Кратковременное механическое растяжение

Измерения при однократном кратковременном механическом воздействии являются наиболее массовыми техническими измерениями механических свойств пластмасс. К этой группе относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб, раздир, твердость и др., в ходе которых производится нагружение образца до разрушения или до заданного значения напряжения (деформации).

При растяжении определяют упругость, предел текучести, предел прочности при растяжении. Характеристикой упругости является модуль упругости при одноосном растяжении (модуль Юнга) Е_р, [Па]. Характеристикой предела текучести является s_т (для полимеров говорят о s_в.э. - пределе вынужденной эластичности).

Характеристикой прочности является предел прочности s_р - временное сопротивление разрушению при растяжении. Зависимость напряжения от деформации при различных температурах, скоростях нагружения выражается обычно в виде графиков. Причем, деформация обычно задается с некоторой постоянной скоростью. Испытательные машины, в которых корректируется режим деформирования по мере нагружения, применяются редко.

На рис. 1 приведены типичные виды графических зависимостей напряжения от деформации образцов, получаемые в процессе испытаний на растяжение.

Рис.1. Зависимости напряжения от деформации при растяжении термопластов (1), реактопластов и композитов (2).

Рис.2. Зависимость напряжения от деформации при разных скоростях растяжения v₁>v₂>v₃.

В ходе испытаний напряжение s и деформация d не измеряются непосредственно; получают зависимость нагрузки Р от смещения d_а = L-L_o, по которой рассчитывается s и d, критические значения s_т, s_р и d_р - oтносительное удлинение при разрыве. Величину s_р рассчитывают на исходное сечение образца А: s=Р/А, а деформацию - по отношению к величине базового размера образца до испытания L_o d=d_а/ Lo. Вид графиков показан на рис.1.

Наблюдаются два вида зависимостей - с пределом текучести (1) и без предела текучести (2). Показаны также схемы определения модуля упругости при растяжении Еp (а), секущего модуля Ер (б), условного предела текучести s_т (б). Другие обозначения: s_р - максимальное (разрывное) напряжение, d_т - относительное удлинение при пределе текучести, d_р - относительное удлинение при разрыве, d_макс - относительное удлинение при максимальном напряжении.

Измерения проводят при малых скоростях (менее 2 м/с), средних скоростях (менее 5 м/с) и при больших скоростях (более 5 м/с). Верхняя граница скоростей ограничена скоростью распространения упругих волн – в застеклованных полимерах около 1000 м/с и в эластомерах – около 10 м/м.

Когда нет явного предела текучести, определяют условный предел текучести графически, по точке пересечения зависимости s(d) с прямой, проведенной параллельно прямолинейному начальному участку и отсекающий на оси абсцисс участок удлинения, согласованный по НТД, а если нет, то при d=1% (или 0,5% для полимеров; для металлов 0,2%) (см. пунктир на рис.1)..

Преимущество испытаний при растяжении - простой способ достижения однородного поля деформаций в большом объеме. Типичные зависимости s(d) при разных скоростях нагружения V показаны на рис. 2 V1>V2>V3.

Типичные зависимости s(d) при разных температурах Т приведены на рис.3; если условия деформирования не выходят за пределы линейной вязкоупругости, то все зависимости могут быть обобщены. На рис.2 хотя и наблюдается заметное отличие в зависимостях s(d) от скорости растяжения, но это отличие заметно, когда скорости меняются на много порядков, например от 0,02 до 2000 мм/мин. Если же скорости меняются в пределах, указанных в стандарте, то результаты испытаний меняются ненамного.

Кроме обычных испытаний, проводят также ступенчатые испытания, когда один образец растягивают и затем выдерживают при заданной деформации. При этом находят зависимость s(t) и определяют равновесный модуль Е_¥. Величину Е_¥ измеряют для высокоэластических сшитых полимеров и используют для расчета плотности сетки химических связей или плотности сетки зацеплений.

Находят также изохронные зависимости s(d) по данным на ползучесть и откладывая против заданных напряжений деформации, достигнутые за время t. При этом получают зависимости s(d) при одном и том же времени нагружения.

Такие зависимости дают возможность определить область линейной вязкоупругости. Модуль упругости Ер находят по тангенсу угла наклона зависимости s(d) при d менее 0,5%. Если на зависимости s(d) нет предела текучести, то его находят по точке пересечения экспериментальной кривой s(d) с прямой, параллельной начальному участку и отсекающей величину заданной деформации (от 0,2% для металлов до 1% для полимеров). За характеристику прочности принимают s_р или s_макс. При испытаниях применяют образцы в виде лопаток прямоугольного сечения или гантелей (круглого сечения) (образцы типа 1 или 2, см. рис.4).

Толщина образцов - до 4 мм (желательно 2 мм), для образцов типа 2 допускается толщина до 10 мм.

Размеры могут быть уменьшены в 2 или 5 раз. Образцы типа 3 - полоски с небольшими отверстиями у концов для крепления в зажимах (применяются для композитов). Датчики деформации могут быть бесконтактные или контактные. В хороших современных

машинах датчик деформации индуктивный и крепится на образец. Деформация может также измеряться катетометром (оптическим уровнемером) или тензометром - зигзагообразная проволочка (тензометр) наклеивается на образец, в этом случае деформация измеряется по изменению электросопротивления проволочки при растяжении последней.

Выбор скорости деформирования осуществляется с учетом жесткости образца, скорости нарастания нагрузки и инерционности регистраторов силы.

Стандарт (ГОСТ 11262-80) требует, чтобы скорость деформации при испытаниях была указана в НТД на материал. Из числа рекомендуемых: для ПЭ, пластиката ПВХ 100,200 (или 250), 500 мм/мин (тип образца 1); твердые и литьевые термопласты, реактопласты, компаунды 1, 2,5,10,20 (или 25), 50,100 мм/мин (тип образца 2); волокнонаполненные реактопласты и ламинаты 2,5,10 мм/мин (тип образца 3).

Сжатие. Схема испытания образцов на сжатие показана на рис. Приспособление обеспечивает соосность приложение нагрузки. Определяют s_макс, s_сж., s_т - смещенный предел текучести при сжатии, предел пропорциональности и

секущий модульЕ_сж. Расчет s=Р/S, где S -исходное (начальное) поперечное сечение образца. Для материалов, которые не разрушаются при сжатии, определяют напряжение при заданной деформации, равной 25% (ГОСТ 4651-68). Деформацию определяют по изменению геометрических размеров образца: d=(Lo-L)/Lo, определяют d_т, d_сж.

Для повышения точности для испытаний требуется брать образцы с определенной гибкостью l=h/R_и, где h- высота и R_и -наименьший радиус инерции. R_и для образца в виде параллелепипеда с квадратным основанием равен 0,289а (а-наименьший размер основания), для цилиндрического образца R_и=0,25D (D-диаметр основания). Таким образом, отношение высоты h к наименьшему размеру основания параллелепипеда =0,289l, а у цилиндра =0,25l. Выбор l зависит от модуля упругости материала: если Еу>109 Па, то принимают l=10, а при Еу<109 принимают l=6. При определении модуля упругости и смещенного модуля текучести нужно, чтобы l=10...15.

Стандартные образцы: в виде параллелепипеда 10х10х15 или 10х10х30. Или в виде цилиндра диаметром 10 мм и высотой 15 мм или высотой 30 мм и диаметром 12 мм. Для сжимающих площадок требуется использовать закаленные стали, площадки должны быть параллельны друг-другу (отклонение не более 0,03 мм. Скорость сжатия v (мм/мин) = 0,03h (мм) или 2 ± 1 мм/мин.

Изгиб. На изгиб испытывают хрупкие материалы с целью определения деформационно-прочностных характеристик. Изгиб может быть трехточечным и четырехточечным.

4-х точечный метод используется, когда образец интенсивно разрушается под влиянием нагружающего наконечника. Расчет прогиба

D=L²d/6h - трехточечный изгиб

D=0,21dL²/h - 4-х точечный изгиб.

d- деформация растяжения; h-толщина образца, L -расстояние между опорами.

Напряжение равно s=3РL/(2bh²).

Рис.5. Схема испытаний при изгибе. А - трехточечный изгиб, В - четырехточечный

изгиб.

Значения деформации в относительных единицах могут быть рассчитаны: d=6Dh/L². Здесь s-напряжение посередине образца, Р-нагрузка, L-расстояние между опорами, b-ширина образца, h-толщина образца. Модуль упругости при изгибе:

Еи=mL³/(4bh³),

где m=Р/D - тангенс угла наклона касательной к кривой нагрузка-деформация (прогиб)

(сила/смещение, Н/м). Для испытаний используют образцы, вырезанные из листов L=20h b=10.. 25 мм для гомогенных материалов и 20..50 мм для материалов с грубым наполнителем. Расстояние между опорами L=15-17 h. Скорость движения нагружающего наконечника (мм/мин)=h(мм)/2. Стандартные образцы 80х10х4 мм, скорость 2 ±0,5 мм/мин. Испытывают фено- и аминопласты, слоистые пластики, высокомодульные материалы, которые трудно закрепить в зажимах и которые крошатся при испытаниях на сжатие.

Сдвиг. Испытания на сдвиг проводят для труб. Определяют условный (смещенный) предел текучести sт и разрушающее напряжение при сдвиге tр при смещении 2% или же смещение оговаривается в ТУ. Значение tр определяют при разрушении или при появлении трещины. Деформацию сдвига определяют как произведение относительного угла закручивания на радиус образца. Относительную деформацию сдвига e определяют как отношение деформации сдвига к базе измерения L по формуле

e=rj/L,

база

j- угол закручивания, r-радиус образца.

Образец закрепляют без проскальзывания и закручивают со скоростью такой, чтобы испытание длилось не менее 1 мин. (скорость выбирают из ряда 0,002, 0,005, 0,01, 0,02, 0,05, 0,1 об/мин). Регистрируют крутящий момент М и деформацию образца. Разрушающее напряжение при сдвиге:

t_р=М/(2pr_ср²d)

М-крутящий момент в точке измерения, r_ср- средний радиус образца в рабочей части r_ср=(r_o+r_i)/2. r_o и r_i — наружный и внутренний радиусы образца в рабочей части. d-толщина стенки рабочей части.

Стандартный образец имеет длину 250 мм, длину рабочей части 120 мм, 2r_o=30 мм и 2r_i = 34 мм. (для образцов с модулем упругости менее 1 Гпа.)

Раздир.

Раздир характеризует поведение материалов в условиях концентрации напряжений. Метод разработан для пленок, листов, иногда применяется и для блочных образцов. Есть метод на определение энергии, затрачиваемой на раздир при растяжении. На рис. показан образец и график зависимости нагрузки от времени при раздиое.

Размер образца 2,5х?.% см, длина надреза 5 см.

Для одних материалов сила раздира примерно постоянна, для других она постоянно растет. В первом случае работа разрушения, отнесенная к единице

F F

е е

площади новообразованной поверхности Н=2F/h, где F - усилие и h - толщина образца. За величину усилия принимают среднее арифметическое 10 измерений. Во втором случае отмечают F начальное в начале раздира и F максимальное. Затем находят среднее арифметическое этих двух значений. Иногда используют образцы в виде полудиска с надрезом. Определяют потерю энергии маятниковым копром при ударном раздери (АСТМ D1922-67 и D1004-66).

Раскалывание. Для слоистых пластиков стандартизован метод раскалывания (см. схему ниже.

Иногда делают прорезь на образце и определяют максимальную нагрузку. Можно рассчитать работу образования новой поверхности

g=(Fd/w)(K/4L)

60°

Где F-максимальное усилие, при которой начинает расти трещина, d- прогиб образца в момент роста трещины, L-длина трещины, w- ширина трещины, К- экспериментальная константа (K<3). Значения К находят по тангенсу угла наклона прямой в координатах lg(F/d) - lg(L).