TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Studijní program M231 Strojní inženýrství Strojírenská technologie zaměření tváření kovů a plastů Katedra strojírenské technologie Oddělení tváření kovů a plastů Hodnocení vlastností plastů tahovou zkouškou s cyklickým zatížením Martin Brádle KSP TP 814 Vedoucí diplomové práce: Konzultant diplomové práce: prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld Ing. Pavel Solfronk, Ph.D. Rozsah práce a příloh: Počet stran: 81 Počet tabulek: 11 Počet příloh: 27 Počet obrázků: 89 Datum: 5. 6. 29
ORIGINÁLNÍ ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE
ANOTACE TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra strojírenské technologie Oddělení tváření kovů a plastů Studijní program: Diplomant: Téma práce: M231 Strojní inženýrství Martin Brádle Hodnocení vlastností plastů tahovou zkouškou s cyklickým zatížením The evaluation of plastics properties by a tensile test with cyclic load Číslo DP: KSP TP 814 Vedoucí DP: Konzultant: prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld Ing. Pavel Solfronk, Ph.D. Abstrakt: Diplomová práce se zabývá hodnocením vlastností plastů tahovou zkouškou s cyklickým zatížením. Jejím cílem je, na základě získaných výsledků, doporučení vhodných materiálů pro použití v praxi. Práce je rozdělena na část teoretickou, experimentální a vyhodnocení a diskusi výsledků. Teoretická část se věnuje seznámení s problematikou chování plastů při provádění zkoušek Obsahem experimentální části je provedení potřebných zkoušek pro získání výsledků, které jsou zapotřebí k vyhodocení vlastností jednotlivých materiálů. Abstract: The thesis is concerned with the evaluation of plastics properties by a tensile test with cyclic load. Its objective is the recommendation of suitable materials for the practical use on the basis of gained results. The thesis is devided into the theoretical part, the experimental part and the evaluation and discussion of the results. The theoretical part is concerned with the identification with the behaviour of plastics during a testing. The content of the experimental part is the implementaion of necessary tests for obtaining the results needed for the evaluation of properties of the materials.
Místopřísežné prohlášení: Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury. V Liberci, 5. června 29... Martin Brádle Hořická 27 57 58 Mlázovice
Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval především vedoucímu diplomové práce prof. Dr. Ing. Petru Lenfeldovi a konzultantovi Ing. Pavlu Solfronkovi, Ph.D. za odborné vedení a cenné rady a připomínky při zpracování diplomové práce. Dále bych chtěl poděkovat své rodině za podporu během celého mého studia.
OBSAH SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ... 8 1 ÚVOD... 1 2 TEORETICKÁ ČÁST... 11 2.1 Historie polymerů a jejich zpracovatelské vlastnosti... 11 2.2 Příprava polymerů... 12 2.3 Rozdělení plastů... 12 2.3.1 Dělení plastů podle použití... 13 2.3.2 Rozdělení plastů podle působení teploty... 13 2.3.3 Dělení plastů podle nadmolekulární struktury... 14 2.3.4 Dělení plastů podle druhu přísad... 16 2.4 Molekulární struktura plastů... 16 2.4.1 Druhy polymerních makromolekul... 17 2.5 Vliv struktury a morfologie na průvodní a následné jevy... 18 2.5.1 Smrštění... 18 2.5.2 Orientace makromolekul... 18 2.5.3 Orientace plniva... 19 2.5.4 Krystalizace... 19 2.6 Termodynamické vlastnosti plastů... 2 2.6.1 Vliv teploty na chování amorfních plastů... 2 2.6.2 Vliv teploty na chování semikrystalických plastů... 22 2.7 Viskoelastické chování polymerů... 24 2.7.1 Ideálně pružné těleso... 24 2.7.2 Ideálně viskózní kapalina... 25 2.7.3 Tucketův model... 26 2.7.4 Relaxace napětí... 28 2.8 Mechanické vlastnosti plastů... 3 2.8.1 Deformační křivky polymerů... 3 2.8.2 Mez pevnosti... 31 2.9 Způsoby namáhání zkušebních těles... 32 2.9.1 Statické namáhání... 32 Obsah - 6 - Martin Brádle
2.9.1.1 Tahová zkouška... 32 2.9.2 Dynamické namáhání... 35 3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST... 38 3.1 Charakteristika společnosti WITTE Automotive... 38 3.2 Podstata experimentální části... 39 3.3 Výroba zkušebních těles... 4 3.4 Provedení tahové zkoušky... 41 3.4.1 Zkušební zařízení... 41 3.4.2 Zkušební tělesa... 42 3.4.3 Podmínky a postup zkoušky... 43 3.4.4 Druhy zkoušených materiálů... 43 3.4.5 Vyhodnocení tahové zkoušky... 48 3.5 Provedení cyklického zatěžování... 49 3.5.1 Zkušební zařízení... 5 3.5.2 Podmínky a postup zkoušky... 5 3.5.3 Vyhodnocení cyklického zatěžování... 51 3.5.3.1 Materiál POM... 51 3.5.3.2 Materiál PC... 55 3.5.3.3 Materiál PBT... 57 3.5.3.4 Materiál PA6... 6 3.5.3.5 Materiál PA6.6... 64 3.5.3.6 Materiál PP... 69 3.5.3.7 Materiál PBT/ASA... 72 3.5.3.8 Materiál PC/ABS... 75 4 VYHODNOCENÍ A DISKUSE VÝSLEDKŮ... 78 5 ZÁVĚR... 79 SEZNAM LITERATURY... 8 SEZNAM PŘÍLOH... 81 Obsah - 7 - Martin Brádle
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ Zkratka: Význam: atd. a tak dále č. číslo GF skelná vlákna obr. obrázek např. například PA6 polyamid 6 PA6.6 polyamid 6.6 PBT polybutyléntereftalát PBT/ASA směs polybutyléntereftalát a akrylonitril-styrén-akrylát PC polykarbonát PC/ABS směs polykarbonát a akrylonitril-butadién styrén POM polyoximetylén PP polypropylén tab. tabulka tj. to je TUL Technická univerzita v Liberci Symbol: E F f G N L L Význam [Jednotka]: modul pružnosti v tahu [MPa] zatěžující síla [N] frekvence [Hz] modul pružnosti ve smyku [MPa] počet cyklů počáteční měřená délka zkušebního tělesa [mm] zvětšení délky zkušebního tělesa mezi značkami vyznačujícími počáteční měřenou délku [mm] So plocha počátečního příčného průřezu zkušebního tělěsa [mm 2 ] T Tf Tg termodynamická teplota [ C] teplota viskózního toku [ C] teplota zeskelnění [ C] Seznam použitých zkratek a symbolů - 8 - Martin Brádle
Tm F σ teplota tání [ C] zatěžující síla [N] tahové napětí [MPa] ε poměrné prodloužení [-] τ η dγ dt σ yh σ yd σ C σ m σ A σ h smykové napětí [MPa] dynamická viskozita [Pa.s] rychlost smykové deformace [m.s -1 ] horní mez kluzu [MPa] dolní mez kluzu [MPa] mez únavy [MPa] střední napětí kmitu [MPa] mezní výkmit napětí [MPa] horní napětí kmitu [MPa] γ c celková deformace [-] γ 1 elastická deformace [-] γ 2 zpožděně elastická deformace [-] γ 3 plastická deformace [-] Seznam použitých zkratek a symbolů - 9 - Martin Brádle
1 ÚVOD Lidská civilizace prošla během svého vývoje několika obdobími, které přinesly řadu převratných objevů. Jedním z nich je i objev nového materiálu plastu. Největší rozvoj zaznamenaly plasty ve 2. století. V počátcích vývoje byly plasty používány jen v nenáročných aplikacích, jako jsou hračky nebo doplňky pro domácnost. Později se ale plasty začaly prosazovat také v náročnějších odvětvích, jako je strojírenství, elektronika automobilový průmysl a další. Dnes se plasty právem řadí mezi moderní konstrukční materiály. V současné době jsou vlastnosti výrobků z plastů natolik dokonalé, že v řadě oborů nahradily a dokonce i předčily výrobky z tradičních a lidstvem dlouhá staletí používaných materiálů, jako je ocel, sklo, keramika či dřevo. Své postavení si plasty získaly především díky dobré zpracovatelnosti a malé měrné hmotnosti. Různorodost jednotlivých druhů plastů nabízí širokou škálu vlastností. Je tedy nutné vždy zvolit plast s takovou kombinací vlastností, která bude pro dané použití optimální. Cílem diplomové práce je hodnocení chování různých druhů plastů při cyklickém způsobu zatěžování a na základě výsledků měření rozhodnutí o vhodnosti jejich použití v praxi na vybrané aplikace. Vlastní hodnocení chování plastů bude provedeno tahovou zkouškou s přidaným modulem pro cyklické zatížení vzorků. Nezbytnou součástí experimentu bylo zhotovení zkušebních těles potřebných pro provedení měření. Samotné měření probíhalo za předem dohodnutých podmínek se zadavatelem diplomové práce firmou WITTE Automotive Nejdek. Úvod - 1 - Martin Brádle
2 TEORETICKÁ ČÁST 2.1 Historie polymerů a jejich zpracovatelské vlastnosti [1], [8] Během historického vývoje můžeme zaznamenat několik významných období spojených z rozvojem plastů. Již ve 12. století byl v Anglii založen Cech zpracování rohoviny. Tvarovaná rohovina se používala jako výplně oken nebo luceren. V 15. století byly objeveny vlastnosti kaučuku. Dalším mezníkem je 19. století, kdy byl objeven první skutečný plast zvaný celuloid, což je roztok nitrátu celulózy a kafr a byla jím nahrazena drahá slonovina používaná na výrobu kulečníkových koulí. Skutečným rozvojem prošly plasty až v průběhu 2. století a lze jej rozdělit do tří etap. První polovina 2. století je charakteristická intenzívním výzkumem chemických látek a chemických reakcí vedoucích k výrobě nových druhů plastů jako například polystyren, polyamid, polyetylén, polypropylén nebo polykarbonát. V dalším období, tedy po válce až do 8. let 2. století, probíhal především výzkum vlastností již objevených plastů a jejich aplikace, přesto i v tomto období vznikla nová skupina polymerních materiálů jako polyimid, plysulfon nebo aramidová vlákna. Současně se plasty začaly využívat i pro náročné aplikace. Postupně přestávají jednotlivé plasty stačit tempu vývoje techniky a od 8. let 2. století až do současnosti a se intenzivně hledají materiály, které by kombinovaly vlastnosti již objevených plastů. Objevují se polymerní směsi, které se dnes používají ve všech odvětvích. Pro konstrukční aplikace jsou vyvíjeny kompozitní materiály a dochází tak k dalšímu zdokonalení vlastností plastů. Od 9. let 2. století dochází také k přípravě tzv. blendů neboli plastů na míru. Počátek 21. století je ve znamení vývoje polymerních nanomateriálů a inteligentních polymerů. V současné době existuje na trhu plastů několik tisíc různých druhů plastů. V technické praxi však výrazné uplatnění má jen několik desítek druhů plastů. Z celkového objemu světové produkce plastů představuje skoro 8 % jen šest druhů plastů a 7 % výroby jen tři druhy, a to polyolefíny, styrénové hmoty a polyvinylchlorid. Sortiment termoplastů se stále rozšiřuje, a to v podstatě dvěma způsoby. Jde jednak o výrobu stále nových polymerů a jednak dochází k modifikaci Teoretická část - 11 - Martin Brádle
dosavadních polymerů. Při volbě materiálu je třeba vedle vlastností a ceny hmoty vzít v úvahu i jeho zpracovatelnost, která výrazně ovlivňuje mechanické a fyzikální vlastnosti konečného výrobku, ale i technologické podmínky, konstrukční řešení nástroje a volbu stroje. Vlastnosti a odolnost polymerů jsou v podstatě dány jejich chemickou a fyzikální strukturou, ale mohou být do značné míry ovlivněny i zpracovatelským procesem. Mezi hlavní přednosti plastů patří nízká měrná hmotnost, výborné zpracovatelské vlastnosti, plasty jsou elektrické izolanty, mají výbornou korozní odolnost, tlumí rázy a chvění, atd. Nevýhodou jsou změny mechanických vlastností v důsledku změn teploty, časová závislost vlastností při mechanickém namáhání, kríp, ekologická zatížitelnost, apod. 2.2 Příprava polymerů [1], [2] Synteticky připravované makromolekulární látky vznikají polyreakcemi. Existují tři základní druhy polyreakcí: polymerace, polykondenzace a polyadice. Jedná se v podstatě o velmi jednoduché chemické reakce, které se mnohokrát opakují, takže původní nízkomolekulární sloučenina monomér přechází ve vysokomolekulární látku zvanou polymer. Plastem se polymer stává poté, co ho smícháme a smísíme s nezbytnými přísadami a převedeme do formy vhodné k dalšímu technologickému zpracování, např. do formy granulí, prášků, tablet, apod. 2.3 Rozdělení plastů [1], [2] Plasty můžeme členit podle různých hledisek. V následujícím textu uvedu dělení podle kritérií, která jsou obecně nejužívanější. Teoretická část - 12 - Martin Brádle
2.3.1 Dělení plastů podle použití Podle aplikace a konstrukční složitosti vyráběných dílů lze plasty rozdělit na: plasty pro široké použití, kam lze zařadit polyolefiny (PE, PP), polystyrénové hmoty (PS), polyvinylchlorid (PVC), fenolformaldehydové (PF) a močovinoformaldehydové hmoty (UF), plasty pro inženýrské aplikace, mezi které patří polyamidy (PA), polykarbonáty (PC), polyoximetylén (POM), polymetylmetakrylát (PMMA), terpolymer ABS, polyfenilénoxid (PPO), polyuretan (PU), epoxidové (EP) a polyesterové (UP) pryskyřice, plasty pro špičkové aplikace, do kterých lze zařadit polysulfon (PSU), polyfenylénsulfid (PPS), tetrafluoretylén (PTFE), polyimidy (PI) a další. 2.3.2 Rozdělení plastů podle působení teploty Podle působení teploty plasty rozdělujeme na: termoplasty, které zahříváním přecházejí do plastického stavu a následně je lze snadno tvářet do požadovaného tvaru a zpracovávat různými technologiemi. Po zpětném ochlazení pod určitou teplotu, která je typická pro každý druh plastu, přejde zpět do pevného stavu. Při zahřívání dochází pouze ke změnám fyzikální povahy, chemická struktura plastu se nemění, proto lze plastikaci plastu opakovat teoreticky bez omezení. Prakticky však nikoliv, protože plast postupně, působením především vzdušného kyslíku, degraduje. K termoplastům patří většina zpracovávaných hmot, jako je polyethylen (PE), polypropylen (PP), polystyren (PS), polyvinylchlorid (PVC), polyamid (PA), atd. reaktoplasty, které také v první fázi zahřívání měknou a je možné je tvářet, ale jen omezenou dobu, protože zahříváním dochází k chemické reakci a výsledkem je prostorově zesíťovaná struktura. Tento proces se nazává vytvrzování a je nevratný. Vytvrzenou hmotu již nelze znovu ani roztavit ani rozpustit v rozpouštědlech. Jednotlivé úseky makromolekul jsou hustě propojeny vazbami tak, že celý výrobek lze považovat za jednu velkou Teoretická část - 13 - Martin Brádle
makromolekulu. Patří sem fenolformaldehydové hmoty, epoxidové pryskyřice, polyesterové hmoty, apod. kaučuky, pryže a elastomery, které rovněž v první fázi zahřívání měknou a lze je tvářet, avšak jen omezenou dobu. Během dalšího zahřívání dochází k chemické reakci prostorovému zesíťování struktury, probíhá tzv. vulkanizace. U elastomerů na bázi termoplastů nedochází ke změnám chemické struktury, probíhá zde pouze fyzikální děj. Obr. 2.1 : Struktura polymerů 2.3.3 Dělení plastů podle nadmolekulární struktury Podle nadmolekulární struktury lze plasty dělit na: amorfní plasty, kde makromolekuly zaujímají zcela náhodilou pozici, řetězce jsou v prostoru nepravidelně zkrouceny a navzájem propleteny. Základním morfologickým útvarem jsou globule o velikosti 1 3 nm, které jsou tvořeny z chaoticky stočených makromolekul. Globule představuje nejnižší stupeň uspořádání amorfního plastu. Mohou se i poněkud pravidelně vedle sebe rovnat, stále se ale jedná o neuspořádaný stav. Vyšší formou uspořádanosti jsou svazky, což jsou mírně rozvinuté paralelně sdružené makromolekuly. Amorfní plasty jsou za normální teploty charakteristické tvrdostí, křehkostí, vysokou pevností, modulem pružnosti a vzhledem Teoretická část - 14 - Martin Brádle
k nízkému indexu lomu jsou čiré a průhledné. Patří sem např. PS, PMMA, PC, apod. Použitelnost amorfních polymerů je do teploty zeskelnění T g globula uspořádání globul svazek Obr. 2.2: Nadmolekulární struktura amorfních plastů semikrystalické plasty, které vykazují určitý stupeň uspořádanosti. Ten se označuje jako stupeň krystalinity, který vyjadřuje relativní podíl uspořádaných oblastí uložených mezi oblastmi amorfními. Základním morfologickým útvarem je lamela složená z jednotlivých proužků, přičemž jeden proužek odpovídá jedné makromolekule. Obdobným útvarem je fibrila, která vzniká za stejných podmínek jako lamela, ale navíc je potřeba spolupůsobení napětí, např. při vytlačování. Pokud se budou vznikající lamely deformovat do spirály, budou vznikat další složitější útvary zvané sférolity. Semikrystalické plasty jsou za normální teploty mléčně zakalené, index lomu je větší a jsou charakterizovány houževnatostí, pevnost a modul pružnosti roste se stupněm krystalinity. Patří sem PE, PP, PA, PTFE, POM, atd. Použitelnost semikrystalických plastů je do teploty tání T m. proužek lamela fibrila Sférolitická struktura semikrystalických termoplastů Obr. 2.3: Nadmolekulární struktura krystalických plastů Teoretická část - 15 - Martin Brádle
2.3.4 Dělení plastů podle druhu přísad Podle druhu přísad plasty dělíme na: neplněné, u kterých množství přísad neovlivňuje vlastnosti polymerní matrice plněné, kde plnivo ovlivňuje mechanické a fyzikální vlastnosti plastu. Makromolekulární látka, která plní funkci pojiva určuje základní vlastnosti výsledné hmoty. Přísadou mohou být plniva, stabilizátory, barviva, maziva, změkčovadla, tvrdidla, iniciátory, retardéry hoření, nadouvadla, apod. Obr. 2.4: Struktura plastu plněného skelnými vlákny (vlevo špatná adheze mezi plnivem a matricí, vpravo dobrá adheze) 2.4 Molekulární struktura plastů [1], [2] Plasty jsou obecně makromolekulární látky o molekulové hmotnosti vyšší jak 1 4 a z chemického hlediska jsou to látky organické. Základem polymerů je makromolekulární látka přírodního nebo syntetického původu, která je tvářitelná za působení teploty a tlaku a v jejíž makromolekule se jako článek řetězu mnohokrát opakuje základní monomerní jednotka. Základním stavebním prvkem řetězce je atom uhlíku. Uhlíkové atomy mají dobrou schopnost vzájemně se vázat a vytvářet dlouhé řetězce. Teoretická část - 16 - Martin Brádle
2.4.1 Druhy polymerních makromolekul Rozlišujeme tři druhy polymerních makromolekul: a) lineární makromolekuly vznikají tak, že se monomerní molekuly řadí jedna vedle druhé a snaží se zaujmout takový tvar, kterému přísluší maximální entropie. Lineární makromolekuly se mohou z prostorových důvodů více přiblížit jedna ke druhé a vyplnit tak kompaktnější prostor. Polymery potom mají vyšší hustotu (např. vysokohustotní polyethylen HDPE). Lineární makromolekuly také snáze vytvářejí prostorově pravidelné shluky krystalických struktur, takže tyto polymery mají vyšší obsah krystalických podílů. Plasty s lineárními makromolekulami jsou obvykle dobře rozpustné a tavitelné (dobrá pohyblivost makromolekul), v tuhém stavu se vyznačují houževnatostí a ve formě tavenin dobrou zpracovatelností. Tento tvar makromolekul je typický pro termoplasty. b) rozvětvené makromolekuly se vyznačují tím, že mají na základním řetězci boční větve. Vliv rozvětvení na vlastnosti závisí na velikosti bočních řetězců a na jejich množství. Rozvětvené makromolekuly se na rozdíl od lineárních makromolekul nemohou v důsledku bočních větví jedna ke druhé dostatečně přiblížit. Proto se vyznačují nižší hodnotou hustoty (např. nízkohustotní polyethylen LDPE). Uspořádanost jejich shluků je nízká a proto hůře krystalizují a mají nižší stupeň krystalinity. Rozvětvení zhoršuje i pohyblivost makromolekul a tedy i tekutost v roztaveném stavu. Boční řetězce, které způsobují oddálení sousedních makromolekul, mají za následek pokles mezimolekulárních sil a tím zhoršení většiny mechanických vlastností. Rozvětvené makromolekuly jsou charakteristické rovněž pro termoplasty. c) zesíťované makromolekuly mají několik přímých nebo rozvětvených makromolekulárních řetězců mezi sebou propojených vazbami, takže vytvářejí jednu téměř nekonečnou makromolekulu, tzv. prostorovou síť. Takováto síť vede ke ztrátě tavitelnosti a rozpustnosti polymeru. Polymery vykazují vysokou tvrdost, tuhost a odolnost proti zvýšené teplotě, naproti tomu mají nízkou odolnost proti rázovému namáhání. Vyšší hustota sítí je typická pro reaktoplasty a naopak nízká hustota sítí je charakteristická pro elastomerní kaučukovité polymery. Teoretická část - 17 - Martin Brádle
2.5 Vliv struktury a morfologie na průvodní a následné jevy [3] V diplomové práci podrobuji zkouškám materiály s různým obsahem plniva. Obsah plniv stejně jako technologické podmínky vstřikovacího procesu mají podstatný vliv na strukturu a morfologii plastů, a tím i na vlastnosti výrobků. Týká se to zejména smrštění, orientace makromolekul a plniv a krystalizace. 2.5.1 Smrštění Smrštění lze definovat jako změnu rozměrů výrobku oproti rozměrům tvarové dutiny formy v jednotlivých směrech na výrobku, které je ovlivněno technologickými podmínkami. Celkovou hodnotu smrštění můžeme rozdělit na smrštění výrobní a smrštění dodatečné. Výrobní smrštění se zjišťuje měřením výstřiku po 24 hodinách. Dodatečné smrštění probíhá v následujících týdnech nebo měsících po vystříknutí. Výrobní i dodatečné smrštění bývá anizotropní. Příčinou anizotropie smrštění jsou především vlivy struktury (orientace makromolekul, obsah plniva, stupeň krystalinity) Menší smrštění mají amorfní termoplasty než semikrystalické, a plněné než homogenní. Zde se zmenšuje smrštění s rostoucím obsahem plniva v materiálu. Rozdíly smrštění v různém směru jsou menší u výstřiků s minimální orientací makromolekul a plniva než u výstřiků s vysokým stupněm orientace a rovněž jsou menší u výstřiků s nevláknitým plnivem než u výstřiků s plnivem vláknitým. 2.5.2 Orientace makromolekul Orientace makromolekul se projevuje při vstřikování termoplastů, u reaktoplastů se vlivem zesíťované struktury neobjeví. Princip spočívá v tom, že rychle chladnoucí viskozní tavenina se protlačuje vysokým tlakem úzkými kanálky a průřezy ve formě. Vlivem vysokého smykového napětí dochází k narovnání nepravidelně zkroucených makromolekul ve směru toku a v této nerovnovážné poloze ztuhnou. Stupeň Teoretická část - 18 - Martin Brádle
orientace je tím vyšší, čím více jsou makromolekuly paralelně srovnány vedle sebe. Směr orientace je dán směrem srovnání makromolekul. Výsledkem orientace je anizotropie vlastností. Jestliže smykové napětí vyvolávající orientaci nebude působit po celou dobu tuhnutí taveniny, orientace se neobjeví nebo jen zčásti. S vyšším stupněm orientace roste v tomto směru pevnost. Naopak tažnost se ve směru orientace snižuje. Smrštění ve směru toku materiálu bývá jiné než ve směru kolmém. Rozdíl závisí zejména na druhu materiálu, na vztahu vstřikovací teploty k teplotě skelného přechodu a na krystalinitě. Dodatečné smršťování je větší ve směru orientace. 2.5.3 Orientace plniva Použitím nevláknitého plniva, jako je např. prášek a mikrokuličky, se snižuje smrštění výstřiku a potlačuje se anizotropie vlastností a smrštění. S vyšším procentem plnění bývá smrštění ve směru toku a kolmo k němu prakticky stejné. Vláknité plnivo, jako jsou skleněná vlákna, se při vstřikování orientuje ve směru toku vlivem působení smykového napětí. Orientace vláken vytváří značnou anizotropii vlastností a smrštění. Smrštění ve směru toku je menší než smrštění kolmo ke směru toku. Je to způsobeno tím, že možnost smršťování ve směru orientace vláken je silně potlačena, zatímco ve směru kolmém nikoliv. 2.5.4 Krystalizace Krystalizace může nastat pouze u semikrystalických termoplastů a její vznik je podmíněn chemickou stavbou makromolekulárního řetězce. Krystalizace probíhá převážně při tuhnutí taveniny ve formě, později ve výrobku dochází ještě k velmi pozvolné dodatečné krystalizaci, která může být spojena s jistými trvalými deformacemi nebo i vznikem vnitřního pnutí. Zvýšené teploty dodatečnou krystalizaci podporují. Teoretická část - 19 - Martin Brádle
Krystalizace ve formě závisí na rychlosti tuhnutí taveniny. Chladnější forma a tenkostěnné partie výstřiku mají za následek rychlé ztuhnutí a potlačení možnosti krystalizace, takže povrchová vrstva stěny zůstává amorfní nebo jemně krystalická. Horká forma a silnostěnné partie dávají jemně krystalický povrch a směrem k jádru stěny procento krystalinity roste. Dodatečná krystalizace a z ní vzniklé pnutí jsou velké při použití chladné formy, která krystalizaci potlačuje. Z horké formy dostaneme výstřik již s vysokým procentem krystalinity a dodatečná krystalizace i vnitřní pnutí jí způsobené jsou již malé. Smrštění je při použití horké formy větší. 2.6 Termodynamické vlastnosti plastů [1], [2] Obdobně jako u jiných materiálů jsou vlastnosti polymerů závislé především na teplotě. V určité oblasti teplot probíhají tyto změny rychleji anebo se mění skokem. Tyto oblasti se nazývají přechodové teploty: T g - teplota zeskelnění nebo teplota skelného přechodu, T f - teplota viskózního toku (pro amorfní plasty), T m - teplota tání (pro semikrystalické plasty). 2.6.1 Vliv teploty na chování amorfních plastů Při sledování závislosti modulu pružnosti a tažnosti na teplotě je zřejmé, že v přechodové oblasti v okolí teploty zeskelnění T g se mění uvedené vlastnosti skokově, jak je zřejmé z obr. 2.5. Modul pružnosti se mění asi o tři řády, koeficient teplotní roztažnosti o 1 %. Pod teplotou T g se polymer nachází ve stavu sklovitém a je tedy tvrdý a křehký a má vysoký modul pružnosti. Nad touto teplotou je polymer ve stavu kaučukovitém. Teoretická část - 2 - Martin Brádle
Z termodynamického hlediska je možné vysvětlit chování polymeru na základě Brownova pohybu makromolekul, které závisí na teplotě. Podle charakteru se může jednat o: Brownův mikropohyb, kdy vzájemná poloha makromolekul jedné vůči druhé se nemění a pohybu se účastní pouze části molekul, které vykonávají rotační nebo kývavý pohyb kolem střední polohy. Brownův makropohyb, kdy se molekuly pohybují jako celek, což se projevuje změnou vzájemné polohy. Pod T g postačuje tepelná energie makromolekul pouze k vibracím, Brownův mikropohyb prakticky ustává, polymer je tvrdý a křehký. Při T g se uvolňuje rotační pohyb segmentů molekul a hmota nabývá kaučukovitou pružnost. V této oblasti teplot je Brownův makropohyb ještě zanedbatelný, jeho podíl se zvětšuje dalším zvyšováním teploty až při teplotě viskózního toku T f látka nabude charakteru viskózní kapaliny. Hodnota teploty zeskelnění T g závisí na velikosti mezimolekulárních sil, ohebnosti řetězců a symetričnosti základních článků makromolekul. Čím bude ohebnost větší a mezimolekulární síly menší, tím bude T g nižší. Teplotu zeskelnění můžeme ovlivnit např. přídavkem změkčovadel, které sníží mezimolekulární soudružnost a tím i T g. Je tedy patrné, že nejnižší hodnotu teploty zeskelnění vykazují kaučuky, neboť mají malé mezimolekulární síly a značně ohebné řetězce, poté následují semikrystalické plasty. Amorfní termoplasty mají hodnotu teploty zeskelnění výrazně nad teplotou okolí. Obr. 2.5: Průběh deformačních vlastností u amorfního plastu Teoretická část - 21 - Martin Brádle
K dalším výrazným změnám vlastností amorfních polymerů dochází při teplotě viskózního toku T f. Při této teplotě ztrácí hmota své kaučukovité vlastnosti, modul pružnosti klesá na nulovou hodnotu a hmota mění se ve vysoce viskózní kapalinu. Nad touto teplotou leží oblast zpracovatelnosti materiálu. Zvýšením teploty klesají mezimolekulární síly a tím se snižuje i viskozita taveniny. Při dalším zvyšování teploty začne probíhat tepelná degradace polymeru (teplota T z ). Zesíťované amorfní polymery se ve srovnání s lineárními chovají odlišně, jak vyplývá z obr. 2.6. Tuhá síť chemických vazeb vylučuje přesuny makromolekul jako celku a proto lze u těchto materiálů nalézt při vysokých teplotách jen určitou kaučukovitou oblast s relativně vysokým modulem pružnosti, jehož hodnota pak zůstává konstantní až do teploty rozkladu. Obr. 2.6: Vliv struktury na modul pružnosti ve smyku 2.6.2 Vliv teploty na chování semikrystalických plastů U semikrystalických polymerů dochází k nejrychlejším změnám vlastností v oblasti teplot, kterou charakterizuje teplota tání T m, jak je zobrazeno na obr. 2.7. Při teplotě tání dochází k rozpadu a tání krystalitů, což je provázeno změnou fáze hmoty, která přechází ze stavu tuhého do stavu kapalného. Je zřejmé, že tání se děje v určitém teplotním intervalu a teplota T m představuje pouze střední hodnotu této oblasti, podobně jako teplota T g. Konkrétní hodnota závisí na velikosti mezimolekulárních sil a na velikosti makromolekul. Zvětšení obou veličin má za následek zvýšení teploty tání. Teoretická část - 22 - Martin Brádle
Obr. 2.7: Průběh deformačních vlastností u semikrystalického plastu Je zřejmé, že do teploty T g se vlastnosti s teplotou nemění, ke změnám dochází až v oblasti T g. Dobré technické vlastnosti si semikrystalické polymery zachovávají i v oblasti teplot mezi T g a T m. Při T g dochází k uvolňování Brownova mikropohybu v amorfních oblastech, které se stávají kaučukovitě elastické, což hmotě dodává houževnatost, ale v důsledku velkých mezimolekulárních sil v krystalitech nemohou rotační pohyby segmentů rozrušit krystalickou strukturu a nemůže se uplatnit Brownův makropohyb. Hmota proto zůstává tuhá s poměrně vysokým modulem pružnosti. Při teplotě T m dochází ke ztrátě pevnosti materiálu a rychlému poklesu modulu pružnosti k nulové hodnotě. Klesá rovněž i tažnosti, před jejím náhlým poklesem se však objevuje maximum, které charakterizuje hranici soudržnosti materiálu. Pod teplotou T g se polymer nachází ve stavu sklovitém a je tedy tvrdý a křehký. Mezi teplotami T g a T m je polymer ve stavu houževnatém a nad T m ve stavu plastickém. Protože semikrystalické polymery obsahují určité množství amorfních podílů, lze u nich stanovit teplotu zeskelnění, která charakterizuje výrazné změny vlastností polymeru. Tyto změny se ovšem dotýkají pouze amorfní složky hmoty. Při T g modul pružnosti ve smyku klesá, přičemž velikost změny závisí na stupni krystalinity. Čím bude polymer vykazovat vyšší stupeň krystalinity, tím jsou změny při T g méně patrné. Toto chování polymerů je znázorněno na obr. 2.8. Teoretická část - 23 - Martin Brádle
Obr. 2.8: Vliv stupně krystalinity na modul pružnosti ve smyku 2.7 Viskoelastické chování polymerů [1] Při zatěžování zkušebních těles se projevuje viskoelastické chování polymerů, které ovlivňuje použití materiálu v praxi. Důležité pro aplikaci materiálu v konstrukční praxi jsou také jeho deformační vlastnosti, které vyjadřují vztah mezi vnější silou a deformací materiálu. Mezní případy představují ideálně pružné těleso a ideálně viskózní kapalina. 2.7.1 Ideálně pružné těleso Deformaci ideálně pružného tělesa za podmínky jednoosého tahového namáhání lze popsat pomocí Hookova zákona: σ = E ε (1) kde: σ... normálové napětí [MPa] E... modul pružnosti v tahu [MPa] ε... relativní prodloužení [-] Ideálně pružné těleso lze charakterizovat několika znaky. K ustavení deformace dojde okamžitě, jakmile začne působit vnější napětí. Její velikost je přímo úměrná Teoretická část - 24 - Martin Brádle
napětí a s časem se dále nemění. Práce vynaložená na deformaci tělesa se v něm akumuluje jako potenciální energie a lze ji veškerou získat zpět po zrušení vnějšího napětí. Současně ihned nastane návrat tělesa do tvaru před deformací. K popisu deformačního chování stačí jediná materiálová konstanta, modul pružnosti, který nezávisí ani na velikosti deformace ani na době jejího trvání. Tento model obecně představuje vratnou deformaci čili elastický tok. Ideálně pružné těleso je znázorněno zavěšenou pružinou. 2.7.2 Ideálně viskózní kapalina Vztah mezi smykovým napětím a deformací ideálně viskózních kapalin popisuje Newtonův zákon: dγ τ = η (2) dt kde: τ... smykové napětí [MPa] η... dynamická viskozita [Pa.s] dγ... rychlost smykové deformace [m.s -1 ] dt Důsledkem působení vnějšího napětí dochází k posuvu jednotlivých vrstev kapaliny a tím nastává tok. Mezi napětím a deformací rovnováha nenastane, ale deformace narůstá po celou dobu působení síly. Když napětí přestane působit, je zachován deformovaný stav. Celková deformace je ovlivněna velikostí napětí a dobou jeho působení. Rychlost smykové deformace zůstává při daném napětí konstantní a s napětím se mění lineárně. Práce vynaložená k deformaci se transformuje v kinetickou energii pohybujících se částic a nakonec v teplo. Tento model obecně představuje nevratnou deformaci čili plastický tok. Ideálně viskózní kapalina se znázorňuje válcem s netěsným pístem pohybujícím se v kapalině s viskozitou η. Teoretická část - 25 - Martin Brádle
2.7.3 Tucketův model Polymery se v důsledku své složité struktury projevují komplikovanějším deformačním chováním. Deformace způsobená vnějším namáháním zahrnuje složku elastickou i plastickou a navíc ještě tzv. deformaci zpožděně elastickou, která stejně jako deformace plastická závisí jak na velikosti působícího napětí, tak na době jeho působení. Celková deformace je tedy časově závislá. Toto deformační chování se nazývá viskoelastické a lze ho znázornit pomocí Tucketova modelu, který dobře vystihuje chování skutečných polymerů. Tucketův model, znázorněný na obr. 2.9, se skládá ze tří členů. Prvním členem je pružina, která představuje ideální elastickou deformaci γ 1 popsanou Hookovým zákonem. Druhý člen je znázorněn pomocí Kelvinova modelu, který vznikl paralelním zapojením pružiny a netěsného válce s pístem a který vyjadřuje zpožděně elastickou deformaci γ 2. Posledním třetím členem Tucketova modelu je samotný válec s pístem, který představuje plastickou deformaci γ 3. Obr. 2.9: Tucketův model Celková deformace viskoelastického tělesa je vyjádřena součtem deformací jednotlivých členů: γ + c = γ 1 + γ 2 γ 3 (3) kde: γ c... celková deformace [-] γ 1... elastická deformace [-] Teoretická část - 26 - Martin Brádle
γ 2... zpožděně elastická deformace [-] γ 3... plastická deformace [-] Deformace γ 1 a γ 2 jsou vratné. Rozdíl mezi nimi je v tom, že γ 1 nastane okamžitě při vyvolání vnějšího napětí a zrušením napětí ihned vymizí, zatímco deformace γ 2 je závislá na čase, stejně jako γ 3, která je ovšem nevratná. Z obr. 2.1 je zřejmé, že po vložení napětí v čase t 1 nastane okamžitě deformace ideálně pružného členu γ 1. V důsledku dalšího působení napětí narůstá deformace druhého členu γ 2 a členu třetího γ 3. Po zrušení napětí ihned vymizí deformace γ 1, během určité doby postupně i γ 2 a nakonec zůstane jen deformace členu γ 3. Viskoelastické chování polymerů se tedy vyznačuje tím, že deformace je funkcí nejen napětí, ale i času a je vratná jen zčásti. Práce vynaložená k deformaci se v tělese zčásti ukládá jako potenciální energie a je možné ji získat zpět a částečně se ztrácí ve formě tepla. Obr. 2.1: Závislost napětí a deformace na čase Tucketův model nám umožňuje odhadnout chování polymerů při různých podmínkách vnějšího namáhání. Pomocí modelu lze vysvětlit vliv teploty tak, že je-li teplota, při které je polymer zatěžován, mnohem nižší než je teplota zeskelnění T g je viskozita kapaliny ve válcích členů 2 a 3 tak vysoká, že se tyto členy při deformaci nemohou uplatit a hmota vykazuje vlastnosti dokonale pružného tělesa. V oblasti teploty T g se kromě ideálně pružného členu projeví i člen zpožděně elastický a s dalším zvyšováním teploty i člen třetí představující plastickou deformaci. Tím se Teoretická část - 27 - Martin Brádle
zvětšuje podíl nevratné deformace a naopak podíl ideálně pružného členu na celkové deformaci se zmenšuje. 2.7.4 Relaxace napětí Relaxace napětí patří mezi důležité vlastnosti viskoelastických látek. Představuje uvolňování napětí v tělese, které bylo deformováno na konstantní hodnotu deformace. Lze ji znázornit pomocí Maxwellova modelu, vyobrazeného na obr. 2.11 a), který je složen z členu ideálně pružného a ideálně viskózního zapojených za sebou. a) b) c) Obr. 2.11: Maxwellův model Při vložení vnějšího napětí se okamžitě projeví deformace elastického členu (obr.2.11 b). Jakmile dojde k ustavení konečné deformace, úměrné vnějšímu napětí τ, která prakticky odpovídá jen vratné deformaci, začne se uplatňovat i druhý člen a přebírá část celkové deformace (obr. 2.11 c). V důsledku toho se elastická deformace postupně zmenšuje a plastická naopak vzrůstá. Napětí v tělese je způsobováno pouze tahem pružiny, a proto dochází k jeho poklesu. S postupující dobou stačí na udržení tělesa v deformovaném stavu stále menší síla. Teoretická část - 28 - Martin Brádle
Celková deformace γ c se rovná součtu deformací jednotlivých členů: γ c = γ 1 + γ 2 (4) kde: γ c... celková deformace γ 1... deformace ideálně pružného členu γ 2... deformace viskózního členu Při působení vnějšího napětí je vyvolána skokem deformace, která je dále konstantní. Napětí potřebné pro udržení této deformace se postupně snižuje a tak dochází k jeho relaxaci, jak vyplývá z obr. 2.12. Obr. 2.12: Závislost deformace a napětí na čase Relaxační chování polymerů ovlivňuje naměřené hodnoty mechanických vlastností polymerů. Jestliže probíhá zkouška rychle a doba působení vnějšího namáhání je proti relaxačnímu času malá, hmota vykazuje vysoký modul pružnosti i vysokou pevnost. Relaxační čas je roven podílu dynamické viskozity a modulu pružnosti ve smyku a odpovídá době, kdy napětí v deformovaném tělese klesne na hodnotu, která představuje asi 37 % původní hodnoty. Naopak působí-li zatížení po dlouhou dobu, jsou deformace makromolekul velké, hmota je poddajnější a modul pružnosti i pevnost jsou menší. V závislosti na době namáhání se materiál tedy může chovat jako tuhý nebo poddajný. Teoretická část - 29 - Martin Brádle
2.8 Mechanické vlastnosti plastů [1] Mechanické vlastnosti plastů jsou dány jejich chemickým složením, velikostí a tvarem makromolekul, nadmolekulární strukturou, makrostrukturou a v neposlední řadě závisí i na teplotě. Tím je myšlen druh, tvar a uspořádání plniva ve hmotě i geometrický tvar konstrukčních dílů. Podle způsobu stanovení vlastností a podle účelu se mechanické vlastnosti dělí na: krátkodobé, při kterých je vliv relaxačních dějů zanedbatelný a stanovení těchto vlastností netrvá déle než několik minut, dlouhodobé, které se podle charakteru působící síly rozdělují na statické, pokud působí klidná síla, anebo dynamické, při nichž na zkušební těleso působí síla proměnlivá s časem. 2.8.1 Deformační křivky polymerů Při vystavení zkušebního tělesa tahovému namáhání je možné v závislosti na podmínkách zatěžování, tj. na teplotě a na rychlosti deformace a v závislosti na druhu polymeru získat různé deformační křivky, znázorněné na obr. 2.13. σ σ σ σ yh σ yd ε a) b) c) ε ε Obr. 2.13: Deformační křivky různých polymerů při tahovém namáhání Závislost mezi napětím σ a deformací ε zobrazenou na obr. 2.13 a) vykazují amorfní plasty se zesíťovanou strukturou, především pokud obsahují tvrdá minerální plniva a lineární amorfní plasty při teplotách hluboko pod T g. Tato závislost je téměř lineární Teoretická část - 3 - Martin Brádle
a je možné ji tedy popsat Hookovým zákonem. Tyto plasty se vyznačují vysokým modulem pružnosti v rozmezí 5 až 5 MPa a malou tažností 2 až 5 %. Lineární amorfní polymery, pokud jejich teplota není příliš pod T g a semikrystalické plasty s vysokým stupněm krystalinity se chovají podle křivky na obr. 2.13. b). Tyto polymery vykazují modul pružnosti mezi 2 a 5 MPa a tažnost 2 až 5 % i více. Běžné semikrystalické polymery vykazují při standardní teplotě závislost mezi napětím a deformací zobrazenou na obr. 2.13.c). Jejich modul pružnosti se pohybuje v rozmezí od 5 do 2 MPa, tažnost je z větší části nevratná a může dosáhnout až 5 %. 2.8.2 Mez pevnosti Mezi metody stanovení meze pevnosti patří zkouška tahem, zkouška tlakem a ohybová zkouška. Nejčastěji se zjišťuje mez pevnosti v tahu, která představuje podíl největší síly při zkoušce tahem vztažené na počáteční průřez zkušebního tělesa. Jedná se tedy o největší napětí v tahu odpovídající největší síle naměřené v průběhu zkoušky. Toto napětí však nemusí vždy souhlasit s napětím v okamžiku, kdy dojde k porušení zkušebního tělesa. Hodnoty meze pevnosti se mění se změnou teploty. Zvýšení teploty způsobuje pokles pevnosti. Velikost změny pevnosti závisí na druhu plastu i na prostředí, kdy zejména různé chemické sloučeniny mohou vyvolávat nevratné změny ve struktuře polymeru, které se projeví změnami pevnosti. Dále má na pevnost vliv složení plastu, přítomnost plniv, změkčovadel a podobně. U krystalických polymerů je pevnost vyšší s rostoucím stupněm krystalinity. Teoretická část - 31 - Martin Brádle
2.9 Způsoby namáhání zkušebních těles [1], [4], [5], [7] Mezi základní způsoby namáhání zkušebních těles patří statické a dynamické namáhání. V důsledku dlouhodobého statického nebo časově proměnlivého namáhání dochází k únavě materiálu, která způsobuje, že se materiál poruší při napětích nižších než odpovídá mezi pevnosti zjištěné krátkodobými zkouškami. 2.9.1 Statické namáhání Statickými mechanickými zkouškami se hodnotí chování materiálu za působení stálých nebo pomalu spojitě se měnící sily. Zkušební těleso se zatěžuje zpravidla jen jednou, a to až do porušení. Podle druhu namáhání jde o zkoušku tahem, která je součástí této diplomové práce a bude popsána v následující podkapitole, a dále zkoušku tlakem nebo ohybem. 2.9.1.1 Tahová zkouška Tahová zkouška se používá ke zjištění nejdůležitějších vlastností plastů. Zkouška se provádí podle normy ČSN EN ISO 527. Obvykle jde o krátkodobou zkoušku, kdy k přetržení zkušebního tělesa dojde během několika minut. Výsledkem zkoušky je získání závislosti napětí na deformaci, ze které je možné určit mez pevnosti, mez kluzu, poměrné prodloužení a celkové chování materiálu včetně typu lomu. Podstata zkoušky spočívá v tom, že je zkušební těleso protahováno ve směru své hlavní podélné osy konstantní rychlostí zkoušení do jeho porušení nebo do okamžiku, kdy napětí v tahu nebo protažení dosáhnou předem zvolené hodnoty. Během zkoušky se měří zatížení působící na zkušební těleso a prodloužení. Teoretická část - 32 - Martin Brádle
Z naměřených hodnot z tahové zkoušky lze získat následující charakteristiky: a) výpočet napětí F σ = (5) S kde: σ... tahové napětí [MPa] F... zatěžující síla [N] S... plocha počátečního příčného průřezu zkušebního tělesa [mm 2 ] b) výpočet poměrného prodloužení L = L ε (6) kde: ε... poměrné prodloužení [-] L... počáteční měřená délka zkušebního tělesa [mm] L... zvětšení délky zkušebního tělesa mezi značkami vyznačujícími počáteční měřenou délku [mm] c) výpočet modulu pružnosti σ σ ε ε 2 1 E = (7) 2 1 kde: E... modul pružnosti v tahu [MPa] σ 1... napětí naměřené při hodnotě poměrného prodloužení ε 1 =,5 [MPa] σ 2... napětí naměřené při hodnotě poměrného prodloužení ε 2 =,25 [MPa] Teoretická část - 33 - Martin Brádle
Provádění tahové zkoušky při různých teplotách se projevuje změnami pevnosti a prodloužení materiálu. Při vysokých teplotách klesá pevnost materiálu a roste poměrné prodloužení. S rostoucí zápornou teplotou se naopak pevnost materiálu zvyšuje a poměrné prodloužení klesá. Tato závislost je zachycena na obr. 2.14, který znázorňuje průběh tahové zkoušky při různých teplotách u materiálu PA6.6. Obr. 2.14: Vliv teploty na tahovou zkoušku materiálu PA6.6 V průběhu tahové zkoušky můžeme také sledovat viskoelastické chování zkušebního tělesa, jak je znázorněno na obr. 2.15 a 2.16. S rostoucím napětím dochází k prodloužení tělesa až do stavu, kdy na zkušebním tělese vznikne krček, což má za následek pokles napětí, ale prodloužení stále roste. Obr. 2.15: Průběh viskoelastického chování zkušebního tělesa během takové zkoušky Teoretická část - 34 - Martin Brádle
Obr. 2.16: Způsoby chování zkušebních těles u vybraných materiálů během zkoušky tahem 2.9.2 Dynamické namáhání Plastové díly mohou být vystaveny časově proměnnému dynamickému namáhání, při kterém dochází k porušení materiálu při podstatně menším napětí než při statické zkoušce. Vlivem tohoto namáhání dochází k dynamické únavě materiálu, která je vyvolána cyklickým zatěžováním a projeví se změnou stavu a vlastností materiálu. Cyklické dynamické zkoušky jsou procesy, při nichž se rychle působící síla mění periodicky v krátké době. Při únavových zkouškách plastů se používá cyklické namáhání nucenými kmity za takových podmínek, které vedou k destrukci zkušebních těles. Způsob deformace je jednosměrný tah tlak. Dynamické metody používají cyklického napětí nebo deformace sinusového průběhu, který je znázorněn na obr. 2.17. Teoretická část - 35 - Martin Brádle
Obr. 2.17: Sinusový průběh cyklického namáhání Dynamické napětí, kterému odolá zkušební těleso po neomezenou dobu, je mez únavy. Za mez únavy se obvykle považuje smluvní hodnota pro určitý počet cyklů. Mez únavy σ C je rovna: σ = σ + σ (8) C m A kde: σ C... mez únavy [MPa] σ m... střední napětí kmitu [MPa] σ A... mezní výkmit napětí [MPa] Střední napětí kmitu σ m se vypočítá: σ m σ h + σ n = (9) 2 kde: σ m... střední napětí kmitu [MPa] σ h... horní napětí kmitu [MPa] σ A... dolní napětí kmitu [MPa] Teoretická část - 36 - Martin Brádle
Mezní výkmit napětí σ A představuje napětí odpovídající počtu kmitů, při němž při daném σ m je dosaženo mezního stavu zvoleného kritéria, za které se obvykle volí zlom zkušebního tělesa. Hodnota meze únavy u daného druhu plastu závisí jednak na střední úrovni napětí a jeho amplitudě, případně na střední hodnotě deformace a její amplitudě a zároveň i na frekvenci zatěžování, tvaru zatěžovacích vln, teplotě okolí a dalších faktorech. Vzhledem k tomu, že se při sledování deformačních dějů u plastů projevuje časová závislost, musí se při zkoušce volit buď konstantní napětí, při kterém se deformace s narůstajícím počtem cyklů zvětšuje, nebo konstantní deformace, při níž se musí napětí postupně snižovat. Teoretická část - 37 - Martin Brádle
3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST 3.1 Charakteristika společnosti WITTE Automotive [9] Diplomová práce byla zadána společností WITTE Automotive Nejdek, která tvoří jeden ze závodů skupiny WITTE.. Počátky společnosti se datují do roku 1899, kdy byla panem Ewaldem Wittem ve Velbertu založena firma na výrobu zámků pro kufry. Ještě před 2. světovou válkou začala výroba kování pro automobily. Prvním vozem, který používal produkty společnosti WITTE, byl Volkswagen Brouk. Počátkem 5. let společnost založila vlastní slévárnu a sortiment produktů pro automobilový průmysl se tak značně rozšířil. Od této doby se stále intenzivněji rozvíjí spolupráce WITTE s velkými evropskými zákazníky. V 7.letech se vývoj rozšířil na všechny komponenty zamykacích systémů v automobilu. Stejně tak byly vyvíjeny a dodávány komponenty pro všechny pohyblivé části karoserie. Závod WITTE Nejdek byl založen v roce 1992 a společnost si tak zajistila konkurenceschopnost na mezinárodním trhu. Společnost WITTE Automotive se díky svým dceřiným firmám rozrostla na podnikatelskou skupinu, která disponuje všemi základními technologiemi potřebnými pro vývoj produktů pro automobilový průmysl. WITTE Automotive také globální aktivity a to od roku 1993, kdy byla uzavřena dohoda s tchaj-wanskou firmou. Tento základ pak rozšířila VAST Alliance, strategická aliance s americkými partnery STRATTEC SECURITY CORPORATION a ADAC Automotive. V současnosti společnost vyvíjí a vyrábí ve spolupráci se všemi známými automobilkami zamykací systémy pro přední a zadní kapoty, zamykací systémy dveří a bezpečnostní systémy sedadel. WITTE Automotive je tvořena závody WITTE ve Velbertu a v Nejdku a dále své služby zajišťuje prostřednictvím dceřiných firem KROSTA Metalltechnik, RIKU Kunststoff a PRINZ WITTE. WITTE Automotive ve Velbertu je hlavním sídlem skupiny WITTE. Z tohoto místa se koordinují celosvětové aktivity skupiny. Stěžejním bodem je také inovační Experimentální část - 38 - Martin Brádle
centrum, kde se spoluvytváří nejnovější trendy, konstruují a vyvíjí výrobky. V závodě ve Velbertu se nachází centrum montáže a logistiky i školící centrum. WITTE Automotive v Nejdku zajišťuje sériovou montáž. Spektrum služeb a činností pak doplňuje také vlastní vývojové centrum, nástrojárna, vzorkovna, výroba strojních zařízení a zpracování plastů. KROSTA Metalltechnik v rámci WITTE Automotive zajišťuje výrobu lisovaných a vstřikovaných dílů a zabezpečuje celé spektrum činností od konstrukce, přes výrobu nástrojů až po kompletní sestavy. RIKU Kunststoff se specializuje na zpracování plastů a jako dodavatel vysoce kvalitních plastových odlitků si vybudoval silnou pozici na trhu jak v rámci skupiny WITE, tak v automobilovém průmyslu a elektroprůmyslu. PRINZ WITTE se zabývá oblastí kinematiky kapot, zejména pak pro panty přední a zadní kapoty. 3.2 Podstata experimentální části Experimentální část diplomové práce se zabývá hodnocením chování vybraných druhů plastů pomocí tahové zkoušky s cyklickým zatížením. Experiment byl měřen na strojním vybavení Katedry strojírenské technologie. Pro provedení experimentu byly firmou WITTE Nejdek dodány materiály ve formě granulí, ze kterých bylo nejprve nutné zhotovit zkušební tělesa. První částí experimentu bylo provedení tahové zkoušky pro. získání limitních hodnot potřebných k provedení druhé části experimentu. Úkolem druhé části experimentu bylo provedení cyklických tahových zkoušek na vyrobených zkušebních tělesech za stanovených podmínek (rozsah zatěžující síly a frekvence). Výsledkem experimentu bylo vyhodnocení chování dodaných typů plastů pod účinky cyklického zatížení s doporučením pro použití v praxi. Experimentální část - 39 - Martin Brádle
3.3 Výroba zkušebních těles K porovnání výsledků z cyklického namáhání dodaných plastů byly použity výstřiky ve tvaru lopatek (viz. obr. 3.3) o tloušťce 4 mm. Všechny výstřiky byly zhotoveny v univerzálním nástroji, který má výměnnou desku s tvarovými dutinami. Jedná se o dvounásobnou vstřikovací formu s filmovým ústím vtoku. Zkušební tělesa byla vyrobena na šnekovém vstřikovacím stroji Engel AG typ ES 25/5 (viz. obr. 3.1). Měření bylo provedeno v lisovně plastů katedry strojírenské technologie. Obr. 3.1: Vstřikovací stroj Engel ES 25/5 Vybrané technické parametry stroje jsou uvedeny v následující tab. 3.1. Parametry vstřikování (teplota taveniny, teplota formy, teplota a doba sušení, rychlost vstřikování, vstřikovací tlak, apod.) byly nastaveny dle materiálových listů dodaných plastů. Experimentální část - 4 - Martin Brádle
Tab. 3.1: Technické parametry vstřikovacího lisu Engel ES 25/5 Technické parametry ENGEL 25/5 Jednotky Hodnoty Průměr šneku mm 25 Zdvih šneku mm 85 Otáčky šneku (normální) min -1 5-13 Otáčky šneku (zrychlené) min -1 5-26 Plastikační výkon g.s -1 4 Vstřikovaná kapacita cm 3 35 Maximální vstřikovací tlak MPa 14 Uzavírací síla kn 3 Průměr šneku mm 25 Maximální výška formy mm 242 Minimální výška formy mm 152 3.4 Provedení tahové zkoušky První částí experimentu bylo provedení tahové zkoušky podle normy ČSN EN ISO 527 pro zjištění maximálního napětí (meze kluzu, případně meze pevnosti). Provedení tohoto experimentálního měření bylo nutné v důsledku získání velikosti zatěžující síly pro následnou cyklickou tahovou zkoušku. 3.4.1 Zkušební zařízení Tahová zkouška byla provedena na trhacím stroji Hounsfield H1KT (viz. obr. 3.2), vybaveným softwarem QMAT. Mezi základní součásti zařízení patří čelisti pro upínání zkušebních těles, průtahoměr 1RS, který umožňuje stanovení relativní změny počáteční měřené délky zkušebního tělesa v průběhu celé zkoušky a další důležitou částí zařízení byla siloměrná hlavice o hodnotě 1 kn, která slouží ke snímání celkové tahové síly působící na zkušební těleso upnuté v čelistech. Experimentální část - 41 - Martin Brádle
Obr. 3.2: Trhací stroj Hounsfield H 1 KT 3.4.2 Zkušební tělesa Pro zkoušku tahem byla použita zkušební tělesa tvaru oboustranných lopatek standardního typu 1A (viz. obr. 3.3), která jsou popsána v normě ČSN EN ISO 527. h I 3 I 2 I 1 r b1 b2 L L Rozměry v milimetrech I 3 Celková délka 15 I 1 Délka zúžené rovnoběžné části 8 ± 2 r Poloměr 2 až 25 I 2 Rozpětí mezi širokými rovnoběžnými částmi 14 až 113 b 2 Šířka konců 2, ±,2 b 1 Šířka zúžené rovnoběžné části 1, ±,2 h Doporučená tloušťka 4, ±,2 L Počáteční měřená délka 5, ±,5 L Počáteční vzdálenost čelistí 115 ± 1 Obr. 3.3: Zkušební těleso typu 1A Experimentální část - 42 - Martin Brádle
Zkušební tělesa tvaru oboustranných lopatek, která se přetrhnou v rozšířené části, případně u nich dojde k zúžení v rozšířené části v důsledku kluzných procesů, musí být ze statistického vyhodnocení zkoušky vyřazena. 3.4.3 Podmínky a postup zkoušky Tahová zkouška byla provedena ve standardním prostředí, tj. při teplotě 23 C. Může být však dohodnuto i provedení zkoušek např. při zvýšených nebo mínusových teplotách. Zatěžování probíhalo standardní rychlosti 5 mm/min, stanovené normou ČSN EN ISO 527. Pro každý druh materiálu byly pro kontrolu změřeny rozměry zkušebních těles v pracovní části. Zkušební těleso bylo následně vloženo do čelistí stroje tak, že podélná osa zkušebního tělesa byla shodná s osou stroje. Na počáteční měřenou část zkušebního tělesa byl připevněn průtahoměr pro měření prodloužení. Před zahájením zkoušky bylo provedeno nastavení podmínek testu a zadání rozměrů zkušebního vzorku. V průběhu zkoušky byla zaznamenávána síla a jí odpovídající hodnoty prodloužení. Naměřené hodnoty byly přeneseny do počítače, kde sloužily k dalšímu zpracování. 3.4.4 Druhy zkoušených materiálů Přehled zkoušených materiálů, které dodala firma WITTE Automotive Nejdek, jsou uvedeny v následující tabulce. Tab. 3.2: Přehled zkoušených materiálů Materiál Obsah plniva % GF 1 % GF 2 % GF 25% GF 3 % GF POM x - x - x PC - x - - - PBT x x - - x PA6 x - - x x PA6,6 x - - x x PP x - x - x PBT/ASA - - x - x PC/ABS x - - - - Experimentální část - 43 - Martin Brádle
Materiálové listy se základními charakteristikami zkoušených materiálů jsou uvedeny v příloze č.1 až 19. Pro přehlednost byly experimentálně zkoušené materiály rozděleny do skupin podle chemického složení. Grafické znázornění průběhu tahové zkoušky jednotlivých druhů materiálů je zachyceno na obr. 3.4 až 3.11. Polyoximetylén (POM) POM patří k vysoce krystalickým polymerům, obsah krystalického podílu je kolem 85 %. Hustota materiálu je 142 kg.m -3. Pevnost v tahu je až 7 MPa a modul pružnosti je v rozsahu 28 až 35 MPa. Svými mechanickými vlastnostmi se hodí pro konstrukční aplikace a používá se pro výrobu malých součástí s vysokou pevností. Pro zvýšení mechanických vlastností se do matrice POM přidává vláknité plnivo. 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 1 2 3 l [mm] POM POM 2%GF POM 3%GF Obr.: 3.4: Výsledky z tahové zkoušky pro materiál POM Polykarbonát (PC) PC je amorfní termoplast, který se vyznačuje dobrými mechanickými vlastnostmi. Pevnost v tahu činí až 7 MPa a modul pružnosti až 25 MPa. Materiál se vyznačuje vysokou houževnatostí. Jeho hustota je 122 kg.m -3. Používá se na díly s vysokou rázovou odolností. Pro zjištění vlivu vláknitého plniva byl zkoušen PC s 1 % skleněných vláken (viz. tab. 3.2). Experimentální část - 44 - Martin Brádle
3 25 2 15 1 PC 1%GF 5 1 2 3 4 5 l [mm] Obr.: 3.5: Výsledky z tahové zkoušky pro materiál PC 1%GF Polybutyléntereftalát (PBT) PBT je semikrystalický termoplast s pevností v tahu až 58 MPa a modulem pružnosti 2 až 27 MPa. Jeho hustota činí 131 kg.m -3. Vyznačuje se nižší tvarovou stálostí za tepla a dobrou zpracovatelností. Používá se na malé komponenty a drobné součásti přístrojů. Pro zvýšení mechanických vlastností se do matrice PBT přidává vláknité plnivo. 6 5 4 3 2 PBT PBT 1%GF PBT 3%GF 1 2 4 6 8 l [mm] Obr.: 3.6: Výsledky z tahové zkoušky pro materiál PBT Polyamid 6 (PA6) PA6 je houževnatý termoplast s nižším obsahem krystalického podílu v rozsahu 25 až 45 %. Jeho pevnost v tahu se pohybuje v rozsahu 4 až 8 MPa a modul pružnosti od 9 do 16 MPa. Hustota materiálu je 113 kg.m -3. Jeho výhodou je dobrá odolnost proti otěru a nízký koeficient tření. Používá se jako konstrukční Experimentální část - 45 - Martin Brádle
materiál pro výrobu ložisek a ozubených kol a dalších výrobků, kde se uplatní nízký koeficient tření. 6 5 4 3 2 PA6 PA6 25%GF PA6 3%GF 1 5 1 15 l [mm] Obr.: 3.7: Výsledky z tahové zkoušky pro materiál PA6 Polyamid 6.6 (PA6.6) PA6.6 je termoplast, který se ve srovnání s PA6 vyznačuje lepšími mechanickými vlastnostmi asi o 2%. Má vysokou pevnost a tuhost, lepší teplotní odolnost a menší navlhavost. Používá se jako konstrukční materiál podobně jako PA6. 6 5 4 3 2 PA6.6 PA6.6 25%GF PA6.6 3%GF 1 5 1 15 l [mm] Obr.: 3.8: Výsledky z tahové zkoušky pro materiál PA6.6 Polypropylén (PP) PP patří mezi semikrystalické termoplasty. Je to nejlehčí polymer, jeho hustota je 91 kg.m -3. Jeho pevnost v tahu činí až 38 MPa a modul pružnosti až 16 MPa. Jeho výhodou je dobrá chemická odolnost proti kyselinám a zásadám. Jeho uplatnění Experimentální část - 46 - Martin Brádle
se nachází na řadu součástí v automobilovém průmyslu. Přidáním skleněných vláken se zvyšují mechanické vlastnosti materiálu a klesá hodnota krípu. 3 25 2 15 1 PP PP 2%GF PP 3%GF 5 1 2 3 4 5 l [mm] Obr.: 3.9: Výsledky z tahové zkoušky pro materiál PP Polymerní směs polybutyléntereftalát a akrylonitril-styrén-akrylát (PBT/ASA) Směs se vyznačuje podobnými vlastnostmi jako PBT. Přidáním ASA se zvyšuje odolnost proti UV záření a povětrnostním vlivům. Pro zjištění vlivu vláknitého plniva byl zkoušen materiál PBT/ASA s 2% a 3% skleněných vláken (viz. tab. 3.2). 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5,5 1 1,5 l [mm] PBT/ASA 2%GF PBT/ASA 3%GF Obr.: 3.1: Výsledky z tahové zkoušky pro materiál PBT/ASA Experimentální část - 47 - Martin Brádle
Polymerní směs polykarbonát a akrylonitril-butadién-styrén (PC/ABS) Směs vykazuje podobné mechanické vlastnosti jako PC a vyznačuje se především vysokou rázovou pevností. S rostoucím obsahem ABS ve směsi se snižuje teplotní odolnost, naproti tomu se zlepšuje zpracovatelnost. 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 l [mm] PC/ABS Obr.: 3.11: Výsledky z tahové zkoušky pro materiál PC/ABS 3.4.5 Vyhodnocení tahové zkoušky Naměřené hodnoty síly z provedené tahové zkoušky sloužily pro výpočet maximálního napětí (meze kluzu, případně meze pevnosti). Odečtení příslušných hodnot síly bylo provedeno u všech vzorků pomocí programu Excel. Pro každý druh materiálu byla vypočtena průměrná hodnota síly, ze které byla stanovena horní hranice síly pro následné cyklické zatěžování. Po dohodě se zadavatelem diplomové práce (firmou WITTE Automotive Nejdek) byla hodnota zatěžující síly pro cyklické namáhání stanovena na 8 % průměrné hodnoty síly, ze které bylo vypočteno maximální napětí. Pro přehlednost jsou získané hodnoty z tahové zkoušky a vypočítané pro cyklické namáhání uvedeny v tab. 3.3. Experimentální část - 48 - Martin Brádle
Tab. 3.3: Vypočtené hodnoty pro cyklické namáhání získané z tahové zkoušky Materiál Průměrná hodnota síly [N] 8% z průměrné síly [N] POM 1655 ± 21 1324 POM 2%GF 4423 ± 96 3539 POM 3%GF 1473 ± 21 1178 PC 1%GF 2438 ± 9 195 PBT 1543 ± 55 1234 PBT 1%GF 3211 ± 34 2569 PBT 3%GF 518 ± 81 486 PA6 11 ± 1 81 PA6 25%GF 5625 ± 74 45 PA6 3%GF 4635 ± 3 378 PA6.6 1456 ± 17 1165 PA6.6 25%GF 562 ± 53 449 PA6.6 3%GF 5323 ± 13 4258 PP 1377 ± 21 111 PP 2%GF 2564 ± 18 251 PP 3%GF 2823 ± 23 2259 PBT/ASA 2%GF 3913 ± 12 313 PBT/ASA 3%GF 4699 ± 82 3759 PC/ABS 1877 ± 4 152 Příklad grafických výstupů z tahové zkoušky pro jednotlivé materiály je uveden v příloze č. 2 až 27. 3.5 Provedení cyklického zatěžování Druhou, a to hlavní částí experimentu, bylo provedení cyklického namáhání zkušebních těles, vyrobených z dodaných materiálů. Cílem této části experimentu bylo zjištění počtu cyklů, které materiál vydrží, než dojde k jeho porušení při daných podmínkách zatěžování. Zkouška formou cyklického zatěžování byla zvolena po dohodě se zadavatelem a také proto, že tento druh namáhání nejlépe odpovídá použití daných materiálů v systémech společnosti WITTE Nejdek. Experimentální část - 49 - Martin Brádle
3.5.1 Zkušební zařízení Cyklické namáhání bylo provedeno na trhacím stroji TIRA Test 23 (viz. obr. 3.12) s řídícím systémem LabNet v.4. K upínání zkušebních těles byly použity pneumatické čelisti, které umožňují zatěžovat vzorek na tahové a tlakové namáhání. Ke snímání síly byla použita siloměrná hlava o velikosti 1 kn. Pro provedení zkoušky při vyšší teplotě byla použita tepelná komora s termostatem, který kontroloval nastavenou teplotu zkoušky. Obr. 3.12: Trhací stroj TIRA Test 23 3.5.2 Podmínky a postup zkoušky Cyklické zatěžování bylo provedeno za dohodnutých podmínek a to při teplotě 23 C a 8 C. Pro teplotu 23 C byla stanovena frekvence zatěžování f =,3 Hz a náběhová síla 1 N/s. Tato frekvence byla zvolena tak, aby co nejlépe odpovídala reálným podmínkám použití materiálů v praxi s přihlédnutím na technické možnosti zkušebního zařízení. Pro teplotu 8 C musela být hodnota frekvence snížena na f =,1 Hz z důvodu zvýšené teploty zkoušení, neboť materiál (matrice) ztrácel tuhost (měknul) a v důsledku malého odporu regulátor nestačil reagovat na změny síly. Náběhová síla byla ponechána na stejné hodnotě, tedy na 1 N/s. Horní hranice síly Experimentální část - 5 - Martin Brádle