giáo trình Công nghệ chất dẻo phần 2

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

Thêm vào BST

Báo xấu

222
lượt xem 125
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

17 Tóm lại lưu suất đàn hồi lệ thuộc vào vận tốc tác động ( kéo, nén, nén cong ) hay còn gọi là vận tốc làm biến dạng. Vận tốc tác động càng lớn thì đồ thị hiệu ứng-dãn càng dốc đứng có nghĩa là lưu suất đàn hồi càng lớn. Nói cách khác nếu lưu suất đàn hồi càng nhỏ thì vận tốc tác động càng kéo dài lâu hơn. Trong trường hợp này người ta không gọi là lưu suất đàn hồi nữa mà gọi với tên ...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: giáo trình Công nghệ chất dẻo phần 2

17 Tóm lại lưu suất đàn hồi lệ thuộc vào vận tốc tác động ( kéo, nén, nén cong ) hay còn gọ i là vận tốc làm biến dạng. Vận tốc tác động càng lớn thì đồ thị hiệu ứng-dãn càng dốc đứng có nghĩa là lưu suất đàn hồ i càng lớn. Nói cách khác nếu lưu suất đàn hồi càng nhỏ thì vận tốc tác động càng kéo dài lâu hơn. Trong trường hợp này người ta không gọi là lưu suất đàn hồ i nữa mà gọi với tên là lưu suất biến dạng hay lưu suất thư giãn. Đây cũng là một thuộc tính dãn của nhựa lệ thuộc vào lực tác động và yếu tố thời gian. 2.4.2 Hiệu ứng đẩy ( Trị số đo của thuộc tính cứng ) Một phương pháp khác được ứng dụng để xác định lưu suất đàn hồ i trong trường hợp vận tốc làm biến dạng tương đối lớn được gọi là thí nghiệm chấn động xoắn ( DIN 53445 ). Người ta xử dụng một dụng cụ đo chấn động xoắn để ghi lại chấn động tự do của thanh thí nghiệm khi bị lực tác động. Thanh thí nghiệm được kẹp chặt vào vị trí kẹp trên và dưới của máy ghi chấn động xoắn theo hình vẽ đơn giản dưới đây. Người ta thực hiện thí nghiệm chấn động xoắn để xác định lưu suất đẩy (hay lưu xuất xoắn) trong điều kiện lệ thuộc vào nhiệt độ khối lượng. Lưu suất G là lực cần thiết để làm xoắn một mẩu thí nghiệm có diện tích mặt cắt ngang Q (mm2), chu vi vòng xoắn (mm) được đo bởi tia sáng phản chiếu trên mặt gương do lực đẩy tác dụng vào thanh cản. Lực đẩy (N) xác định số lượng của cường độ chấn động. Đối với nhựa không có tính đàn hồ i cao thì biên độ chấn động (lực đẩy) sẽ hạ thấp rất nhanh hay còn gọi là chấn động hãm. Các biên độ A1, A2, A3,....,An của chấn động nhỏ dần đều và chấn động giảm dần được diễn tả bởi công thức Λ = ln A1/A2 ln An / An+1 . Hệ số giảm cơ học d kết hợp với biên độ qua tỉ lệ Lưu suất đẩy cũng tính được từ thí nghiệm xác định lưu suất đàn hồ i trong trường hợp tác động chấn động rung ở thể động nếu người ta biết trước được hằng số Poisson μ của vật liệu (của thanh thí nghiệm). Hằng số này lệ thuộc vào sự thay đổ i thể tích của vật liệu khi bị biến dạng. Đối với các vật liệu không có sự thay đổi thể tích v/d cao-su có hằng số μ lớn nhất 0,5, đối với các loại nhựa cứng thì hằng số μ nằm trong khoảng 0,3, và cho các loại nhựa ít cứng hơn thì hằng số μ nằm trong khoảng 0,4 và 0,5. Mối tương quan giữa lưu suất đàn hồ i E, lưu PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
18 suất đẩy hay lưu suất xoắn G và hằng số μ được diển tả bằng công thức E = 2G (1+μ ) và để đơn giản hóa người ta diển tả công thức tính lưu suất đàn hồ i như sau : E = 2,8.G. Kết quả đo được của hiệu suất đẩy hay hiệu suất đàn hồ i lệ thuộc rất nhiều vào yếu tố nhiệt độ. Sau đây là một vài thí dụ so sánh thuộc tính vật lý khác nhau của giữa nhựa và kim loại thông qua các thí nghiệm xác định độ bền, lưu suất đàn hồi, độ cứng dãn..vv….. Cấu trúc khác nhau của vật liệu tự nó đã cắt nghĩa được cơ bản tại sao độ bền của chất dẻo thấp hơn kim loại. Thông qua bảng so sánh độ bền-kéo giữa chất dẻo và kim loại cho ta thấy độ bền của các loại chất dẻo không có phụ gia thấp hơn các kim lo ại thường dùng. Độ bền của chúng được gia tăng đáng kể với ảnh hưởng của phụ gia với tơ sợi ( thiên nhiên hay nhân tạo ), và với sợi thủy tinh. Tuy nhiên những trị số đo được trong bảng so sánh này cũng chỉ có giá trị tương đối ( trị số ngắn hạn ). Trên thực tế còn rất nhiều những yếu tố quan trọng khác trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau. Ngoài ra do chất dẻo có tỉ trọng thấp nên khi được phụ gia với sợi thủy tinh, độ bền gia tăng, cũng có thể so sánh với các kim loại nhẹ và cứng. Trên lý thuyết chất dẻo phụ gia đạt yêu cầu đòi hỏ i thay thế các bộ phận bằng kim loại với lực tác động kéo, điều kiện trọng lượng. Điều này thật ra cũng khó trở thành hiện thực, đòi hỏ i nhiều cân nhắc. Một mặt chất dẻo lệ thuộc vào điều kiện thay đổ i không điều nhau về số lượng và giá cả, mặt khác chúng có thuộc tính dãn nở cao ( đồng nghĩa với lưu suất-đàn hồ i thấp). Đây là yếu tố có tính quyết định cản trở độ bền lý thuyết của chất dẻo có thể được xử dụng hoàn toàn. Trong bảng so sánh lưu suất-đàn hồ i giữa chất dẻo và kim loại cho thấy các trị số lưu suất-đàn hồ i của chất dẻo quá thấp so với nhôm và magnesium. Đây là lý do cơ bản khiến cho các nhà thết kế do dự trong việc thay thế chất dẻo đối với một số các bộ phận bằng kim loại bởi vì trị số lưu suất-đàn hồi thấp sẽ đặc biệt tác dụng đến điều kiện chịu đựng lực kéo, nén, nén cong, chấn động xoắn..vv.. Nếu so sánh với độ cứng-dãn PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
19 riêng, có nghĩa là tỉ lệ lưu suất-đàn hồ i đối với t ỉ trọng thì sự khác biệt giữa nhựa và kim loại càng lớn hơn. 2.5 Những thí nghiệm với thời gian dài Các phương pháp thí nghiệm DIN 50118/ 19 Thí nghiệm với các vật liệu kim lo ại nói chung, DIN 53444 Thí nghiệm với nhựa. Thí nghiệm kéo lệ thuộc theo thời định, DIN 53425 Thí nghiệm với nhựa bọt cứng. Thí nghiệm theo thời định cùng với nhiệt độ DIN 53574 Thí nghiệm với nhựa bọt mềm-đàn hồi. Thí nghiệm chấn động lâu DIN 8061 Ống dẫn từ những yêu cầu cho phẩm chất đối với PVC, thí nghiệm áp lực bên trong theo thời định DIN 53374 Thí nghiệm với phim nhựa. Thí nghiệm nén cong tới và lui DIN 53359 Thí nghiệm với da giả. Thí nghiệm bẻ lâu DIN 53513 xác định thuộc tính nhờn-đàn hồ i của cao-su nhân tạo. 2.5.1 Mục đích của thí nghiệm với thời gian dài. Các thí nghiệm được diễn tả ở phần trên chỉ thực hiện trong thời gian ngắn rồi chấm dứt, lực tác động cũng được ghi trên biểu đồ theo đơn vị thời gian là giây, nên người ta gọi là “ thí nghiệm thời gian ngắn “. Thí nghiệm thời gian ngắn đều thích hợp cho chất dẻo cũng như kim loại. Các thí nghiệm với lực tác dụng làm biến dạng các loại chất dẻo trong thời gian dài được gọi là “ thí nghiệm thời gian dài “. Tất cả các vật liệu, thích hợp cho kim loại và cho cả chất dẻo sẽ cho những biểu hiện tác dụng khác nhau với thời gian dài, trong khi không xác định được nếu chỉ thông qua với thí nghiệm thời gian ngắn. Trong thực tế những tác động thời gian dài xãy ra rất thường v/d độ bền, sức chịu đựng của vật liệu lệ thuộc vào yếu tố thời gian. Ngay cả trong điều kiện nhiệt độ bình thường các thí nghiệm với yếu tố thời gian cũng đóng vai trò rất lớn. Ngoài ra đối với kim lo ại chỉ biểu hiện tương tự khi ở điều kiện nhiệt độ cao. Để thích hợp cho các trường hợp chịu đựng người ta phải thực hiện và phân biệt thí nghiệm thời gian dài giữa điều kiện thể tĩnh và thể động. Đối với thí nghiệm ở trạng thái tĩnh thì tác dụng của lực tác động lên vật thí nghiệm không thay đổ i hay rất ít nếu có. Ngược lại với thí nghiệm, ở trạng thái động thì lực tác động được áp dụng với cường độ mạnh và nhanh ( chu kỳ ), có nghĩa là tạo ra tác động nhanh để qua đó xác định “ biểu tượng mệt mỏi “ của vật liệu. Những biểu hiện của nhựa trong thí nghiệm thời gian dài rất quan trọng cho việc xác định độ bền của nhựa trong thực tế. Thông qua các thí nghiệm thời điểm hay thí nghiệm trườn với điều kiện thời gian và trọng tải phải được xác định trước. Vật thí nghiệm sẽ chịu trọng tải cố định trong khoảng thời gian nhất định cho đến khi xãy ra hiện tượng đứt, còn gọi là độ bền theo từng thời điểm. Hiệu ứng đứt theo từng thời điểm trong thí nghiệm kéo với thời gian dài Độ bền theo từng thời đểm được ghi lại trên biểu đồ, nếu nố i những thời điểm này lại với nhau thành một đường thẳng ta sẽ có đường ranh giới đứt theo thời gian. PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
20 biểu đồ đường ranh giới đứt theo thời gian biểu đồ hiệu ứng dãn với đường đứt theo thời gian Độ bền theo từng thời điểm của POM ( biểu đồ theo TAPROGGE ) t = 5 h:σB/Sh ≈ 55 N/mm2 t = 103 h: σB/10³ ≈ 40 N/mm2 Trước khi bước qua phần thí nghiệm xác định biểu hiện ở trạng thái động và t ĩnh theo thời gian dài và ngắn của chất dẻo chúng ta nên biết sơ qua về cơ cấu sự biến dạng của chúng. 2.5.2 Nguyên tắc cơ bản của biểu hiện biến dạng. Một vật liệu sẽ bị thay đổ i dạng khi nó chịu tác động cơ học hay chịu đựng trọng tải. Sự biến dạng này được phân biệt gồm 3 hiện tượng cơ bản: Biến dạng -thuần đàn hồ i, -đàn hồ i nhờn và -nhờn . 2.5.3 Biến dạng thuần đàn hồi Sự biến dạng nói lên rằng mổ i loại vật liệu đều biểu hiện rỏ ràng biến dạng (co lại, dãn ra) theo những quy luật nhất định. Sự biến dạng này tham dự vào từng thời điểm của sự chịu đựng của toàn khố i vất thể, nó không lệ thuộc vào thời gian tác động và có tính hoàn toàn thuận nghịch. Khi trọng tải không còn thì sự biến dạng cũng mất đi và hoàn toàn trở lại dạng khởi đầu. Nếu xét về mặt thuần lý thuyết thì sự biến dạng này chỉ lệ thuộc vào hiệu ứng và theo tỉ lệ thuận với hiệu ứng ( hiệu ứng tăng gấp đôi thì sự biến dạng cũng tăng theo gấp đôi ). Người ta gọi đó là sự đàn hồ i theo định luật Hooke. Đồ thị hiệu ứng làm biến dạng là một đường thẳng, diễn tả sự lệ thuộc giữa hiệu ứng và sự biến dạng. Trong trường hợp này tỉ lệ hiệu ứng / sự biến dạng có trị số không thay đổi và không lệ thuộc vào thời gian (với điều kiện nhiệt độ được xác định trước). PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
21 2.5.4 Biến dạng đàn hồi-nhờn Khi chịu đựng trọng tải vật liệu đàn hồ i-nhờn cũng thay đổ i dạng, nhưng biểu hiện trái lại với biến dạng thuần đàn hồ i, không xãy ra hoàn toàn tức thì mà chậm từ từ và lệ thuộc vào yếu tố thời gian. Sự biến dạng biểu hiện không cân đố i với lực tác động. Khi lực tác động mất đi thì sự biến dạng nhỏ dần, không trở lại dạng khởi đầu tức thì nhưng với vận tốc rất chậm cho đến khi trở về dạng khởi đầu. Một biểu hiện biến dạng như thế được gọi là đàn hồ i-nhờn hay “ đàn hồ i từ từ “. Trong trường hợp này đồ thị hiệu ứng-biến dạng không còn là đường thẳng, trị số tỉ lệ hiệu ứng / sự biến dạng ( lưu suất đàn hồi ) thay đổ i và lệ thuộc vào thời gian. 2.5.5 Biến dạng nhờn ( chảy-nhờn ) Biến dạng nhờn là một thuộc tính của nhựa biểu hiện biến dạng trong khi dãn, khi không còn chịu trọng tải thì sự biến dạng dừng lại, đứng yên, không từ từ và cũng không trở lại dạng khởi đầu. Nói cách khác vật thể bị biến dạng không trở về lại dạng lúc khởi đầu như khi chưa bị biến dạng. Trong trường hợp này t ỉ lệ hiệu ứng / sự biến dạng cũng lệ thuộc vào thời gian. Dưới đây là biểu tượng cơ bản của những trạng thái biến dạng Ghi chú : a) sự biến dạng thuần đàn hồi. Sự biến dạng lệ thuộc vào thời gian, xãy ra ngay khi chịu trọng tải và trở về dạng khởi đầu khi trọng tải không còn nữa. b) sự biến dạng đàn hồi-nhờn Sự biến dạng bắt đầu với vận tốc rất chậm và tiếp tục cũng với vận tốc như thế, nhưng khi không còn chịu trọng tải vật thể sẽ trở lại hoàn toàn dạng lúc ban đầu. Sự biến dạng này lệ thuộc vào yếu tố thời gian c) Sự biến dạng nhờn Bắt đầu biến dạng khi chịu trọng tải, đứng yên khi không còn trọng tải và không trở lại dạng lúc ban đầu. Sự biến dạng này lệ thuộc vào yếu tố thời gian. 2.5.6 Sự giao thoa của các hình thức biến dạng trong thực tế. Các hình thức biến dạng vừa trình bày ở phần trên hoàn toàn không cụ thể vào một loại vật liệu nào mà chỉ thuần về lý thuyết của sự biến dạng. Trong thực tế các yếu tố khác như chất liệu, nhiệt độ, vận tốc..vv..cũng tham dự đồng thời vào biểu hiện biến dạng của vật liệu và đôi khi có tác dụng chồng tréo lên nhau ( giao thoa ). Khi chịu tác động cơ học mổ i vật thể có những biểu hiện cơ bản tuần tự như sau: Ngay khi thời điểm chịu trọng tải sự biến dạng khởi đầu không lệ thuộc vào thời gian. Nếu trọng tải được lấy ra ngay khi đó, thì sự biến dạng cũng hoàn toàn biến mất. Trường hợp này chỉ xãy ra khi: a) trọng tải nhỏ không đáng kể và PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
22 b) thực hiện trong thời gian thật ngắn ( chịu và lấy đi trọng tải ) Tuy nhiên nếu trọng tải tác dụng với thời gian dài hơn, thì biểu hiện biến dạng sẽ gia tăng theo thời gian, hiện tượng này có tính thuận nghịch đố i với sự biến dạng đàn hồ i-nhờn và nhờn, được gọi là hiện tượng “ trườn “ đôi khi cũng còn được gọi là hiện tượng “ dòng chảy lạnh “. Dĩ nhiên vận tốc trườn lệ thuộc vào chất liệu, nhiệt độ, trọng tải…vv… Với một thời gian tương ứng cũng có thể xãy ra biến dạng quá nhanh và đi đến hiện tượng bứt đứt của vật thí nghiệm. Nếu trọng tải được lấy ra khỏ i trước khi xãy ra hiện tượng bứt đứt, thì ngay tức thì sự biến dạng thuần đàn hồ i sẽ dừng lại và trở lại dạng lúc khởi đầu. Trong khi đó đối với biến dạng đàn hồ i-nhờn sẽ biểu hiện tiếp tục và chậm dần cho đến khi chấm dứt tương ứng với biến dạng nhờn. ε1 Biến dạng thuần đàn hồ i ( bất chợt ) = ε2 Biến dạng đàn hồ i-nhờn/ nhờn ( từ từ ) = ε3 biến dạng trở lại thuần đàn hồi ( thật nhanh ) = ε4 biến dạng trở lại đàn hồ i-nhờn ( từ từ ) = ε5 Biến dạng đứng yên. = Trong thực tế đôi khi có những biến dạng quá nhỏ không đáng kể nên người ta không thể đo được. Thí dụ : trong điều kiện nhiệt độ bình thường ( 23 °C ) thép biểu hiện biến dạng thuần đàn hồ i và chỉ thực sự có biểu hiện trạng thái biến dạng nhờn khi ở nhiệt độ cao. Trong khi đó đối với nhiều loại nhựa thì ngược lại, chúng đã xãy ra hiện tượng trường ( dòng chảy lạnh ) ở nhiệt độ bình thường và chỉ biểu hiện biến dạng thuần đàn hồ i ở nhiệt độ rất thấp. Nói tóm lại chất dẻo có biểu hiện biến dạng ở nhiệt độ thường giống như thép ở nhiệt độ cao. Biểu tượng này hoàn toàn giống với lưu suất đàn hồ i đã trình bày ở phần trên. Các nhà thiết kế từng quen với thuộc tính của các vật liệu cổ điển như thép, bê-tông..vv.. phải lưu ý đến yếu tố lệ thuộc thời gian khi thiết kế vật dụng bằng chất dẻo. Tuy nhiên biểu hiện này hoàn toàn không phải đi từ cấu trúc phân tử của chúng. Các loại chất dẻo ứng nhiệt ( thermoplaste ) được cấu thành từ chuỗi phân tử dài. Lực kết nối giữa các phân tử hành phần, lực kết nối hoá học, rất yếu do đó dễ bị phá vỡ bởi tác dụng của hiệu ứng lực hay nhiệt từ bên ngoài. 2.5.7 Thí nghiệm thời gian dài với trạng thái tĩnh Thí nghiệm thời gian dài với trạng thái tĩnh nhằm mục đích xác định biểu hiện biến dạng của vật liệu khi chịu đựng trọng tải. Với thí nghiệm này trọng tải không thay đổ i và người ta đo sự biến dạng của vật liệu lệ thuộc vào yếu tố thời gian, gọi là thí nghiệm trườn. Thí nghiệm trườn có thể được thực hiện với các phương cách kéo, nén và nén cong. Sự gia tăng độ dãn với yếu tố thời gian của thí nghiệm trườn PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
23 Đồ thị của hiệu ứng và độ dãn lệ thuộc vào thời gian của thí nghiệm trườn Khi quan sát đồ thị trườn qua thí nghiệm kéo người ta phân biệt được 3 vùng cơ bản khác nhau: trườn chuyển tiếp, trườn ổn định và trườn gia tốc. Vùng trườn chuyển tiếp: trong vùng này vận tốc trườn khởi đầu rất nhanh ( sự biến dạng gia tăng theo thời gian ), sau đó vận tốc trườn sẽ giãm dần để bước qua Vùng trườn cố định với vận tốc trường tương đối ổn định cho đến khi đồ thị đạt đến ranh giới kéo chảy. Vùng trườn gia tốc: khởi đầu sau khi qua khỏ i ranh giới kéo chảy, với vận tốc trườn biến thiên rất nhanh trong thời gian ngắn đi đến biểu hiện đứt. đồ thị : ε = ε ( t, σ ) I = Vùng trườn chuyển tiếp II = Vùng trườn ổn định III = Vùng trườn gia tốc 2.5.7.1 Định luật trườn Có rất nhiều định luật để diễn giải đồ thị trườn, còn gọi là các hàm số tính độ trườn ( độ dãn theo thời gian ), các định luật này tùy thuộc rất nhiều vào điều kiện thí nghiệm cũng như các yếu tố liên quan được xác định trong quá trình thí nghiệm. Thí dụ : đối với các loại chât dẻo ứng nhiệt cứng ( harte Thermoplast ) và chất dẻo chịu nhiệt ( duroplast ) thì vùng trường ổn định rất thích hợp với định luật trườn của FINDLEY, tuy nhiên khi thí nghiệm trong điều kiện nhiệt độ cao thì định luật này không còn chính xác nữa và người ta cần đến những thí nghiệm phức tạp hơn và qua đó cần đến những định luật được diễn giải bởi những hàm số phức tạp hơn. Định luật trườn của FINDLEY: ε (t) = εe + m · tn εe = σ/ E : độ dãn đàn hồ i m, n = các thông số lệ thuộc vào hiệu ứng và chất liệu σ = hiệu ứng E = lưu suất đàn hồ i t = thời gian PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
24 Biểu đồ trườn của POM trong vùng trườn ổn định, cho thấy đồ thị là đường thẳng tỉ lệ thuận với thời gian và càng dốc đứng khi hiệu ứng càng lớn. Định luật trườn của MARIN εe = độ dãn đàn hồ i εp = độ dãn sơ cấp εs = độ dãn thứ cấp A, B, C = những hệ số lệ thuộc vào chất liệu m, n, p = những hệ số lũy thừa lệ thuộc vào nhiệt độ σ = hiệu ứng E = lưu suất đàn hồ i t = thời gian ảnh hưởng hiệu thế được lưu ý trong định luật trườn của MARIN σG thông số hiệu ứng lệ thuộc vào thời gian = σ = hiệu ứng = lưu suất đàn hồ i E = thời gian T = hệ số giảm lệ thuộc vào chất liệu a = hệ số lũy thừa n 2.5.7.2 Biểu hiện thư giãn Chất dẻo có khả năng tự giãm hiệu ứng đố i với trọng tải mà trước đó nó đã chịu đựng và bị kéo dãn ra. Thí dụ người ta dùng sức bọc một ống nhựa rổng sao cho nó bám sát mặt ngoài một trục thép. Với yếu tố thời gian lâu dài sẽ làm cho lực nén nhỏ dần và do đó không còn hội đủ điều kiện để ống nhựa bám chặt vào trục thép nhữa. Thuộc tính thư giãn này được xác định bởi thí nghiệm kéo theo DIN 53441, và được gọi với tên thí nghiệm thư giãn hiệu ứng. Thí nghiệm này xác định sự giãm hiệu ứng trong điều kiện thời gian dài và duy trì độ dãn không thay đổi. PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
25 Giãm hiệu ứng với biến số thời gian trong thí nghiệm thư giãn Thí nghiệm này cho thấy sự thư giãn đồng dạng với biểu hiện trườn đứng yên. Người ta có thể tạo nên một trọng tải lớn nhất đối với thanh thí nghiệm rồ i theo thời gian giãm dần trọng tải bằng cách bỏ dần trọng lượng treo vào thân thanh thí nghiệm sao cho độ dãn khởi đầu của nó không thay đổ i, như thế sẽ tạo ra hiện tượng giãm đi hiệu ứng, biểu hiện trường vẫn duy trì trong điều kiện mất dần trọng tải nhưng sự biến dạng vẫn không thay đổi. Tiến trình của hiệu ứng và độ dãn với biến số thời gian trong thí nghiệm thư giãn 2.5.7.3 Sự biến dạng trở lại ( lúc khởi đầu ) Sự biến dạng trở lại của các vật liệu kim loại xuất hiện ngay sau khi không còn chịu trọng tải. Trên thực tế có thể nói sự biến dạng trở lại này xãy ra đồng thời khi không còn chịu trọng tải. Trái lại đố i vớ nhựa thì sự biến dạng này xãy ra chậm hơn và lệ thuộc rất nhiều vào yếu tố chất liệu của mổ i loại nhựa và đôi khi kéo dài hằng giờ đồng hồ. Biến dạng trở lại được thực hiện bởi thí nghiệm kéo lệ thuộc thời gian theo DIN 53444 Sơ đồ hiệu ứng-dãn của thí nghiệm kéo lệ thuộc thời gian 2.5.7.4 Biến dạng trở lại hoàn toàn Là biến dạng trở lại nguyên hình dạng lúc khởi đầu sau khi không còn chịu trọng tải. Qua thí nghiệm cho thấy các loại nhựa có cấu trúc bất địng dạng (amorphe) thường có biến dạng này, nếu vật thí nghiệm không bị hư hại trên bề mặt (trầy, sướt) hay những rãnh nứt bên trong. Ranh giới kéo chảy là giới hạn của sự biến dạng thuận nghịch này. PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
26 Biểu đồ biến dạng trở về của PE sau khi không còn chịu trọng tải Biểu hiện trườn của PE trong thí thí nghiệm kéo cho thấy sự biến dạng có tính hoàn toàn thuận nghịch cho đến ranh giới kéo chảy εFω (theo RIESS) 2.5.7.5 Biểu hiện biến dạng lệ thuộc vào thời gian. Trong thực tế người ta rất cần những thí nghiệm kết hợp giữa những yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng biến dạng như hiệu ứng, độ dãn và thời gian để diễn tả biểu hiện càng gần với thực tế. Do đó cũng có rất nhiều thí nghiệm khác nhau theo chiều hướng này. Biểu đồ dãn theo thời gian là kết quả trực tiếp đo được từ thí nghiệm trườn theo DIN 53444 ε = ε (t, σ) Bìểu đồ thời gian σ = σ (t, ε) Biểu hiện hiệu ứng thay đổ i theo biến số thời gian. Kết quả này hoặc đo được từ thí nghiệm trườn hay trực tiếp từ thí nghiệm thư giãn theo DIN 53441. Quan sát đường gãy thời gian người ta cũng đọc được độ bền của PP theo yếu tố thời gian. PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
27 2.5.7.6 Biểu đồ hiệu ứng-dãn đồng thời. Biểu hiện những cặp trị số liên hệ chung của hiệu ứng và của độ dãn trong từng thời gian. Phương thức này rất thích hợp trong thực tế để xác định biểu hiện biến dạng theo thời gian, và giúp cho chúng ta có cái nhìn đúc kết toàn diện được những thí nghiệm trước đó. Qua đó vừa xác định được sự giao thoa (chồng lên nhau) của sự chịu đựng trọng tải hay sự biến dạng mà cũng xác định được sự biến dạng chịu đựng theo thời gian hay biểu hiện trườn và thư giãn. Biểu đồ hiệu ứng-dãn đồng thời của Polypropylen trườn và thư giãn trong sơ đồ hiệu ứng-dãn 2.5.7.7 Lưu suất trườn Ec = Ec (t, σ) Trên nguyên tắc chỉ là sự đánh giá kết quả đo được thông qua tỉ lệ hiệu ứng đối với độ dãn theo biến số thời gian. Lưu suất này thông thường lệ thuộc vào hiệu ứng và nằm trong vùng hiệu ứng giới hạn. Giới hạn này có ảnh hưởng đến sự lệ thuộc nhiệt độ. biểu đồ lưu suất trườn của Polypropylen PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
28 2.6 Biểu hiện biến dạng lệ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ môi trường chung quanh cũng như điều kiện nhiệt độ thí nghiệm đóng vai trò rất quan trọng đối với biểu hiện biến dạng trong khi ngược lại đố i với các vật liệu kim loại thì ảnh hưởng này không lớn lắm. Các thông số về tương quan nhiệt độ đối với vật dụng được cấu thành từ vật liệu nhựa phải được chuẩn định trước khi ứng dụng. Sự lệ thuộc nhiệt độ của biểu hiện biến dạng thể hiện qua hai hiện tượng - hoá mềm ( chuyển từ trạng thái cứng qua mềm khi hấp thụ nhiệt ) - dãn nhiệt ( dãn ra theo chiều dài khi hấp thụ nhiệt ) Tóm lại sự hấp thụ nhiệt độ gia tăng sẽ ãnh hưởng đến biểu hiện biến dạng cơ và nhiệt của nhựa. Biến số nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến chu trình chế biến các vật dụng hay gia dụng bằng nhựa. 2.6.1 Hiện tượng hóa mềm Sự lệ thuộc nhiệt độ của biểu hiện biến dạng cùng với sự chịu đựng trọng tải trên cơ bản cũng giống như đố i với sự lệ thuộc vào thời gian. Điều kiện đòi hỏ i và thỏa đáng cho biểu tượng giống nhau này dựa trên lý thuyết xác định độ nhờn. Thuộc tính cứng của nhựa sẽ giãm đi khi nhiệt độ gia tăng, nói khác đi nhựa sẽ thay đổ i từ cứng sang mềm khi hấp thụ nhiệt. Biểu đồ hiệu ứng dãn hấp thự nhiệt cho thấy rất rõ: Nhiệt độ càng gia tăng thì đường đồ thị hiệu ứng dãn càng trở nên phẳng hơn. Sự lệ thuộc vào nhiệt độ của biểu hiện biến dạng trong biểu đồ hiệu ứng dãn Bên cạnh nhiệt độ yếu tố thời gian cũng được lưu ý, qua đó người ta nhận thấy khi nhiệt độ gia tăng thì vận tốc trườn hay vận tốc thư giãn cũng gia tăng theo. Có nghĩa là sự thay đổ i độ dãn hay thay đổ i hiệu ứng cũng giãm nhanh hơn nếu so với ở điều kiện nhiệt độ thấp. Biểu đồ độ dãn-thời gian của Polypropylen (PP) với nhiệt độ khác nhau PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
29 Thí dụ : cho biết với trị số σO = 20 N/ mm² , thời gian t = 10³ h thì chúng ta xác định được θ1 = 23 °C → ε1 = 1,4 % θ2 = 60 °C → ε2 = 2,0 % Biểu đồ hiệu ứng dãn của Polycarbonat (PC) với bảng ghi hiệu ứng lệ thuộc thời gian 2.6.2 Biểu hiện dãn nhiệt 2.6.2.1 Biến dạng theo chiều dài Nhiệt độ thay đổ i sẽ ảnh hưởng đến sự biến dạng theo chiều dài nhiều hay ít của vật liệu, và cũng ảnh hưởng đến sự thay đổ i thể tích của chúng. Biểu tượng dãn nhiệt ( dãn nở theo nhiệt độ) này đối với nhựa ( không có phụ gia ) thường rất lớn, khoảng 10 lần lớn hơn so với kim loại. Trị số đo được của độ dãn nhiệt được gọi là độ dãn nhiệt theo độ Celsius hay độ Kelvin. Trị số dãn nhiệt đường thẳng l : chiều dài υ: nhiệt độ Trị số dãn nhiệt thể tích V: thể tích Trị số dãn nhiệt luôn thay đổi và lệ thuộc vào nhiệt độ. Trị số này một mặt giữ vai trò quan trọng đối với các vật dụng bằng nhựa mặt khác nó cũng là điều kiện thỏa hay không thỏa đáng để cấu thành vật dụng bằng nhựa. Đây là hai yếu tố không được bỏ qua đối với công việc thiết kế và ứng dụng thay thế các vật dụng cổ điển ( v/d kim loại ) bằng chất liệu nhựa. chất liệu trị số dãn nhiệt chất liệu trị số dãn nhiệt 9.10−5 7.10−5 ABS PMMA 6.6 8.10−5 11.10−5 POM ( liên hợp ) PA 6, PA 10.10−5 7.10−5 PA 6.10 PC 13.10−5 11-17.10−5 PA 11 PP 15.10−5 7.10−5 PA 12 PS 20.10−5 7.10−5 PE-LD PVC 15.10−5 PE-HD 2.6.3 Hấp thụ độ ẩm Chất dẻo nói chung, do từ cấu trúc phân tử, có thuộc tính dể hấp thụ các phân tử lạ dạng hơi hay hơi nước trong môi trường chung quanh. Polyamid là một thí dụ điển hình, rất dể hấp thụ nước và độ ẩm trong không khí. Các phân tử lạ này thấm thấu trực tiếp vào chuỗ i phân tử của Polyamid một mặt làm dãn nở thể tích và mặt khác ảnh hưởng đến lực nố i giữa các phân tử. Ảnh hưởng độ ẩm đố i với biểu hiện biến dạng tạo nên hai trường hợp: a) Hóa mềm và b) dãn nở. PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
30 Đặc diểm của ảnh hưởng độ ẩm là sự gia tăng biến dạng-cơ học và -thủy phân. Ảnh hưởng độ ẩm cũng liên quang đến tác dụng của ảnh hưởng nhiệt độ đối với nhựa. Sự hấp thụ phân tử lạ lệ thuộc vào điều kiện bên ngoài thí dụ như khi nhiệt độ gia tăng rất thích hợp cho hiện tượng này cho đến khi nó đạt được cân bằng với nhiệt độ môi trường. Sự hấp thụ độ ẩm cần thời gian dài thích hợp để làm thay đổ i thuộc tính của Polyamid. Sự hấp thụ này càng gia tăng rất nhanh trong môi trường nước nóng. Ngoài ra sự gia tăng độ ẩm cũng làm giãm độ bền cơ học của Polyamid ( v/d độ dai ) và làm cho nó trở nên dòn hơn. Hàm lượng nước có trong PA (theo phần trăm trọng lượng) với biến số độ ẩm không khí chất liệu hàm lượng nước [%] chất liệu hàm lượng nước [%] SAN 0,2 PBT-GF30 0,4 SAN-GF35 0,6 PA 6 7 SB 0,05 PA 6.6 5 PC 0,2 PA 6.6-GF35 3 PC-GF35 0,2 PA 6.10 1,5 PMMA 0,8 PA 12 9 PBT 0,5 PA 12-GF50 0,4 Độ ẩm gia tăng sẽ ảnh hưởng đến độ cứng của các loại chất dẻo có tính dể hấp thụ nước. Biểu tượng này được nhận thấy dể dàng qua biểu đồ hiệu ứng dãn. Đồ thị phẳng dần theo lượng nước hấp thụ. Lệ thuộc độ ẩm của biểu hiện biến dạng trong biểu đồ hiệu ứng-dãn với lượng nước hấpthụ PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
31 2.6.4 Thay đổi thể tích Sự hấp thụ những phân tử lạ như nước dẫn đến hiện tượng trương phồng của chất dẻo, có nghĩa là thể tích nở lớn ra và chiều dài cũng thay đổ i theo. Hiện tượng thay đổ i chiều dài này đối với các loại chất dẻo dể hấp thụ nước được xác định bởi những trị số nằm trong giới hạn cho phép. Trị số trương ẩm được diễn tả bởi công thức l : chiều dài φ : hàm lượng độ ẩm được hấp thụ [%] Tóm lại trị số trương ẩm luôn thay đổ i và lệ thuộc vào những thông số khác như hàm lượng độ ẩm, thời tiết môi trường cũng như chất liệu của từng loại nhựa. Người ta có thể đơn giản hóa nó trong giới hạn thích hợp với trị số gần đúng và gọi đó là hằng số trương ẩm Dãn nở theo chiều dài của PA trong điều kiện hấp thụ độ ẩm Bảng thống kê của một vài loại nhựa. Chất liệu trị số trương ẩm vùng hiệu lực φ PA 6 ( bất định dạng ) 0,28.10-2 0≤ ≤4% φ 0,19.10-2 0≤ ≤4% PA 6 ( tinh thể ) φ -2 0≤ ≤4% PA 6.6 ( tinh thể ) 0,20.10 φ -2 0≤ ≤2% PMMA 0,23.10 φ 0,50.10-2 0≤ ≤3% nhựa Epoxyd 2.7 Thí nghiệm với thời gian dài, trạng thái động 2.7.1 Tác động xoay chiều, đồ thị Woehler. Khi vật liệu chịu lực tác động theo từng chu kỳ, thường gặp trong thực tế của ứng dụng cơ khí hay cơ khí xe hơi, sẽ có những biểu hiện hoàn toàn không giống như với trạng thái tĩnh. Với những thí nghiệm cho trường hợp này ( ở trạng thái động ) người ta cần những máy móc và dụng cụ thích nghi hơn để thực hiện những thí nghiệm chấn động cho thời gian dài đố i với chất dẻo. Cụ thể là những máy tạo ra chấn động liên tục theo chu kỳ nhất định tác động lên vật thí nghiệm, từ những biểu hiện hiệu ứng của vật thí nghiệm người ta khảo xác được các hiện tượng thay đổ i trong suốt thời gian chịu đựng chấn động, thí dụ như biểu tượng mệt mỏ i của vật liệu. Một trị số mang nhiều ý nghĩa ở đây là hiệu ứng rung trung bình σm , hiệu ứng rung theo biên độ σa. Qua hai trị số này người ta phân biệt được những loại tác động khác nhau bằng đồ thị hình sinus, diễn đạt chấn động theo biểu đồ dưới đây. PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de
32 Thí nghiệm chấn động với thời gian dài – khái niệm và ký hiệu a) Lược đồ hiệu ứng-thời gian b) Vùng tác động σm = Hiệu ứng trung bình σa = Biên độ của hiệu ứng xoay chiều σo = Hiệu ứng trên = trị số hiệu ứng cao nhất σu = hiệu ứng dưới = trị số hiệu ứng thấp nhất 1. σm > σa , trong trường hợp này kết quả hiệu ứng có tác dụng một chiều có nghĩa là vật thí nghiệm chịu một dạng tác động nén. Trong trường hợp σm=σa , hiệu ứng ( nén hay kéo )sẽ chuyển sang tác động xoay chiều 2. σm < σa, vật thí nghiệm chịu đồng thời 2 tác động ( xoay chiều ), từ hiệu thế kéo sang hiệu thế nén và ngược lại, cho đến khi σm= 0 sẽ chuyển sang thuần tác động xoay chiều không có hiệu ứng trước. Trong các trường hợp nói trên một số lượng lớn tác động lên vật thí nghiệm với nhiều biên độ hiệu thế σa khác nhau cho đến khi tiến đến hiện tượng gãy. Thời gian chịu đựng kéo dài từ lúc bắt đầu đến khi xãy ra hiện tượng gãy cùng với biên độ hiệu ứng σa được ghi trên biểu đồ logarith, gọi là đồ thị Woehler. Prof. Woehler là người đầu tiên đã diễn đạt được ý nghĩa trong thực tế của hiện tượng mệt mỏ i của vật liệu, đặc biệt trong trường hợp của trục tàu hỏa bằng thép bằng thí nghiệm trong thời gian dài với trạng thái động. 2.7.2 Độ bền chấn động trong thời gian dài. Đối với kim loại ai cũng biết đến đồ thị Woehler, diễn đạt sự gia tăng của trị số chịu đựng gãy hay còn gọi là độ bền chấn động ( theo DIN 50100 ), qua đó người ta biết được kim loại có độ bền chấn động rất cao dưới một trị số giới hạn. Trong vùng trị số giới hạn này không xãy ra hiện tượng gãy do sự mệt mỏ i của vật liệu. Thông thường chất dẻo không theo qui luật như kim loại, không có một trị số giới hạn, ngay cả khi hiệu ứng nhỏ đi và đường đồ thị Woehler có dạng phẳng hơn. Đối với chất dẻo người ta chỉ xác định được độ bền chấn động trong một thời gian tồn tại nhất định, v/d 107 lần tác động. Ngoài ra người ta còn quan sát được hiện tượng gãy sau 7.107 lần tác động. Về mặt cơ bản thì ranh giới chịu đựng của kim loại và chất dẻo giống nhau trong điều kiện tác động xoay chiều ở thể động nhỏ hơn tác động ở trạng thái tĩnh. Độ bền chấn động của chất dẻo có thể đạt đến 20 đến 30% của độ bền xé; đối với kim loại trị số này nằm trong khoảng 60 đến 80%. Biểu đồ so sánh độ bền nén cong ở thể động dưới đây cho thấy đồ thị Woehler của một vài loại chất dẻo ứng nhiệt ( thermoplast ) có biểu hiện khác nhau. PDF wurde mit pdfFactory-Prüfversion erstellt. www.context-gmbh.de