називається здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього стальноїкульки під дією навантаження.
Випробуванняздійснюють на приборі Бринелля (рис. 5) на зразках, які є брусками абопластинками з гладкою поверхнею товщиною не менш за 5 мм та шириною не менш за15 мм. За випробування стальна кулька діаметром 5 ± 0,1 мм під зусиллям 0,5 кНвдавлюється в зразок матеріалу протягом 60 с. Твёрдість виражають в Паскалях.Для випробувань беруть п’ять зразків.
/>
Рис.5. Прилад Бринелля
1- зразок, що випробується; 2 — підйомний столик; 3 — індикатор.
Зразок, якийпідлягає випробуванню, кладуть на підйомний столик приладу, підводять зразокщільно до стальної кульки та дають навантаження, плавно опускаючи спочаткуважіль, що знаходиться зліва, а потім рукоятку приладу, яка знаходиться справа.
Точночерез 60 с поворотом рукоятки приладу в зворотний бік та підняттям важелязнімають навантаження. Вдавлювання здійснюється в двох місцях кожного зразка.Відстань від центра відбитка до краю зразка, а також між центрами окремихвідбитків повинно бути не менш 7,5 мм. Глибину вдавлювання кульки вимірюють здопомогою індикатора.
Розрахуноктвердості матеріалу за Бринеллем НБ здійснюють по формулі:
/>, Па,
де /> – зусилля, яке прикладене докульки, Н;
/> – діаметр кульки, м;
/> – глибина відбитка кульки, м.
Виводять середнєзначення з всіх визначень. Для дуже твердих матеріалів, які мають числотвердості більше 200 МПа, навантаження на кульку збільшують до 2,5 кН.

Висновок
 
В процесінаписання реферату «Механічні випробування пластичних мас» з дисципліни “Контрольякості полімерних матеріалів” ми ознайомилися з:
– загальнимизасадами, на яких ґрунтуються механічні випробування
пластмас;
— визначеннямударної в’язкості пластмас;
— визначеннямруйнівного напруження пластмас за статичного згину,
за розтягу, застиску;
— визначенняммодулю пружності пластмас;
— визначеннямтвердості пластмас за Бринеллем.
 

 
Література
 
1.  Григорьев А.П., Федотова О.Я.Лабораторный практикум по технологии пластических масс. – М.: Высшая школа,1977, с. 238-246
2.  Басов Н.И., Любартович В.А.,Любартович С.А Контроль качества полимерных материалов. – Л.: Химия, 1977. – с. 25-28