giáo trình Công nghệ chất dẻo phần 1

Chia sẻ: Thái Duy Ái Ngọc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:16

Thêm vào BST

Báo xấu

458
lượt xem 182
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Công nghệ chất dẻo (Kunststofftechnologie) phần 1 Dẫn nhập: Chất dẻo là những hợp chất hữu cơ cao phân tử đến từ thiên nhiên hay được tổng hợp từ các phòng thí nghiệm, chúng là một loại vật liệu có nhiều tên gọi khác nhau như Plastic, chất dẻo hay nhựa tổng hợp, đôi khi người ta đơn giản hoá cụm từ nói trên với tên gọi là nhựa, cả hai từ chất dẻo và nhựa đều được dùng để nói đến loại vật liệu này....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: giáo trình Công nghệ chất dẻo phần 1

1 Công nghệ chất dẻo (Kunststofftechnologie) phần 1 Dẫn nhập: Chất dẻo là những hợp chất hữu cơ cao phân tử đến từ thiên nhiên hay được tổng hợp từ các phòng thí nghiệm, chúng là một loại vật liệu có nhiều tên gọi khác nhau như Plastic, chất dẻo hay nhựa tổng hợp, đôi khi người ta đơn giản hoá cụm từ nói trên với tên gọi là nhự a, cả hai từ chất dẻo và nhự a đều được dùng để nói đến loại vật liệu này. Công nghệ chất dẻo là phạm trù tổng quát bao gồm nhiều ngành học khác nhau nhằ m mục đích tìm hiểu, nghiên cứu, chuẩn định các thuộc tính cơ hoá lý, các phương pháp chế biến cùng với các lĩnh vực ứng dụng của các loại chất dẻo.Trong phạ m vi giới hạ n người viết cũng mong mang đến cho bạn đọc một vài thông tin, giới thiệu về phạ m trù công nghệ chất dẻo nói trên theo thứ tự các chủ đề sau đây: Vật lý chất dẻo, hóa học chất dẻo và chế biến chất dẻo. Trước khi đi vào chủ đề vật lý chất dẻo chúng ta nên khởi đầu với những khái niệm cơ bản về trạng thái ứng kháng của vật liệu nói chung. 1. Khái niệm cơ bản về những trạng thái ứng kháng của vật liệu Vật liệu thông thường khi bị tác động bởi các hiện tượng cơ-, hóa- và vật lý học sẽ phát sinh ứng kháng được gọi là cơ-, hoá- và lý ứng theo khái niệm tổng quát như sau Thí dụ: Thí dụ: Thí dụ: Độ bền Chịu rỉ mòn Tỉ trọng Sự chế biến Điểm nóng chảy Độ cứng ( rắn ) Khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện 1.1 Độ bền của vật liệu Độ bền là khả năng chịu đựng của vật liệu khi bị tác động từ bên ngoài để làm tách rời hay biến đổi hình thể ban đầu của nó. Độ bền của vật liệu lệ thuộc vào lực tác động bên ngoài và các lực liên quan giữa các phân tử bên trong mà các lực này là biểu tượng của sự liên kết giữ cho vật thể bền vững. Các thí nghiệm cổ điển để đo độ bền của vật liệu cắt xoắn kéo nén nén cong Cột trụ - Cầu - Trục truyền lực - Dây - Con tán - Nối kết Bức tường - Con ốc, vít - Lò xo xoắn - Lò xo thanh 1.2 Thí nghiệm kéo Người ta dùng thí nghiệm kéo để xác định độ chịu đựng của vật liệu khi bị kéo dãn ra và đồng thời khảo sát được lực kéo tác động làm biến dạng hình thể của vật liệu. Qua đó vật thí nghiệm và việc thực hiện thí nghiệm được tiêu chuẩn hóa và hệ thống hoá. PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
2 Với tác động của lực kéo, thanh nhỏ (vật thí nghiệ m) sẽ bị dãn ra cho đến khi hoàn toàn bị đứt làm đôi. Lực tác động và chiều dài dãn sẽ được đo và được ghi trên biểu đồ. Lực tác động trực tiếp thẳng góc với mặt cắt (mặt tiếp giáp) của vật thí nghiệm tạo ra hiệu ứng kéo. 1.2.1 Biểu đồ hiệu ứng kéo P: Ranh giới tỉ lệ thuận: Cho đến đây thì vật liệu vẫn còn giữ được tính đàn hồ i (dãn ra và co về dạng ban đầu). S: Ranh giới dãn : Vật liệu bị kéo dãn, mất tính đàn hồ i B: Ranh giới đứt : Nơi đây lực kéo lên đến điểm cao nhất , hiệu ứng kéo đạt kết quả Z : Ranh giới xé đứt: Nơi đây thanh mẩu bị đứt ra 1.2.2 Công thức tổng quát để tính hiệu ứng kéo 1.2.3 Thí dụ phép tính độ bền Một dây điện đồng có đường kính d = 2,5 mm và hiệu ứng lớn nhất tác động lên diện tích mặt cắt là smax = 600N / mm2. Dây đồng sẽ chịu đựng một lực kéo lớn nhất bao nhiêu với độ an toàn S=3. Lời giải: Điều kiện cho trước * Đường kính của dây đồng : d = 2,5 mm * Hiệu ứng cao nhất của dây đồng : smax = 600N / mm2 * Diện tích mặt cắt ngang: So (mm2) và lực tác động cao nhất : Fmax (N) * Hệ số an toàn : S = 3 d2 * Pi 2,52 (mm) * Pi So = -------- = -------------------- = 4,9 mm2 4 4 600N / mm2 * 4,9 (mm2) Smax * So Fmax = ------------ = ------------------------------ = 981 N S 3 Sợi dây đồng nói trên chỉ chịu được lực kéo cao nhất là 981 N . PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
3 1.3 Độ cứng, thí nghiệm khảo sát độ cứng. Độ cứng là sức cản kháng của một vật thể nhằm chống lại lực nén của một vật khác từ bên ngoài. Độ cứng một mặt lệ thuộc vào cấu trúc phân tử mặt khác cũng lệ thuộc vào hiệu ứng. 1.3.1 Thí nghiệm thông qua lực nén lên bề mặt. Tất cả các phương pháp đều cùng thông qua một lực nén xác định, tác động lên bề mặt của mẩu thí nghiệm. Trị số cứng của các phương pháp khác nhau không thể so sánh được, vì thế người ta cũng không có đơn vị cho trị số độ cứng thí dụ như 240 HB; 640 HV..vv.. 1.3.2 Thí nghiệm Brinell HB thích hợp cho vật liệu có độ cứng trung bình và dộ bền dễ kiểm soát. Từ phương pháp Briell người ta có thể đo được trị số độ cứng như sau : s = 3,5 HB Phương pháp đo và tính đưọc quan sát từ hình vẽ đơn giản của thí nghiệm ở phần trên. 1.3.3 Thí nghiệm nhà họVickers HV thích hợp cho vật liệu có độ cứng ở mọi cấp độ cũng như cho thí nhiệm khảo sát các lớp mỏ ng và cứng phủ trên bề mặt các mẩu thí nghiệm. 1.3.4 Thí nghiệm Rockwell HRB thích hợp cho phương pháp đo độ cứng nhanh. Dụng cụ hình nón (HRC) được ứng dụng cho các vật liệu có độ cứng từ trung bình đến cao và qua đó người ta ghi nhận độ dày của mẫu thí nghiệm phải ít nhất lớn gấp 10 lần chiều sâu của dấu ấn PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
4 1.4 Một vài dụng cụ để thực hiện thí nghiệm khảo sát độ bền của vật liệu Thí nghiệm kéo thanh kim loại, thực hiện với nhiều thanh kim loại mỏng khác nhau thí nghiệm độ cứng Brinell và Vickers thí nghiệm độ cứng Roclwell Xác định lưu suất của C45, nhôm, đồng và chất dẻo.Chiều sâu Erichsen trên các thanh thép mỏng PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
5 Xác định cấu thành của hợp kim Đo bề dày của lớp tráng trên bề mặt của tấm kim loại mỏng 2. Vật lý chất dẻo 2.1 Hệ thống đo lường để chuẩn định thuộc tính của chất dẻo 2.1.1 Đơn vị ISO ( International Organization for Standardisation ) Chỉ có thông qua các phương pháp đo lường mới có thể diễn tả chính xác và so sánh khả thi giữa các vật liệu. Hệ thống đơn vị quốc tế ISO cũng phục vụ trong công nghệ chất dẻo để định tính cho vật liệu và những trị số của chúng. Trong lĩnh vực kiểm định nhựa, chuẩn ISO được áp dụng theo bản kê khai dưới đây : Chiều dài l Đơn vị cơ bản 1 m Mét Meter Khố i lượng m Đơn vị cơ bản 1 kg Kí-lô-gờ-ram Kilogramm Thời gian t Đơn vị cơ bản 1 s giây Sekunde Nhiệt độ T Đơn vị cơ bản 1 K Ken-vin Kelvin Cường độ dòng điện I Đơn vị cơ bản 1 A Am-pe Ampere 2.1.2 Các đơn vị dùng để dẫn giải 1 kg m s-2 Lực (Kraft) F 1N= σ 1 N m-2 Hiệu ứng (Spannung) 1 Pa = Áp lực (Druck) p 1 h Pa = 100 Pa = 1 bar 1 N mm-2 Độ bền (Festigkeit) 1 MPa = ε mm mm-1 Độ dãn (Dehnung) %= Lưu suất (Modul) E, G 1 MPa Năng lượng (Energie) U 1J= 1Nm 1 J s-1 Công suất (Leistung) P 1W ϑ Nhiệt độ (Temperatur) °C ρ g cm-3 oder kg m-3 Tỉ trọng (Dichte) cm3 g-1 Thể tích riêng (spezifisches Volumen) V kJ m-2 Độ quánh (Schlag-), Zaehigkeit η s-1 Độ nhờn (Viskositaet) J g-1 oder J mol-1 Trị số Enthalpie H W m-1 K-1 Trị số dẫn nhiệt (Waermeleitzahl) ν 1 s-1 Tần số (Frequenz) 1 Hz = 1 W A-1 Điện thế (elektr. Spannung) U 1V= 1Ω = 1 V A-1 Điện trở (elektr. Widerstand) R 1 A s V-1 Điện dung (elektr. Kapazitaet) C 1F= PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
6 2.1.3 Những thí nghiệm cơ học để chuẩn định thuộc tính của chất dẻo Tên gọi Đơn vị giải thích / phương pháp thí nghiệm -2 Hiệu ứng kéo (Zugspannung) Trị số hiệu ứng trên biểu đồ hiệu ứng kéo dãn N mm N mm-2 Độ bền xé (Reissfestigkeit) Hiệu ứng đứt trên biểu đồ hiệu ứng kéo dãn -1 Độ dãn xé ( Reissdehnung) mm mm (%) Sự thay đổ i chiều dài, so với chiều dài ban đầu Độ bền kéo theo thời gian Hiệu ứng bền, với thời gian 1000 giờ cho -2 các thanh thí nghiệm không bị bứt đứt (Zeitstand-Zugfestigkeit) N mm N mm-2 Độ bền nén cong (Biegefestigkeit) Hiệu ứng gãy từ thí nghiệm nén cong với 1 đến 4-điểm-ấn lên thanh thí nghiệm N mm-2 Độ bền áp lực (Druckfestigkeit) Hiệu ứng bắt đầu chảy (kéo chỉ) trên biểu đồ hiệu ứng-áp lực N mm-2 Độ bền cắt (Scherfestigkeit) Lực được tác động để cắt đứt mẩu thí nghiệm có đường kính D và bề dày d N mm-2 Hiệu ứng cắt (Scherspannung) Hiệu ứng cắt đứt ghi trên biểu đồ -2 Hiệu ứng dãn (Streckspannung) Hiệu ứng tại điểm đầu tiên, trên biểu đồ N mm hiệu ứng kéo dãn, không còn độ dốc. Lưu suất đàn hồ i (Elastizitaetsmodul) N mm-2 Phạm vi t ỉ lệ thuận của hiệu ứng kéo và độ dãn, độ dãn thường rất nhỏ. Lưu suất dãn thể động (Schubmodul) N mm-2 Tương tự như lưu suất đàn hồ i , tuy nhiên trong điều kiện ở thể động Lưu suất dãn thể tĩnh (Kriechmodul) N mm-2 Hiệu ứng dãn trong điều kiện ở thể tĩnh và lệ thuộc vào thời gian thí nghiệm N cm-1 Độ bền xé (Einreissfestigkeit) Lực xé về phía độ bền dãn N cm-1 Lực xé tỉ lệ với bề dày của vật thí nghiệm Độ bền xé ( Weiterreissfestigkeit) kJ m-2 Độ dai đập (Schlagzaehigkeit) Công cần thiết để đập gãy một vật thí nghiệm Độ dai đập rảnh (Kerbschlagzaehigkeit) kJ m-2 Tương tự như trên với thí nghiệm con lắc đập µm km-1 Chà (mài) khô một mẩu thí nghiệm với độ mỏng µm Chà-,mài khô để xác định thuộc tính chịu đựng của nó. N mm-2 Bi nén cứng Lực nén của hòn bi thép v/d có đường kín 5 mm tác động lên vật thí nghiệm tạo tra dấu ấn, xác định thuộc tính chịu đựng Thanh cứng Dấu ấn vào vật thí nghiệm, lệ thuộc vào lực-khoảng cách Shore D Ứng xử nhiệt và điện thông qua Thí nghiệm giữa hai điện cực để đo hệ số mất điện, khi dòng điện trở trơ với điện xoay chiều F điện đi qua vật liệu và lệ thuộc vào tầng số khác nhau. Độ bền với dòng điện MV mm-1 Hiệu ứng bền giữa hai điện cực, khi dòng điện đi qua Độ bền dẫn điện Điện thế sinh ra bởi hiện tượng thủy phân, kV được dẫn qua vật thí nghiệm. W m-lK-1 Khả năng dẫn nhiệt Năng lượng (nhiệt) đo được khi dòng điện đi qua vật thí nghiệm với nhiệt độ và có bề dày nhất định 2.2 Mẩu thí nghiệm – hình dáng, sự chế tạo và các chuẩn. Người ta thông qua chuẩn DIN ( Deutsches Institut fuer Normung ) hay ISO ( International Organization for Standardisation ) hay ASTM ( American Society for Testting Materials ) để thống nhất hình dáng và kích thước các mẩu thí nghiệm, tạo thuận tiện cho việc chuẩn định và so sánh thuộc tính cơ-, vật lý-học giữa các loại chất dẻo với nhau. Hình dáng mẫu thí nghiệm có ảnh hưởng rất lớn đối với kết quả của thí nghiệm. Giữa các chuẩn kỹ nghệ Đức (DIN), chuẩn thí nghiệm của Mỹ (ASTM) và chuẩn quốc tế (ISO) cũng có nhiều khác biệt. Ngoài ra yếu tố chế tạo ra vật thí nghiệm cũng đóng vai trò quan trọng hơn hình dáng của nó. Thí dụ kết quả thí nghiệm sẽ không giống nhau đối với một loại chất dẻo, mặc dù hình thể vật thí nghiệm giố ng nhau, nhưng khác nhau về phương pháp, điều kiện chế biến, nhiệt độ, áp suất trong quá trình chế tạo ra nó. Cuối cùng việc chuẩn bị trước cho vật thí nghiệm cũng là yếu tố quan trọng. Thí dụ : kết quả thí nghiệm cũng khác PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
7 nhau đố i với Polyamid trước khi thí nhiệm được bảo quản thật khô, hay ngâm trong nước với thời gian 4 tuần. Thí dụ này cho thấy Polyamid có thuộc tính lệ thuộc độ ẩm rất cao ( điều kiện môi trường ). Do đó chuẩn thí nghiệm diễn giải rất rỏ không những chỉ với yếu tố chế tạo, hình dáng mà còn đối với điều kiện chuẩn bị trước cũng như điều kiện khí hậu, nhiệt độ mội trường cho vật thí nghiệm. Nói tóm lại, thí nghiệm không phải chỉ mới bắt đầu khi vật thí nghiệm được cho vào máy hay dụng cụ thí nghiệm. Chuẩn định cho một vài mẩu thí nghiệm ( chất dẻo ) 2.3 Những trị số cơ học 2.3.1 Độ bền nén cong, độ dai đập, độ dai đập rãnh. Các phương pháp thí nghiệm DIN 53452, ASTM D 790, ISO R178 độ bền nén cong DIN 53453 , ASTM D 256, ISO R 179 độ dai đập DIN 53453 ASTM D 256, ISO R 18 độ dai đập rãnh ( thanh thí nhiệm có rãnh ). DIN 51950 thí nghiệm nén cong có phụ gia, DIN 51222 con lắc đập ( búa quay ). 1.3.1.1 Độ bền nén cong Độ bền nén cong của vật liệu là trị số của lực cần thiết để ấn gãy một thanh thí nghiệm khi lực đó tác động trực tiếp nén cong nó. Người ta dùng một dụng cụ tương đối đơn giản để thực hiện thí nghiệm với lực tác động lên thanh thí nghiệm, gác lên hai đầu cố định có khoảng cách được định trước theo hình vẽ đơn giản bên dưới.Tốc độ lực nén không thay đổi và được định trước. Sau thời gian khoảng 2 phút hiện tượng gãy xảy ra. Thanh thí nghiệm có kích thước 120x15x10 mm đố i với nhựa cứng và kích thước cho thanh nhỏ tiêu chuẩn 50x5x4 mm đối với nhựa nhiệt. Độ bền nén cong được tính bằng đơn vị kp/ cm2 theo công thức tổng quát tính độ bền σ = F/S0 . Kết quả độ bền nén lệ thuộc vào lực nén F, diện tích mặt cắt ngang của thanh thí nghiệm, vận tốc lực nén và khoảng cách bị nén cong của thanh thí nghiệm. PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
8 Xác định độ bền nén cong hay hiệu ứng nén cong giới hạn Dụng cụ thí nghiệm để xác định độ bền nén cong Tuy nhiên thí nghiệm độ bền nén cong không có tác dụng đối với các loại nhựa mềm và có tính đàn hồ i cao hay một số các loại nhựa-nhiệt và nhựa-đàn hồ i ( vì không làm gãy được thanh thí nghiệm). Trong trường hợp này người ta phải dùng đến thí nghiệm 1.3.1.2 Độ dai đập Trong khi thí nhiệm độ bền nén cong được thực hiện với lực nén lên thanh thí nghiệm với vận tốc tương đối chậm thì thí nghiệm độ dai đập trái lại được thực hiện với một lực đập thật nhanh. Thông qua thí nghiệm đập cong này người ta xác định được thuộc tính dai của nhựa. PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
9 người ta dùng một dụng cụ với tên gọ i con lắc đập hay búa quay để thực hiện thí nghiệm xác định độ dai đập. Thí nghiệm này theo Charpy tương ứng với thí nghiệm độ bền nén cong đã diễn tả ở trên, có nghĩa là thanh thí nghiệm được đặt trên hai bờ tựa và búa quay, trước đó được nâng lên ở một độ cao xác định, sẽ đập vào giữa hai điểm tựa của thanh thí nghiệm. Độ cao khởi đầu của búa quay có thể quy định với trị số tương ứng được đọc trên bảng ghi chia đơn vị năng lượng ( kpcm). Năng lượng này, liên quan đến diện tích mặt cắt thẳng góc ( với lực tác động ) của thanh thí nghiệm, được gọi tên là độ dai đập và được tính với đơn vị kpcm/ cm2 ( hay N mm-2 ) Dụng cụ thí nghiệm xác định độ dai đập 2.3.2 Độ bền kéo Các phương pháp thí nghiệm DIN 53455, ASTM D 638 thí nghiệm với các loại nhựa. Thí nghiệm kéo DIN 53504, ASTM D 882 thí nghiệm kéo với nhựa đàn hồ i. Thí nghiệm kéo DIN 53571, ASTM D 651 thí nghiệm cho nhựa bọt đàn hồ i-mềm. Thí nghiệm kéo DIN 53448 thí nghiệm với các loại nhựa. Thí nghiệm kéo đập DIN 53507 thí nghiệm với cao su tổng hợp, thí nghiệm xé tiếp tục với tấm nhựa thí nghiệm DIN 53515 thí nghiệm xé tiếp tục với mẩu thí nghiệm có góc 90 ° DIN 53356 thí nghiệm với da nhân tạo. Thí nghiệm xé tiếp tục với tấm nhựa thí nghiệm DIN 53575 thí nghiệm với nhựa bọt đàn hồi-mềm. Thí nghiệm xé tiếp tục DIN 53363 thí nghiệm với phim nhựa. Thí nghiệm xé tiếp tục với tấm phim mỏ ng hình thang DIN 1602 thí nghiệm đo độ bền với các vật liệu kim loại Có rất nhiều chuẩn để xác định độ bềnh kéo của chất dẻo. Những chuẩn này được áp dụng tùy theo mổ i loại chất dẻo. Phương pháp quan trọng nhất thường được áp dụng là thí nghiệm xác định độ bền kéo theo DIN 53455. Thông qua thí nghiệm này thanh (mẩu) thí nghiệm được chế tạo theo những tiêu chuẩn đã định trước, nó được kẹp chặt hai đầu vào máy kéo và được kéo dãn ra theo chiều dài cho đến khi bị đứt làm đôi. Tùy theo thuộc tính khác nhau của mổ i loại chất dẻo từ cứng, dòn, mềm, đàn hồ i..vv..mà người ta chọn cho nó một thanh thí nghiệm có hình dáng khác nhau.Thí dụ cho loại chất dẻo cứng, dòn cần một thanh thí nghiệm có bề dày tương đối nhỏ hơn loại chất dẻo mềm, dai. PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
10 Thí nghiệm đo độ bền kéo và độ dãn đứt Máy đo độ bền kéo sẽ ghi lại những biểu hiện và trạng thái của lực kéo trong suốt thời gian tác động lên thanh thí nghiệm và nhất là khi lực lên đến cao nhất. Độ bền là sức chịu đựng của thanh thí nghiệm khi lực kéo cao nhất tác dụng vào diện tích mặt cắt ngang thẳng góc của nó, lực này không nhất thiết lệ thuộc vào thời điểm đứt hay trong suốt quá trình thí nghiệm kéo. Trong khi hiện tượng đứt diễn ra cùng với lực kéo cao nhất sẽ bắt đầu xuất hiện lực kéo thấp hơn tương ứng với độ bền xé. Độ bền kéo và độ bền xé chỉ giố ng nhau khi lực kéo đứt luôn ở trị số cao nhất và không thay đổ i trong suốt thời gian thí nghiệm kéo. Điều này có nghĩa là tùy theo mổ i loại chất dẻo, hình dáng thanh thí nghiệm, vận tốc kéo, nhiệ t độ…vv…mà lực kéo cao nhất trong nhiều trường hợp khác nhau của thí nhiệm có thể đạt được. 2.3.3 Một vài khái niệm trong thí nghiệm nén và kéo 2.3.3.1 Hiện tượng gãy ( đứt ) Gãy (đứt) là biểu hiện biến dạng của vật liệu khi chịu trọng tải cao nhất, lệ thuộc vào hiệu ứng (kéo hay nén) và độ dãn được ghi lại qua thí nghiệm. Biểu hiện gãy của các loại chất dẻo không đồng nhất, thường lệ thuộc vào các thông số vận tốc tác động, nhiệt độ và trạng thái hiệu ứng. Thí nghiệm kéo cho thấy các loại chất dẻo dòn bị kéo đứt rời ra trong khi đó các loại dai sẽ bị kéo chỉ dãn ra sau đó tiến đến biến đứt làm đôi. Tuy nhiên nếu với điều kiện nhiệt độ thấp hay vận tốc tác động ( kéo ) thật nhanh thì cả hai loại chất dẻo dòn và dai cũng có biểu hiện tương tự như nhau. Biểu hiện gãy (đứt) trong thực tế biến dạng tự do và thẳng góc với chiều tác động . PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
11 Biểu hiện gãy đứt của chất dẻo cứng dòn, sơ đồ hiệu ứng dãn 2.3.3.2 Hiện tượng biến dạng đứt ( kéo chỉ ) Chất dẻo dai trước khi đi đến hiện tượng đứt sẽ trải qua một pha biến dạng nhiều hay ít tùy theo chất liệu, vận tốc, nhiệt độ..vv..Vật thí nghiệm sẽ bị kéo dài ra theo chiều dài, chiều tác động, cho đến ranh giới chảy ( kéo chỉ ). Hiện tượng kéo chỉ này bắt đầu ngay khi biểu đồ hiệu ứng dãn đạt mức tối đa. Biểu hiện đứt của nhựa dai, sơ đồ hiệu thế dãn Diễn tiến của hiện tượng đứt biến dạng có thể rất phức tạp tùy theo các điều kiện lệ thuộc như đã nói ở trên. Từ đó cho kết quả đồ thị hiệu ứng dãn cũng khác nhau v/d đối với vật thí nghiệm có cùng chất liệu nhưng điều kiện nhiệt độ, vận tốc tác động, trạng thái tĩnh, trạng thái động..vv… Kết quả ghi trên biểu đồ hiệu ứng dãn sẽ khác nhau. Người ta tạm lấy đường thẳng 45 ° làm ranh giới phân chia các loại chất dẻo có thuộc tính từ cứng dòn, đàn hồ i dai và đàn hồ i mềm theo Sơ đồ cơ bản của đồ thị hiệu ứng dãn dưới đây Sơ đồ cơ bản của đồ thị hiệu ứng dãn PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
12 Biểu đồ hiệu ứng-dãn, được máy kéo ghi lại, thật ra không phải hiệu ứng (N mm-2 ) mà chính là t ỉ lệ tương quan của lực kéo ( N ) lệ thuộc vào độ dãn của vật thí nghiệm, và độ dãn là chiều dài tính từ điểm ranh giới kéo chảy đến ranh giới đứt của thanh thí nghiệm, chiều dài này được ghi lại bằng biểu đồ biến dạng-lực hay biểu đồ hiệu ứng dãn. Khi quan sát hình dáng cơ bản của đồ thị hiệu ứng dãn cho ta những phân biệt tổng quát: Đối với nhựa cứng hay dòn có đường đồ thị dốc đứng và dường đồ thị thấp và phẳng hơn cho các loại nhựa đàn hồ i, mềm và dai….vv..Khi lực kéo đạt đến tối đa sẽ suất hiện điểm khởi đầu ranh giới chảy còn gọi là “yield point” ( theo DIN 1602) cho các vật với đầy đủ ý nghĩa có độ bền khi ranh giới chảy được xác định Biểu đồ-hiệu ứng -dãn Khảo sát quá trình thí nghiệm kéo cho thấy : Một thanh thí nghiệm có diện tích mặt cắt ngang Fo và một chiều dài đo được lo chịu tác dụng bởi lực kéo P bị kéo dài thêm một đoạn Δl. Trong tỉ lệ tương quan của biểu đồ hiệu ứng-dãn ta có được công thức σ= P/Fo (N mm-2 ) và độ dãn tương đối ε = Δl / lo ( thông thường độ dãn được diễn tả theo tỉ lệ % có nghĩa là trị số độ dãn được chọn trong hệ thống trục tọa độ ε = (Δl / lo).100 % . Trước tiên hiệu ứng σ tỉ lệ thuận với độ dãn. Sau khi qua khỏ i ranh giới dãn hiệu ứng nhỏ lại và tiếp tục tăng lên lại cho đến ranh giới đứt, độ dãn và lực kéo đạt mức tối đa. Sau đây là những điểm trên đồ thị σp = Ranh giới t ỉ lệ thuận: Cho đến đây thì hiệu ứng tỉ lệ thuận với độ dãn. Điều này có nghĩa là hiệu ứng của thanh thí nghiệm vẫn còn nhỏ hơn hiệu ứng giới hạn. Khoảng cách giữa điểm đầu tiên và σp gọi là vùng tỉ lệ thuận hay vùng Hooke ( tên của ông Robert Hooke, 1635-1703, một nhà vật lý học lần đầu tiên tìm ra công thức diễn tả sự lệ thuộc giữa lực và sự biến đổi dạng của thanh thí nghiệm ). Đối với kim loại vùng tỉ thuận thường rất lớn và đố i với nhựa thì trái lại rất nhỏ hầu như không đáng kể. Nhựa đàn hồ i hay cao-su hoàn toàn không có vùng Hooke thật sự.Trong vùng Hooker sự biến dạng có tính thuận nghịch, có nghĩa là với thời gian nhất định ở trạng thái t ĩnh để tự do vật thí nghiệm sẽ trở về dạng lúc khởi đầu. Đối với nhựa có trộn chất làm mềm thì hiện tượng biến dạng thuận nghịch không xãy ra. σ0,1 = 0,1 % - ranh giới dãn: cho kết quả hiệu ứng kéo làm dãn một trị số ε = 0,1 % trên đường đồ thị dốc đứng trong vùng tỉ lệ thuận. σ1,0 = 1 % - ranh giới dãn: là hiệu ứng tương ứng độ dãn ε = 1 % trên đường đồ thị trong vùng tỉ thuận. Ranh giới dãn này được gọi là ranh giới dãn phần trăm, là ranh giới dãn cao nhất có thể chịu đựng được. PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
13 σs = Ranh giới duỗ i: Theo DIN 1602 là “ hiệu ứng “ dãn qua khỏi mức dãn có thể chịu đựng và hiện tượng biến dạng không còn thuận nghịch nữa. Ngay lúc này lực kéo hiễn thị trên máy không thay đổi. Tại điểm này hiệu ứng rất lớn sẽ làm cho vật thí nghiệm bị kéo sợi rất rõ. Hiện tượng kéo chảy bắt đầu. Tại điểm này cũng gọ i là ranh giới dãn-duỗi εs σB = Độ bền kéo: là sức chịu đựng cao nhất của chất dẻo (hay vật liệu nói chung), trong suốt thời gian thí nghiệm. Lực kéo tác dụng trực tiếp vào diện tích mặt cắt ngang lúc ban đầu Fo của thanh thí nghiệm. Trong một vài trường hợp riêng độ bền kéo cũng giống với ranh giới duỗ i hay độ bền xé. Độ dãn cao nhất liên hệ với độ bền kéo là ε Pmax. σR = Độ bền xé: là lực kéo đứt, có tương quan đến mặt cắt ngang lúc ban đầu của thanh thí nghiệm. Đây là hiệu ứng kéo thật sự xãy ra ngay trong khoảnh khắc của hiện tượng đứt, thanh thí nghiệm bị kéo mạnh thành sợi nhỏ và mặt cắt ngang rất nhỏ hơn so với lúc ban đầu. Độ dãn xé liên hệ với độ bền xé là εR Dưới đây là hai thí dụ để diễn giải rõ hơn về biểu đồ hiệu ứng-dãn đối với Polyacetal, tượng trưng cho một loại chất dẻo cứng và Polypropylen tượng trưng cho loại chất dẻo ít cứng hơn. Polyacetal có độ bền kéo 70 N/mm² ; Vùng t ỉ lệ thuận đạt đến 35 N/ mm², có nghĩa là đạt đến 50 % của độ bền kéo; ranh giới dãn của nó từ 0,1 % đến 1,0 % tương ứng với hiệu ứng 42,5 N/mm² hay 52,5 N/ mm², có nghĩa là đạt đến 60 % hay 75 % của độ bền, và độ dãn liên hệ là ε0,1= 1,3 % và ε 1,0= 2,5 % . Trong khi đó Polypropylen có độ bền kéo 32 N/ mm², nhưng vùng tỉ lệ thuận chỉ đạt đến 6 N/ mm², có nghĩa là chỉ đến 20 % của độ bền kéo; ranh giới dãn 0,1 % hay 1,0 % tương ứng với hiệu ứng 100 kp/ cm² hay 16,5 N/ mm², có nghĩa là khoảng 30 % hay 50 % của độ bền kéo, độ dãn ε 1,1 hay ε 1,0 tương ứng với độ dãn 1,0 % hay 2,5 %. Qua hai thí dụ này cho thấy vùng tỉ lệ thuận của chất dẻo có được khi lực kéo chỉ làm biến dạng rất ít thanh thí nghiệm, diều này tương tự như đối với các kim loại. ε σ Kết quả của hai thí dụ trên cũng cần phải thỏa các điều kiện như vận tốc kéo, nhiệt độ, độ ẩm . Nếu thời gian tác động hay vận tốc tác động giãm xuống sẽ làm cho đồ thị chịu đựng-dãn biến dạng càng lài hơn và ranh giới duỗ i hay độ bền đứt giãm theo. Biểu đồ hiệu ứng-dãn của chất dẻo tương đối cứng sẽ thay đổ i với nhiều dạng khác nhau nếu thời gian kéo dài hơn bình thường khoảng 2-3 phút. Đặc biệt đối với các loại chất dẻo có độ dai-đàn hồ i cao thì vận tốc tác động phải được định trước, nếu không sẽ cho những kết quả không thể so sánh được. Dưới đây là hai thí dụ điển hình thông qua biểu đồ hiệu ứng dãn của Polyamid 66 sẽ thay đổ i theo điều kiện nhiệt độ và thời gian thí nghiệm khác nhau. PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
14 . Các vật lịệu phụ gia v/d sợi thủy tinh cũng làm cho biểu đồ hiệu ứng-dãn của vật liệu thí nghiệm thay đổi rất lớn. Nói khác đi sợi thủy tinh phụ gia sẽ làm gia tăng độ bền kéo của chất dẻo. Thí dụ so sánh biểu đồ hiệu ứng-dãn của Polyester ( có tỉ lệ khác nhau của sợi thủy tinh) với PMMA, PC và PE không có phụ gia cho thấy độ bền kéo của Polyester thay đổ i rất lớn So sánh biểu đồ hiệu ứng-dãn kéo giữa Poyester đói với PMMA, PC, PE 2.3.4 Thí nghiệm xé và thí nghiệm xé tiếp. Đối với các loại chất dẻo có tính đàn hồ i cao v/d cao-su tổng hợp, phim nhựa và nhựa xốp đàn hồ i- mềm người ta khảo sát với các thí nghiệm xé và xé tiếp. Theo DIN 53513 ( cao-su và phim) và DIN 53575 (nhựa xốp), vật thí nghiệm có dạng góc được kẹp vào máy kéo để khảo sát. Đối với thí nghiệm xé theo DIN 53356 ( da nhân tạo ) và DIN 53507 ( cao-su và phim ) vật thí nghiệm được cắt thành những tấm nhỏ và ngay chính giữa cũng được cắt từ cạnh vô đến PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
15 trung tâm ( xem hình bên dưới ). Lực cần thiết để xé tiếp tác dụng trực tiếp vào bề dày của của tấm nhựa thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm xé tiếp cho thấy độ bền của tấm phim nhựa cấu trúc nhiều chiều (biaxial) có độ bền xé lớn hơn so với nhựa cấu trúc một chiều “uni-axial”. mẩu thí nghiệm dạng góc cho thí mẩu thí nghiệm dạng lưỡi cho thí nghiệm xé tiếp ( theo DIN 53575 ) nghiệm xé tiếp ( theo DIN 53356 ) Các thí nghiệm xé và xé tiếp trên nguyên tắc cũng giống như các thí nhiệm xác định độ dai đập và độ dai đập-rãnh, đặc biệt dành cho các loại phim nhựa. Qua thí nghiệm xé cho thấy độ bền xé của tấm phim sẽ kém hơn khi các cạnh chung quanh có đường rách hay cắt trước, do đó khi chế biến hay gia công phim nhựa phải chú ý đến phương pháp ứng dụng, thí dụ khi muốn nố i hai tấm phim nhựa lại với nhau thì phương pháp hàn vẫn tốt hơn phương pháp may. vì đường kim may sẽ tạo nên những vết nứt rãnh có ảnh hưởng đến độ bền xé. 2.4 Lưu suất đàn hồi và lưu suất dãn. Phương pháp thí nghiệm DIN 53457 thí nghiệm với nhựa. Xác địng lưu suất đàn hồ i với các thí nghiệm kéo, áp lực và thí nghiệm nén cong DIN 53445 xác định lưu suất đẩy với thí nghiệm chấn động xoắn DIN 53426 thí nghiệm với nhựa bọt. Xác định lưu suất đàn hồ i thể động và những hệ số tổn thất với phương pháp chấn động kế. 2.4.1 Lưu suất đàn hồi Nếu chỉ với độ bền của nhựa được xác định theo chuẩn thì người kỹ sư không thể bắt đầu cho các tính toán được. Những biểu hiện của vật liệu trước khi đạt đến ranh giới duỗ i hay kéo đứt cũng rất quan trọng đến những hệ số tính toán bởi vì các vật dụng cấu tạo bằng chất dẻo không được phép gãy, trái lại trước đó phải được lý giải và xác minh về độ bền và độ cứng. Qua đây một phạm trù tương đối khó hình dung cho những ai không thuộc giới kỹ thuật, được nói đến đó là lưu suất dãn, còn được gọi tắt là lưu suất-E. Phạm trù này đi chung với hiện tượng-hiệu ứng-dãn của vật liệu và dùng đề diễn giải đơn giản thí nghiệm kéo. Trong khi thực hiện thí nghiệm kéo người ta xác định rằng độ dài thêm (dãn ) Δl của vật thí nghiệm càng lớn khi 1. Lực kéo P càng lớn 2. Độ dài lúc ban đầu lo càng lớn. 3. Diện tích mặt cắt ngang Fo càng nhỏ 4. Độ cứng-dãn của vật liệu càng ít. Những liên hệ này được diễn tả bằng công thức Trong công thức này E là trị số “độ cứng dãn” của vật liệu và cũng được gọi là lưu suất đàn hồ i. Ghi chú: E = lưu suất đàn hồ i ( N mm-2 ) PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
16 P = lực kéo ( N ) Fo = diện tích mặt cắt ngang lúc bang đầu ( mm² ) Lo = chiều dài lúc ban đầu của vật thí nghiệm ( mm ) Δl = chiều dài thêm khi bị kéo dãn ( mm ) Trong công thức tính lưu suất đàn hồ i người ta lưu ý đến cũng được diễn tả với công thức: Từ mố i tương quan đơn giản trên cho phép ta hiểu lưu suất đàn hồ i tương ứng với hiệu ứng kéo khi độ dãn ε = 1 có nghĩa là 100 % khi Δl = lo, điều này chỉ thoả với điều kiện độ dãn hoàn toàn đạt được đàn hồi. Trên thực thế không có một loại vật liệu có thuần tính dãn-đàn hồ i nên người ta chỉ tạm chấp nhận tính tương đố i thôi và đi đến kết luận. Lưu suất đàn hồi của vật liệu càng lớn thì độ dãn của nó càng nhỏ. Nói tóm lại lưu suất đàn hồ i là tỉ lệ cũa mố i tương quan : hiệu ứng / sự biến dạng Thông thường thì hiệu ứng đàn hồi rất khó xác định từ biểu đồ hiệu ứng-dãn. Người ta gián tiếp ứng dụng thí nghiệm nén cong với thanh thí nghiệm tựa trên 3 điểm và lực nén sẽ tác dụng vào điểm giữa thanh. Qua thí nghiệm này lưu suất đàn hồ i sẽ được tính bằng công thức Ghi chú : P = áp lực ( N ) l = chiều dài giữa hai điểm tựa ( mm ) b = chiều rộng của thanh thí nghiệm ( mm ) h = chiều dầy của thanh thí nghiệm ( mm ) δ = khoảng cách nén cong tại điểm tác động, giữa hai điểm tựa ( mm ) Nếu người ta thực hiện thí nghiệm với nhiều điểm hơn thay vì chỉ có ba điểm thì kết quả của lưu suất đàn hồ i ( lưu suất –E ) sẽ chính xác hơn. Lựa tác động chỉ được cao đến giới hạn khi lưu suất-E vẫn còn thuộc trong vùng Hooke, nghĩa là sự biến dạng phải thỏa điều kiện thuận nghịch ( dãn ra và co lại như lúc khởi đầu ). Biểu đồ xác định lưu suất-E từ các thí nghiệm-kéo, -nén và nén cong theo DIN 53457 diễn tả chính xác hơn với vận tốc làm biến dạng 1 % / phút cho chúng ta thấy cả ba phương pháp đều cho kết quả giống nhau của lưu suất đàn hồ i. Người thiết kế bắt buột phải lưu ý đến yếu tố này trong quá trình tính toán, thiết kế tạo dáng các vật dụng bằng nhựa . OP = đường tangen của đồ thị hiệu ứng-dãn điểm E = σ0,1 = 0,1 % - ranh giới dãn OS = đường cắt đồ thị hiệu ứng-dãn Lưu suất-đường tangen và lưu suất-đường cắt PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de