Prezentare Florentina Final Xx

PARTICULARITĂŢI ALE COMPORTĂRII MATERIALELOR PLASTICE LA TRACŢIUNE

Absolvent: ing. Florentina Rotaru

Coordonator: prof. dr. ing. Lorena Deleanu

2013

Universitatea DUNĂREA DE JOS din GalaţiFacultatea de Mecanică

Master specializarea Modelare şi Simulare în Inigineria Mecanică

Cuprins

CAP. 1 Stadiul actual al cercetărilor privind comportarea la tracţiune al polimerilor

Cap. 2Curba efort–deformaţie la tracţiune

Materiale termorigide şi materiale termoplastice

Poliamida şi polibutilentereftalatul

Cap. 3 Testarea materialelor la tracţiune

Cap. 4 Teste efectuate la maşina de tracţiune pentru PA şi PBT

Cap.5 Concluzii

Bibliografie

Cap.1.O imagine de perspectivă a testelor pentru polimeri

Dezvoltarea materialelor plastice a început încă din anii 1930 și continua și astăzi. Primul patent pentru poliamide a fost obținut în 1931. Înaintea primului război mondial au fost dezvoltate rășinile acrilice precum și copolimerii bazați pe stiren (ABS) și politetrafluoroetilenă (PTFE).

O imagine de perspectivă a testelor pentru polimeriClasificarea compozitelor polimerice

Prima grupă - grupa "materialelor plastice de bază” polistirenul (PS), polietilena (PE), acrilonitril stirenul (SAN) şi policlorură de vinil (PVC).

A doua grupă - grupa materialelor plastice "intermediare":polimetil metacrilat (PMMA), poliolefinele, polipropilena (PP).

A treia grupă - materialele plastice tehnice generale: poliacetal (POM), poliamida (nylon, PA), policarbonat (PC), polibutadienă-tereftalat (PBT), polietilenă tereftalat (PET).

A patra grupă - materiale plastice tehnice avansate: fluoropolimeri, polieterimide (PEI), poliariletercetone (PAEK), poliimide (PI).

Cap.2 Curba efort–deformaţie la tracţiune

La deformaţii mici există un domeniu elastic, în timp ce pentru deformaţii mari există o relaţie neliniară între tensiune şi deformaţie şi o componentă permanentă a acesteia din urmă.

În absenţa oricărei informaţii particulare pentru un material plastic anume, deformaţiile din proiectare ar trebui în mod normal limitate la 1%. Valori mai mici (~0,5%) sunt recomandate pentru materiale termoplastice mai casante ,cum ar fi poliacrilicele, polistirenul, iar valori de 0,2…0,3% ar trebui folosite ca limite la materiale plastice termorigide.

Factorul Efectul asupra:

modului de elasticitate

ductilităţii

Reducerea temperaturii creşterea vitezei de deformare câmp de tensiuni multiaxial încorporarea de plastifianţi încorporarea de faze (materiale) tip cauciuc încorporarea de ranforsanţi (fibre de sticlă, de carbon etc.)

încorporarea de pulberi

o tendinţă pentru aproape toate materialele ca un modul de elasticitate mare să fie „însoţit” de o ductilitate redusă şi invers .

Curba efort–deformaţie la tracţiune

Teste pentru

materiale plastice

Teste pentru proprietăţi mecanice

Teste pentru proprietăţi

electrice

Teste pentru analiză

chimică şi structurală

Teste accelerate

pentru îmbătrânire


termice

Teste reologice


optice

Testarea la tracţiune a materialelor plastice - SR ISO 527 iar diferitele părţi ale standardului se referă la diferite tipuri de materiale plastice şi compozite ale acestora, cum ar fi materialele turnate şi extrudate, folii, compozite unidirecţionale sau cu fibre ortotrope, compozite de înaltă performanţă.

Proiectarea bazată pe modulul de elasticitate obţinut prin teste de scurtă durată nu va estima cu acurateţe comportarea materialelor polimerice pentru că acestea sunt materiale vâscoelastice, proprietăţile lor sunt sensibile la: viteza de deformare, durata solicitării, istoria solicitării, temperatură, şi ceea este mai greu de estimat este influenţa simultană a acestor factori asupra comportării lor.

Proprietăţi determinate din curba efort –deformaţie la tracţiune

La punctul de curgere se formează o gâtuire în zona continuă a epruvetei si deformaţia în zona gâtuită este diferită şi mult mai mare decât în regiunea negâtuită. Lanţurile polimerului în regiunea negâtuită sunt zone puternic ordonate la marginea zonei de gâtuire, ceea ce determină ca gâtuirea „să migreze” spre capetele de prindere ale epruvetei.

Curbe tipice de tensiune-deformaţie

Tensiunea la tracţiune pentru o deformare de x% - tensiunea la care deformarea atinge valoarea specificată, exprimată în procente. Poate fi măsurată dacă curba tensiune-deformaţie nu are un punct de curgere. În acest caz, x% trebuie definit prin standardul relevant sau printr-o înţelegere între părţi;


ISO 527 pentru teste la tracţiune (materiale plastice şi compozite):- lungimea de măsurat (a epruvetei) - viteza de testare - tensiunea de tracţiune - tensiunea de curgere la tracţiune - tensiunea la tracţiune la rupere - rezistenta la tracţiune - tensiunea la tracţiune pentru o deformare de x%- deformaţia la tracţiune- deformaţia la tracţiune la curgere- deformaţia la rupere la tracţiune - deformaţia la tensiune la tracţiune - deformaţia nominală la tracţiune- deformaţia nominală la rupere la tracţiune- deformaţia nominală la rezistenţa la tracţiune-modulul de elasticitate la tracţiune (modulul lui Young) -coeficientul lui Poisson

2.1Materiale termorigide şi termoplasice

Materiale termorigide (termoreactive) ,sunt materialele care se inmoaie prin incalzire,se deformeaza ,dar nu se topesc.Procesul este ireversibil ,adica la o reincalzire materialele nu se mai inmoaie ,deci nu se mai deformeaza prin incalzire excesiva aceste materiale se degradeaza.

Termorigidele au o comportare mai buna la caldura decat termoplastele si o sfera mai larga de utilizare.

Din astfel de materiale plastice se confectioneaza carcasele unor masini si aparate (de exemplu ,carcasa ciocanului electric de lipit,care nu se deformeaza sub actiunea caldurii produse in interior).

2.1Materiale termorigide şi termoplasice

Materiale termoplastice ,care se inmoaie sub actiunea caldurii si devin plastice (putandu-se modela in forme diferite) ,iar prin racire se intaresc ;acest proces este reversibil , adica materialele pot fi incalzite si remodelate de nenumarate ori ,fara a se degrada . Din acest motiv ,materialele termoplastice sunt reciclabile.

Reprezentative pentru aceasta categorie sunt: polietilena, polistirenul, policlorura de vinil(P.V.C), poliamida,

polietilentereftalatul.

O galeată, o sticlă, o cască de motociclist, o planşă de windsurfing sunt toate fabricate din diferite tipuri de plastic. Pentru fiecare obiect, trebuie ales materialul plastic care are calităţile cele mai potrivite: supleţe, rigidate, rezistenţă la şoc, elasticitate, transparenţă, greutate mică.

Tipuri de curbe tensiune - deformaţie la tracţiune, tipice materialelor polimerice (după Brown)


Modulul secant reprezintă valoarea modulului şi se calculează la o anumită valoarea a deformarii, 1% fiind cea mai comune pentru materialele rigide. Mulţi tehnologi nu preferă lucrul cu modulul secant din cauza incertitudinii corespunzatoare a unei tangente la tensiunea unei curbe tensiune-deformaţie găsită în practică

Determinarea modulului unui material termoplastic de tip neliniar

Despre polimerii testati

Poliamida

Poliamida (PA) are caracteristici favorabile unor aplicaţii mecanice, ceea ce o face utilă în anumite domenii industriale, cum ar fi: o tenacitate bună, rezistenţă bună la abraziune şi la degradare, o densitatea de 1,14 kg/m3, mai ales în regim uscat .Denumiri comerciale : Docamid, Duramid, Teramid, Metamid, Ertalon, Nylatron, Relamid, Tecamid, Zellamid, Nylon, Caprom

Proprietati:Bună rezistenţă la oboseală;Bune proprietăţi de amortizare mecanică;Buna rezistenţă la uzurăBun dielectricRezistenţă bună la radiaţii gamma şi radiaţii cu raze XPrelucrabilitate foarte bună.

Despre polimerii testatiPolibutilentereftalatul

Polibutilentereftalatul PBT), este o rășină sintetică înalt cristalină, produsă prin polimerizarea acidului butandiol și tereftalic.

Are o structură similară cu polietilen tereftalat (PET), diferența fiind la numărul de metilen (CH2).

Proprietățile mecanice ale celor două materiale sunt similare. PBT are un punct de topire mai mic (223°C) decât PET (255°C), astfel încât poate fi prelucrat la temperaturi mai scăzute. Această proprietate, combinată cu fluxul său excelent atunci când este topit și cristalizarea rapidă după răcire, face PBT potrivit pentru turnare prin injecție. Fie nemodificat, fie armat cu fibre de sticlă sau cu umpluturi minerale, PBT este folosit la piese de mașini, electrice și mici, datorită rezistenței electrice excelente, finisajului de suprafață și tenacităţii.

Capitolul 3. Testarea materialelor la tracţiune

Schema electromecanică mașinii de testare la tracțiune al unui dublu șurub.

Capitolul 3. Testarea materialelor la tracţiune

Epruveta

Capitolul 4. Teste efectuate la maşina de tracţiune

pentru PA şi PBT

Teste s-au desfăşurat cu ajutorul maşinii de încercat la tracţiune “M350 5AT Testometric” . - cu viteze de tracţiune diferite la 5 şi la 20 mm/min -în interval de măsurare 1...5 kN. -Controlul, înregistrarea si analiza datelor sistemului de testare se efectuează prin intermediul unui program de software WinTest.

Poliamidă

Teste desfăşurate conform procedurii din SR ISO 527v=5 mm/min

v=20 mm/min

PoliamidăTeste desfăşurate conform procedurii din SR ISO 527

Epruvete de poliamidă testate la viteza v=5[mm/min]

Epruvete din poliamidă testate la viteza v=20 [mm/min]

Poliamidă

Teste desfăşurate conform procedurii din SR ISO 527

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

10

20

30

40

50

60

70

80

90

PAtest 1

seng

s

ɛ

tens

iune

[MP

a]

Grafic prelucrat cu ajutorul datelor obţinute la maşina de tracţiune, în

programul Excel şi reprezintă primul test efectuat la

tracţiune pentru poliamidă la viteza v = 5[mm/min].

Seng-reprezintă tensiunea inginerească σeng=Aria/40

s-reprezintă tensiunea reală :

ε-reprezintă deformaţia relativă =ΔL/L0[mm/mm]

Polibutilentereftalat (PBT)Teste desfăşurate conform procedurii din SR ISO 527

Epruvete de polibutilentereftalat PBT testate la viteza v=5mm/min

Epruvete de plibutilentereftalat PBT testate la viteza v=20mm/min

4.1 Prelucrarea graficelor

Graficul celui de-al doilea test pentru polibutilentereftalat la viteza v=5.Grafic redat de calculatorul maşinii de tracţiune



PA 5 PA 20 PBT 5 PBT 200

200

400

600

800

1000

1200

Material

N/m

m²

Modulul lui YoungModulul lui Young

max min media

PA 5 1112,68 691,161 889,8

PA 20 1263,05 690,813 922,77

PBT 5 1848,12 858,791 1107,49

PBT 20 1586,86 793,802 1133,209


media 889,8 922,777 1107,496 1133,209

poz 222,88 340,274740,624

7 453,658

neg 198,63 231,964248,705

3 339,407În această figură se observă că valoarea cea mai mare o are

PBT-ul la viteza v=5 valoarea maximă este de 1848[ N/mm 2] .Modulul lui Young (E) este o măsură a rigidității a unui

material elastic și izotropic. El este, de asemenea, cunoscut și sub denumirea de modulul de elasticitate longitudinal. El este definit ca fiind raportul dintre tensiunea axiala și deformația axială în domeniul de valabilitate al Legii lui Hooke.



În tabelul de mai sus sunt prezentate valorile maxime , minime şi medii ale alungirii la curgere. Se observă că, dintre toate ,alungirea la curgere cea mai mare a avut-o poliamida la viteza de 20 [mm/min] cu o valoare de 21,825 [mm]. În grafic se observă ca PBT –ul este mai puţin de jumătate deformabil pentru solicitările mecanice.Valoarea alungirii pentru PBTdepinde foarte puţin de viteza maşinii. PA este mai sensibilă la viteza de deformare.



10

20

30

40

50

60

Material

N/m

m²

Tensiunea la curgere


Tensiunea la curgere [MPa]

max min media

PA 5 39,999 36,452 38,25

PA 20 42,443 41,066 41,83

PBT 5 50,882 46,501 48,61

PBT 20 55,38 51,228 52,95


media 38,25 41,836 48,6185 52,95

poz 1,74 0,607 2,2635 2,42

neg 1,807 0,77 2,1175 1,72

ConcluziiAceastă lucrare este inclusă în studiile de cercetare ale Centrului de Cercetare Mecanica şi tribologia Stratului Superficial de la Universitatea “Dunărea de Jos” din Galaţi, rezultatele fiind necesare în studii legate de compozite polimerice.Softul maşinii de încercat la tracţiune a permis calculul statistic al unor valori medii pentru: modulul de elasticitate longitudinal E, tensiunea normală maximă, alungirea la curgere, energia de rupere etc. Testele au fost efectuate conform familiei de standarde SR ISO 527.Pe baza valorilor determinate pentru proprietăţile la tracţiune, s-a stabilit că poliamida are o comportare mai plastică (se deformează mai uşor la tracţiune) comparativ cu PBT. De exemplu, alungirea la curgere a PA este de 3 ori mai mare decât a PBT, pentru ambele viteze de testare (5 mm/min şi 20 mm/min).

ConcluziiÎn privinţa energiei de rupere, PA are valori mai mari decât PBT, mai puţin sensibile la viteza de deformare, dar PBT este caracterizat printr-o diferenţiere mare a valorilor între cele două seturi de teste, cu 5 mm/min şi respectiv 20 mm/min. La viteza mai mare de deformare, PBT are o energie la rupere de 3 ori mai mică, ceea ce nu recomandă acest polimer pentru piese reyitente la şocuri.Modulul lui Young este mai puţin sensibil la viteza de deformmare pentru ambele materiale testate, dar PBT are valori mai mari, cu aproximativ 20% şi intervale de împrăştiere mai mari. De aceste aspecte trebuie să ţină seama proiectanţii. Tensiunea la curgere (valoare medie) este mai mare tot cu aproximativ 20% pentru PBT faţă de PA, iar valorile sunt foarte bine grupate în jurul valorii medii.

Bibliografie1. Brydson, J. A. 1999. Plastics materials. Butterworth-Heinemann. 2. Harper, C. A. 2002. Handbook of plastics, elastomers, and composites. McGraw-

Hill. 3. *** Mechanical Testing and evaluation, vol. 8, ASM International Handbook

Committee, 2000. 4. *** Materials Characterization vol. 10, ASM International Handbook Committee,

2000. 5. *** www.ensinger.com 6. Mark J. E., Physical Properties of Polymers Handbook, Second Edition, eISBN-13:

978-0-387-69002-5, Springer ScienceþBusiness Media, LLC, 2007 7. Besnea M.A.C., Studiul influenţei aditivilor asupra comportării mecanice şi tribologice

a compozitelor polimerice cu matrice polifenilen sulfură, Teză de doctorat, Universitatea „Dunărea de Jos”, Galaţi, 2011.

8. Brown J. (editor), Handbook of Polymer Testing: Physical Methods (Plastics Engineering), CRC Press, ISBN 978-0824701710, 1999.

9. Brown J., Handbook of Polymer Testing - Short-Term Mechanical Tests, Rapra Technology Limited, ISBN 1-85957-324-X, 2002.

10. Brydson J.A., Plastics Materials, 7th Edition, Butterworth-Heinemann, ISBN 0-7506-4132-0, 1999.

11. Crawford R.J., Plastics Engineering, 3rd Edition, Butterworth-Heinemann, Oxford, ISBN 0-7506-3764-1, 2002.

12. ASTM D638 - 10 Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics 13. *** Crastin PBT. Molding Guide, disponibil on-line:

http://www2.dupont.com/Plastics/en_US/assets/downloads/processing/cramge.pdf 14. SR EN ISO 527-1:2000 Materiale plastice. Determinarea proprietăţilor de tracţiune.

Partea 1: Principii generale 15. SR EN ISO 527-2:2000 Materiale plastice. Determinarea proprietăţilor de tracţiune.

Partea 2: Condiţii de încercare a materialelor plastice pentru injecţie şi extrudare 16. *** WinTest™ Analysis universal testing software, Help Version 1.0.3. 17. Elemente de plasticitate –Mocanu Florentina

Vă mulţumesc pentru atentia acordata!

Documents

Prezentare Florentina Final Xx