Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метод измерения физико-механических свойств полимерных материалов. Учебно-методическое пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
ЧЕЧЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Акаева М.М.
МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Учебно-методическое пособие
ГРОЗНЫЙ 2017
1
Печатается по решению Ученого совета
ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет»
протокол № 7 от 24.11.2016 г.
УДК 531
Рецензенты: Наскалова О.В., к.ф-м.н., доцент, кафедры
«Физическая электроника» Чеченского
государственного университета
Сайханов М.Б. к.ф-м.н., старший научный сотрудник
отдела физико-математических исследований КНИИ
им. Х.И. Ибрагимова Российской академии наук
Составитель: Акаева М.М., к.т.н., доцент кафедры «Теоретическая
физика» Чеченского государственного университета
Акаева М.М. Метод измерения физико-механических свойств
полимерных материалов. Учебно-методическое пособие. – Грозный:
Издательство ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет»,
2017. – 28 с.
В данном пособии рассматриваются ударные испытания по
методу Шарпи для полимерных материалов.
Рассмотренный метод, дает наиболее общий и физически
обоснованный подход к оценке объективных характеристик
полимерных материалов.
Предназначено для студентов высших учебных заведений,
изучающих дисциплину «Физика полимеров», «Физика и химия
полимеров».
© Акаева М.М., 2017
© ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет», 2017
2
Введение
Измерения физико-механических свойств полимерных
материалов – наиболее распространенная группа экспериментов в
научных исследованиях и инженерных приложениях, связанных с
полимерами. Они используются для сравнительной оценки материала,
как метод контроля технологического процесса, для определения
областей применения, прогнозировать долговечность данного
полимера, как способ характеристики строения вещества и для многих
других целей, выбор которых ограничен только конкретными
задачами производства.
В данной пособии рассматриваются ударные испытания по
методу Шарпи для полимерных материалов.
Рассмотренный метод, дает наиболее общий и физически
обоснованный подход к оценке объективных характеристик
полимерных материалов.
3
1. Диаграмма растяжения
Рассматривая механику твердого тела, мы пользовались
понятием абсолютно твердого тела. Однако в природе абсолютно
твердых тел нет, так как все реальные тела под действием сил
изменяют свою форму и размеры, т.е. деформируются.
В теории упругости доказывается, что все виды деформаций
(растяжение или сжатие, сдвиг, изгиб, кручение) могут быть сведены
к одновременно происходящим деформациям растяжения или сжатия
и сдвига.
Деформации твердых тел подчиняются закону Гука до известного
предела. Связь между деформацией и напряжением представляется в
виде диаграммы напряжений, качественный ход которой мы
рассмотрим для металлического образца (рис.1.). Из рисунка видно,
что линейная зависимость σ (ε), установленная Гуком, выполняется
лишь в очень узких пределах до так называемого предела
пропорциональности (σ
). При дальнейшем увеличении напряжения
п
деформация еще упругая (хотя зависимость σ (ε) уже нелинейна) и до
предела упругости (σ
) остаточные деформации не возникают. За
у
пределом упругости в теле возникают остаточные деформации и
график, описывающий возвращение тела в первоначальное состояние
после прекращения действия силы, изобразится не кривой ВО, а
параллельной ей — СF. Точка С на кривой предел текучести (σ
). В
т
области СD деформация возрастает без увеличения напряжения, т.е.
тело как бы «течет». Эта область называется областью текучести (или
областью пластических деформаций). При дальнейшем растяжении (за
точку D) происходит разрушение тела. Точка Е предел прочности (σ
р
).
Диаграмма напряжений для реальных твердых тел зависит от
различных факторов. Одно и то же твердое тело может при
кратковременном действии сил проявлять себя как хрупкое, а при
длительных, но слабых силах является текучим [1].
4
Рис. 1.
2. Изучение механических свойств полимеров в условиях
испытаний на удар по Шарпи
(высокоскоростной трехточечный изгиб)
Суть метода состоит в том, что исследуется механическое
поведение образцов полимерных материалов в условиях
высокоскоростного нагружения при испытаниях на трехточечный
изгиб. Известно, что поведение полимерных материалов в
квазистатических испытаниях (например, на одноосное растяжение) и
в испытаниях на и удар имеет и качественные, и количественные
отличия, которые определяются особенностями структуры полимеров.
В испытаниях на удар могут быть измерены следующие
характеристики деформационно-прочностного поведения полимеров:
ударная вязкость Ар, модуль упругости Е, напряжение σр и деформация
εр разрушения, напряжение σВ и деформация εВ вынужденной
эластичности.
Ударная вязкость Ар, кДж/м2 – интегральная энергетическая
5
характеристика ударной прочности – определяется как отношение
энергии, затраченной на разрушение образца, к площади его
поперечного сечения.
Модуль упругости Е, ГПа – мера жесткости полимерного
материала. В силу специфики структуры полимерных материалов
может иметь несколько определений.
Напряжение разрушения σр, МПа – силовая характеристика
прочности полимерного образца.
Напряжение σВ и деформация εВ вынужденной эластичности –
мера текучести (пластичности) полимера.
2.1. Объекты исследования
Выбор объектов исследований обусловлен следующими
критериями.
Во-первых, в учебном эксперименте должны быть использованы
материалы, представляющие различные классы полимеров. Во-
вторых, желательно, чтобы большинство из исследованных полимеров
было промышленного производства, т.е. многие их свойства
достаточно хорошо известны. Третье условие: эти материалы могут
быть в дальнейшем использованы как «модельные»: аморфные,
аморфно-кристаллические, жесткоцепные и т.д.
В качестве аморфных полимерных материалов могут быть
использованы: полиметилметакрилат (ПММА), пластифицированный
поливинилхлорид (ПВХ), поликарбонат на основе бисфенола А (ПК),
полистирол (ПС) и ряд жесткоцепных полиэфиров: полисульфон
(ПСФ), полиарилат на основе фенолфталеина (ПАР). В качестве
аморфно-кристаллических полимеров: политетрафторэтилен (ПТФЭ),
6
полибутилентерефталат (ПБТФ) полипропилен (ПП), полиэтилен
низкого (ПЭНД) и высокого (ПЭВД) давления, полиамид ПА-6.
Кроме полимеров, в испытаниях на удар для сравнения могут
быть использованы в качестве кристаллического вещества с
металлическими связями – алюминий и в качестве
низкомолекулярного аморфного материала с ионными связями –
силикатное стекло.
Образцы для испытаний на высокоскоростной трехточечный
изгиб ПТФЭ, ПММА и ПВХ можно изготовить на фрезерном станке
из листовых материалов промышленного производства (ТУ-6-05-663-
78, ГОСТ 15809-70 и ГОСТ 9639-71 соответственно) толщиной D,
равной толщине листа. Образцы ПК (марки "Lexan"), ПС (марки ПСМ
ГОСТ 20282-74), ПП, ПЭНД (ГОСТ 16338-77) ПЭВД (ГОСТ 16337-77),
полиарилата и полисульфона – прессованием из гранул. Режимы
прессования приведены в табл. 1.
Образцы из гранул ПЭТФ и ПА-6 (ОСТ-6-06-09-76) могут быть
также изготовлены литьем под давлением на термопласт-автомате при
температурах прессования 443 К и 400К соответственно.
В ударных испытаниях используются образцы как без надреза,
так и с острым и радиусным (закругленным) надрезами различной
глубины и радиуса основания. Надрезы выполняются строганием со
скоростью резания ~ 0,08 м/с резцами из инструментальной стали.
7
Полимер
Температура
прессования, К
Давление,
МПа
Полибутилентерефталат ПБТФ
493
5,5
Поликарбонат ПК
493
5,5
Полисульфон ПСФ
528
14,5
Полиарилат ПАр
593
14,5
Полистирол ПС
443
5,5
Полиэтилен ПЭ
448
5,5
Полипропилен ПП
468
5,5
Все прессованные образцы должны иметь размеры D×B×L =
4×6×50×10
Таблица 1
Режимы изготовления образцов для испытаний
на удар по Шарпи методом прямого прессования
−9
м3, что соответствует типоразмеру II образцов для
стандартных испытаний на удар по Шарпи.
Термостатирование при ударных испытаниях необходимо
осуществлять согласно методике, аналогичной описанной в работах
[2;3]. Образцы выдерживаются в парах жидкого азота или в
термошкафу таким образом, чтобы они медленно охлаждались или
нагревались до нужной температуры (не менее чем за 15 минут). После
этого образцы быстро переносят на маятниковый копер и
испытываются в течение времени не более 5 секунд.
2.2. Экспериментальная установка
Экспериментальная установка, с помощью которой проводятся
испытания на удар по Шарпи (высокоскоростной трехточечный
изгиб), представляет собой маятниковый копер ÜT-1/4, снабженный
пьезоэлектрическим датчиком нагрузки, сигнал с которого подается
непосредственно на запоминающий осциллограф модели C8-13 [4].
Такая установка позволяет проводить, кроме стандартных испытаний
для измерения ударной вязкости, испытания по Шарпи в широком
интервале скоростей деформации.
8
2
6
L
Dυ
=ε
•
Рис. 2 Общий вид установки для исследования ударной вязкости по Шарпи
Скорость деформации образца в испытаниях на
высокоскоростной трехточечный изгиб можно определить согласно
уравнению [5]:
, (1)
где υ – скорость ударника в момент контакта с образцом;
L - расстояние между опорами маятника (пролет);
D – толщина образца.
Варьируя величины υ (изменением угла подъема маятника), L и
D , можно варьировать скорость деформации в широких пределах.
Кроме энергии разрушения, описанная установка позволяет
получить диаграмму «нагрузка – время» (Р – t) и в разрушающих, и в
неразрушающих испытаниях на удар во всем используемом интервале
скоростей деформации и с ее помощью оценить и в ударных
испытаниях необходимые важнейшие параметры, характеризующие
механическую деформацию: модуль упругости Е, а также величину
напряжения σ и относительной деформации ε в любой точке
диаграммы вплоть до разрушения.
Для тарировки пьезоэлектрического датчика нагрузки могут быть
использованы показания самого инструментированного маятникового
9
копра: энергия разрушения образца Up и шкала времени до разрушения
2
1
t,
ms
W, В (Р, Н)
tp. Как известно [6], для хрупкого разрушения в условиях ударных
испытаний величина Up может быть выражена так:
Up =
P
δ, (2)
p
где Рр – нагрузка разрушения; δ – максимальный прогиб образца.
Уравнение (2) получено как следствие типичной для хрупкого
разрушения треугольной диаграммы «нагрузка – время» (P – t) или P
– δ (рис. 2). Величину δ можно определить из уравнений линейной
упругой механики разрушения (ЛУМР) [7]:
δ = υ⋅tp, (3)
Из уравнений (2) и (3) величину Рр можно определить
следующим образом:
Рис. 3. Осциллограмма «нагрузка – время» хрупкого разрушения
полимера в испытаниях на высокоскоростной трехточечный
изгиб по Шарпи
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]