Механические свойства полимерных материалов. Учебное пособие
.pdf2. Машины для определения механических характеристик полимерных материалов
Для проведения механических испытаний должны использоваться испытательные машины и приборы, полностью отвечающие требованиям, установленным в стандартах на их испытания, и инструкциям Госстандарта, что удостоверяется свидетельством о государственной поверке.
По назначению аппаратура для механических испытаний пластмасс разделяется на следующие группы:
-разрывные и универсальные машины;
-приборы для испытаний на удар;
-приборы для определения твердости;
-машины и приборы для испытания на усталость;
-машины для испытания на длительную прочность, ползучесть и релаксацию;
-машины для испытания на трение и износ;
-приборы для термомеханических испытаний и определения хрупкости;
-приборы для определения динамического модуля и механических потерь;
-приборы для измерения деформаций.
Аппаратура должна иметь минимальную инерционность при установленных режимах испытаний. Инерционность оказывает влияние на способность аппаратуры достоверно фиксировать измеряемую величину при испытании.
2.1. Машины для статических испытаний
Для испытания полимерных материалов в лабораторных условиях используются машины и приборы которые по назначению
иобластям применения можно разделить на следующие группы:
1)машины для статических испытаний (например, различные типы разрывных машин);
2)машины для ударных испытаний (например, маятниковые копры).
2.1.1.Разрывная машина МР – 0,5
21
Устройство и принцип работы разрывной машины. Основными узлами машины являются механизмы силоизмерения, определения деформации образца, записи диаграммы "нагрузка-деформация" и приводной механизм (рис.7).
Механизм силоизмерения приводится в движение от электродвигателя. Крутящий момент электродвигателя передается на машинный вал через колесную и фрикционную передачи, преобразуется в поступательное движение штанги через испытуемый образец на механизм силовозбуждения. В конечном положении штанги происходит автоматическое выключение приводного механизма. На нижней коробке-ножке установлен каркас механизма силоизмерения, работающего по принципу самостоятельных рычажных весов. Силовозбуждающий рычаг кинематически связан с зажимным устройством. Растягивающая сила штанги передается на испытуемый образец, нижний конец которого закреплен в зажином устройстве. Под действием верхнего зажимного устройства силовозбуждающий рычаг отклоняется от вертикального положения, что фиксируется механизмом часового типа со стрелкой.
Механизм определения деформации образца. Абсолютное
удлинение образца l определяется при его испытании на разрыв путем замера изменения расстояния между верхним и нижним зажимными устройствами. Это изменение расстояния передается через роликоленточную систему и фрикцион на цилиндр со шкалой удлинения, на которой отсчитывается удлинение образца (в мм), происшедшее при растяжении его до разрыва. Интервал деления шкалы соответствует 1 мм удлинения образца.
22
Рис. 7. Кинематическая схема разрывной машины:
1 - электродвигатель; 2 - силовой редуктор; 3 - цилиндрические шестерни; 4 - вращающиеся винты; 5 - гайки подвижной траверсы; 6 - подвижная траверса; 7 - неподвижная траверса; 8 - поводок; 9 - рейка; 10 - шестерня реечной передачи; 11 - шкив; 12 - тросик; 13 - перо; 14 - барабан лентопротяжного механизма; 15 - редуктор масштаба записи; 16 – валик
Механизм записи диаграммы "нагрузка-деформация" состоит из самопишущего прибора, который соединен с силоизмерительным механизмом. На диаграмме в горизонтальном направлении наносятся силы растяжения, а в вертикальном - удлинение образца. Диаграмма дает возможность фиксировать все характерные предельные точки кривой σ-ε.
Приводной механизм. Работа разрывной машины осуществляется от электродвигателя через клиноременную передачу. От нее движение передается через фрикционную передачу на нижнее зажимное устройство с определенной
23
скоростью. Распределительная ручка служит для переключения приводного механизма на ход "вниз", "холостой" ход и ход "вверх". На ходу "вверх" нижнее зажимное устройство возвращается в свое исходное положение. Машина позволяет проводить испытание полимерных материалов на растяжение, сжатие, изгиб, срез.
Для вариации скорости нагружения машина снабжена специальным поворотным механизмом и диском, на который нанесены значения скоростей нагружения. Следует иметь в виду, что регулировать скорость нагружения можно только при включенном электродвигателе. Включение машины осуществляется поворотом выключателя.
Порядок работы на машине
1.Установить рулон диаграммной бумаги в самопишущий прибор (для установки рулона надо поднять крышку самопишущего прибора), закрепить подвеску на конце ленты.
2.В зависимости от вида испытания установить соответствующий силоизмеритель и захваты.
3.Установить нужный диапазон измерения нагрузки.
4.Настроить захваты на нужную длину образца, одновременно установить скорость деформации.
5.Настроить линейку на нужную деформацию.
6.Установить нужный масштаб записи деформации.
7.Заполнить перо чернилами и опустить его на бумагу.
8.Зажать образец в захватах, предварительно зафиксировав пассивный захват.
9.Освободить пассивный захват.
10.Установить стрелку шкалы нагрузок на нуль.
11.Включить электродвигатель и приступить к испытаниям.
Техническая характеристика разрывной машины МР-0,5: наибольшая предельная нагрузка – 5 кН (500 кгс); наименьшая предельная нагрузка – 5 Н (0,5 кгс); число диапазонов измерений нагрузки - 3;
допускаемая погрешность при нагружении ±1% от измеряемой нагрузки;
скорость рабочего хода - 5-88 мм/мин; потребляемая мощность - 1,0 кВт.
Меры безопасности при работе на разрывных машинах
24
1.Запрещается работать на машине лицам, не знакомым с инструкцией по эксплуатации.
2.Все ремонтные работы производить на отключенной от сети машине.
3.Запрещается работать на незаземленной машине.
4.Запрещается вынимать из зажимов нагруженный образец.
5.Запрещается работать на машине при открытой двери шкафа и открытом приводе.
6.Запрещается проводить испытания на машине с неисправной защитой от перегрузок и ограничением хода подвижной траверсы.
2.2. Машины для ударных испытаний
Машины для ударных испытаний можно разделить на две группы:
1)Однократным ударом (копры вертикальные, маятниковые и ротационные);
2)Многократным ударом.
Наиболее широкое применение находят маятниковые копры.
2.2.1. Маятниковый копер КМ-0,5
Устройство и принцип работы маятникового копра. Копер (рис.8) состоит из чугунного основания 12, на котором укреплены стойки 5 и 6. На стойках в шарикоподшипниках смонтирован маятник 11 со сменными молотами 10. На оси маятника жестко укреплено спусковое колесо 8, позволяющее с помощью крючка 7 устанавливать его в трех различных положениях в зависимости от запаса энергии маятника. Для спуска маятника на стойке имеется ручка 4. Падая, маятник на своем пути встречает образец 1, разрушает его и отклоняется дальше, увлекая за собой поводком 3 стрелку 2. При обратном ходе маятник следует остановить рукой.
Расстояние между опорами может изменяться и устанавливаться в зависимости от длины образца в пределах от 40 до 100 мм. Для установки образца с надрезом прибор снабжен специальным шаблоном.
Основной характеристикой копра является запас энергии, определяемой как произведение веса маятника на расстояние от оси
25
его качения до центра тяжести и центра удара. Маятник весом J, поднятый на определенный угол и имеющий высоту центра тяжести h будет обладать6 запасом энергии, равным Е. После свободного падения и встречи с образцом маятник, затратив на разрушение образца часть запаса энергии, поднимается на определенный угол, при котором его центр тяжести займет высоту h1. Закрепленный на оси маятника поводок при подъеме после разрушения образца поднимает стрелку на высоту, пропорциональную h1. Стрелка отмечает на шкале разность h-h1.
Работа, затраченная на разрушение образца, определяется как разность запасов энергии маятника до и после удара:
А = J (h − h1 ),
5
4 |
|
7 |
8
9
3
2
10
11
1 |
|
12 |
Рис. 8. Общий вид маятникового копра МК-0,5
Шкала прибора 9 проградуирована в кгс/см2, поэтому без дополнительных подсчетов по ней можно прочитать величину работы, затраченной на разрушение образца.
Техническая характеристика маятникового копра КМ-0,5: запас энергии - 0,9 Дж (0,09 кгс·м)
допускаемая погрешность показаний - ±4%
26
углы подъема маятника: наибольший - 160±2° наименьший - 74±2° скорость удара - 2,1 и 3,5 м/с
расстояние от оси качения маятника до центра удара - 328 мм расстояние между опорами - 40-100 мм
27
3. Лабораторные работы Работа №1. Определение разрушающего напряжения
при растяжении
Цель работы: изучение принципа работы разрывной машины, методики определения разрушающего напряжения при растяжении и относительного удлинения при разрыве.
Сущность метода. Метод основан на определении отношения нагрузки, при которой разрушился образец, к площади первоначального поперечного сечения образца и отношения приращения расчетной длины образца, измеренного в момент разрыва, к начальной расчетной длине. Испытания проводят согласно ГОСТ 11262-80.
Подготовка к испытанию. Для испытания применяют образцы типов 1-3. Тип образцов подбирается исходя из вида испытуемого материала. Тип образца, способ изготовления и скорость нагружения приведены в таблице 1.
Формы образцов показаны на рис.9, а их размеры (в мм) приведены в таблице 2.
Образцы должны иметь гладкую ровную поверхность, без вздутий, сколов, трещин, раковин и других видимых дефектов.
Перед испытанием образец кондиционируют не менее 16 ч по ГОСТ 12423—66 при температуре (23±2)°С и относительной влажности (50±5)%, измеряют его толщину и ширину в рабочей части не менее чем в трех точках и вычисляют площадь поперечного сечения образца. Образцы, у которых минимальное и максимальное значения толщины или ширины различаются более чем на 0,2 мм, не испытывают. Перед испытанием на образец наносят метки, ограничивающие расчетную длину образца при замере удлинения, длину рабочей части и положение кромок захватов.
Таблица 1. Типы образцов, способы изготовления и скорости нагружения для испытаний на растяжение
28
|
Тип |
Способ |
Скорость |
|
Материал |
нагружения, |
|||
образца |
изготовления |
|||
|
|
|
мм/мин |
|
|
|
Прессование, |
|
|
Эластичные |
|
экструзия, |
|
|
термопласты, |
|
литье под |
100 |
|
экструзионные и литьевые |
|
давлением |
||
1 |
200 (250) |
|||
компаунды (полиэтилен, |
ГОСТ 12019- |
|||
|
500 |
|||
пластифицированный |
|
66, |
||
|
|
|||
поливинилхлорид и т. п.) |
|
ГОСТ 12015- |
|
|
|
|
66 |
|
|
Твердые, литьевые |
|
Литье под |
|
|
термопласты, включая |
|
|
||
|
давлением, |
1 |
||
наполненные и |
|
|||
|
прессование - |
2 |
||
армированные |
|
|||
|
по ГОСТ |
5 |
||
компаунды, |
|
|||
2 |
12019-66, |
10 |
||
термореактивные |
||||
|
механическая |
20 (25) |
||
экструзионные массы, |
|
|||
|
обработка - по |
50 |
||
включая различные виды |
|
|||
|
ГОСТ 26277- |
100 |
||
промышленных, и |
|
|||
|
84 |
|
||
декоративных ламинатов |
|
|
||
|
|
|
||
Термореактивные |
|
|
|
|
пластмассы и составы, |
|
Прессование - |
|
|
наполненные |
|
|
||
|
по ГОСТ |
|
||
неорганическими |
|
|
||
|
12015-66, |
2 |
||
материалами, например, |
|
|||
3 |
механическая |
5 |
||
волокнами, матами, |
||||
|
обработка - по |
10 |
||
тканями. Усиленные |
|
|||
|
ГОСТ 26277- |
|
||
термопластичные |
|
|
||
|
84 |
|
||
материалы в виде плит, |
|
|
||
|
|
|
||
пластин |
|
|
|
Примечание. Пластичный материал считается твердым, если модуль, упругости его свыше 700 МПа при испытании на изгиб или свыше 1000 МПа при испытании на растяжение.
Вслучае отработки рецептуры материала, режимов переработки
ив научно-исследовательских работах рекомендуется применять
29
образцы типов 4 и 5 имеющие уменьшенные размеры (рис. 10). Формы и размеры образцов приведены в таблице 3.
Образцы типов 4 и 5 применяют для испытания термопластичных и термореактивных пластмасс.
Тип 1
d
b1
r
Тип 2
l1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l1 |
|
l2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l2 |
l3 |
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
l3 |
|
|
r |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
2 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
2 |
||
b |
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
l0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l0 |
|
|
Тип 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l0 |
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
Рис. 9. Типы образцов для испытания
Таблица 2. Размеры образцов, мм
Размеры образцов |
|
Типы образцов |
|
||
1 |
|
2 |
|
3 |
|
|
|
|
|||
Общая длина l1, не менее |
115 |
|
150 |
|
250 |
Расстояние между метками, |
|
|
|
|
|
определяющее положение кромок |
80±5 |
|
115±5 |
|
170±5 |
зажимов на образце, l2 |
|
|
|
|
|
Длина рабочей части l3 |
33±1 |
|
60±0,5 |
|
- |
Расчетная длина l0 |
25±1 |
|
50±0,5 |
|
50±1 |
Ширина головки b1 |
25±1 |
|
20±0,5 |
|
25±0,5 |
Ширина рабочей части b2 |
6±0,4 |
|
10±0,5 |
|
- |
Толщина d |
2±0,2 |
|
4±0,4 |
|
2±0,2 |
|
|
(от 1 |
|
(от 1до |
|
|
(от 1 до |
3) |
|
||
|
до10) |
|
6) |
||
|
|
|
|
||
Радиус закругления r, не менее |
25 |
|
60 |
|
- |
Примечание. Допускается применение образцов типа 2 и 3 толщиной менее 1 мм при изготовлении их из листовых материалов
30