MSc PAT VLM fVI 2015t [Kompatibilitási mód]pt.bme.hu/~vas/Polimer szerkezettan_I/MSc_PAT_VLM_fVI...6 11 Szilárdság és tönkremenetel 5. Húzási és nyírási sávok (inhomogén

1

1

Polimer anyagtudományPolimer anyagtudományBMEGEPTMG04, 3+0+1v, 5 krpBMEGEPTMG04, 3+0+1v, 5 krp

Vas László MihályVas László Mihály

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemPolimertechnika Tanszék

VI. POLIMEREK TÖRÉSI VISELKEDÉSE

2015.05.12.

2015.05.12. 2Vas László M.

IrodalomIrodalom

�� Felhasznált forrásokFelhasznált források1. Bodor 1. Bodor G.G.--VasVas L.M.: Polimerek szerkezettana. Műegyetemi Kiadó, Bp. 2000.L.M.: Polimerek szerkezettana. Műegyetemi Kiadó, Bp. 2000.2. 2. BlumenauerBlumenauer H. H. –– PuschPusch G.: Műszaki törésmechanika. Műszaki K., Bp. 1987.G.: Műszaki törésmechanika. Műszaki K., Bp. 1987.3. 3. RettingRetting W.: W.: MechanikMechanik der der KunststoffeKunststoffe. . HanserHanser VerlagVerlag, München, 1992., München, 1992.4. Halász L.4. Halász L.--Zrínyi M.: Bevezetés a Zrínyi M.: Bevezetés a polimerfizikábapolimerfizikába. Műszaki K., Bp. 1989.. Műszaki K., Bp. 1989.5. Bodor 5. Bodor G.G.--VasVas L.M.: Polimer anyagtudomány. Kézirat. BME, Bp. 2000.L.M.: Polimer anyagtudomány. Kézirat. BME, Bp. 2000.6. 6. EhrensteinEhrenstein G.W.: G.W.: PolymerwerkstoffePolymerwerkstoffe. . StrukturStruktur und und mechanischemechanische VerhaltenVerhalten. . C.HanserC.Hanser

VerlagVerlag, München, 1978., München, 1978.

�� Ajánlott irodalomAjánlott irodalom7. Oswald 7. Oswald T.A.T.A.--MengesMenges G.: G.: MaterialsMaterials Science of Science of PolymersPolymers forfor EngineersEngineers. . HanserHanser Pub., Pub.,

New York, 1996. New York, 1996. 8. 8. WardWard I.M.I.M.--HadleyHadley D.W.: An D.W.: An IntroductionIntroduction toto thethe PropertiesProperties of of SolidSolid PolymersPolymers. .

J.Wiley&SonsJ.Wiley&Sons, , ChichesterChichester, 1993., 1993.9. 9. StroblStrobl G.: The G.: The PhysicsPhysics of of PolymersPolymers. . ConceptsConcepts of of UnderstandingUnderstanding theirtheir StructuresStructures and and

BehaviourBehaviour. Springer . Springer VerlagVerlag, Berlin. 1996., Berlin. 1996.10. 10. MengesMenges G.: G.: WerkstoffkundeWerkstoffkunde der der KunststoffeKunststoffe. . C.HanserC.Hanser VerlagVerlag, München, 1985., München, 1985.11. 11. EiseleEisele U.: U.: IntroductionIntroduction toto PlymerPlymer PhysicsPhysics. . SpringerSpringer--VerlagVerlag, Berlin 1990., Berlin 1990.

22015.05.12.

2

3

Szilárdság és tönkremenetel 1.Szilárdság és tönkremenetel 1.

�� Anyaghibák és szilárdságAnyaghibák és szilárdságSzilárdság: Az anyag, illetve szerkezet ellenállása az

irreverzibilis alakváltozással és repedésterjedéssel szemben.

Törési ok általában:

Meglévő repedés(ek) terjedése az igénybevételek (mechanikai-,

hő-, vegyi-) hatására.

2015.05.12.

4

Szilárdság és tönkremenetel 1.Szilárdság és tönkremenetel 1.

�� Anyaghibák és szilárdság Anyaghibák és szilárdság –– Mérethatás_1Mérethatás_1

elméletiBszálBtömbB ,,, σσσ <<

(1) Szilárdtest paradoxona: Az anyagok σ

Bszakítószilárdsága szálformában nagyobb, mint a szokásos, terjedelmesebb,

tömbalakban, de kisebb az elméletileg elérhetőnél:

(2) Szálforma paradoxona: Miközben az FB szakítóerő nő, a szálakσB szakítószilárdságacsökken a szálátmérő növekedésével

a.)_FB

d

d0

0

σB

(3) Szálhossz paradoxona: A szálak FB átlagos szakítóerejecsökken az lo terhelt, vagy szabad befogási hossz növekedésével

FB

_

_FB

_FB

(0)

( )οο

lo0

2015.05.12.

3

5

Szilárdság és tönkremenetel 1.Szilárdság és tönkremenetel 1.

�� Anyaghibák és szilárdság Anyaghibák és szilárdság –– Mérethatás_2Mérethatás_2Ad. (3) Ad. (3) Szálforma Szálforma paradoxonaparadoxona –– mérés üvegszálakonmérés üvegszálakon

Tensile strength [GPa]

Fibre diameter [µm]

Ehrenstein G. W.: Faserverbund-Kunststoffe,

Hanser Verlag, München, 1992 2015.05.12.

6

Szilárdság és tönkremenetel 1.Szilárdság és tönkremenetel 1.

�� Anyaghibák és szilárdság Anyaghibák és szilárdság –– Mérethatás_3Mérethatás_3

1071

873

478559

695

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 5 10 15 20 25 30 35Einspannlänge [mm]

Zug

fest

igke

it [M

Pa]

Quelle: Flachsfaserfestigkeit; Dr. S. Odenwald; TUC/IMK

Ad. (3) Ad. (3) Szálhossz Szálhossz paradoxonaparadoxona –– mérés mérés lenszálakonlenszálakon

2015.05.12.

4

7

Szilárdság és tönkremenetel 1.Szilárdság és tönkremenetel 1.

�� Anyaghibák és szilárdság Anyaghibák és szilárdság –– Mérethatás_4Mérethatás_4

(4) Szálköteg-paradoxon:

Az n-szálú kötegben keletkező szakadások „egymásutánisága” miatt a tapasztalt Fn,max

maximális köteghúzóerővel értelmezhető kötegszakítóerő, 1 szálra eső része kisebb az

egyedi szálszakítások révén kapott FS átlagos szakítóerő értéknél. Ennek megfelelően

definiálható az n szálú köteg szálszilárdság kihasználási tényezője (ηn):

10 max, <=η<S

nn nF

F

2015.05.12.

8

Szilárdság és tönkremenetel 2.Szilárdság és tönkremenetel 2.

�� Meghibásodás, törésMeghibásodás, törés

PE szívós törése ABS terpolimer S-B gömböcskéinél

megjelenő, megnyúlt szakadási

gödröcskék

2015.05.12.

5

9

Szilárdság és tönkremenetel 3.Szilárdság és tönkremenetel 3.

�� Húzási és nyírási sávokHúzási és nyírási sávok (inhomogén zónák), mint irreverzibilis (inhomogén zónák), mint irreverzibilis

deformációs folyamatok (elsősorban amorf) polimerekbendeformációs folyamatok (elsősorban amorf) polimerekben

(Craze)

Normál-

feszültség

kelti �

Nyíró-

feszültség

kelti �

2015.05.12.

10

Szilárdság és tönkremenetel 4.Szilárdság és tönkremenetel 4.

�� Húzási zónákHúzási zónák,, azaz azaz sűrűség és orientáció inhomogenitásoksűrűség és orientáció inhomogenitások, ,

mintmint egyfajtaegyfajta strukturált strukturált mikrorepedésekmikrorepedések•• Keletkezésére elsősorban az Keletkezésére elsősorban az amorf amorf termoplasztikustermoplasztikus anyagok (anyagok (ATPATP: PS, SAN, : PS, SAN,

PMMA, PC) hajlamosak;PMMA, PC) hajlamosak;

•• Keletkezhetnek a Keletkezhetnek a részbenkristályosrészbenkristályos termoplasztikustermoplasztikus polimerek (polimerek (RTPRTP: PE, PP, PA, : PE, PP, PA,

PET) amorf részeiben is, illetvePET) amorf részeiben is, illetve

•• Kis mértékben a Kis mértékben a sűrűn térhálóssűrűn térhálós polimer gyantákban (STH: UP, EP, VE) is polimer gyantákban (STH: UP, EP, VE) is

felléphetnekfelléphetnek..

�� Nyírási zónákNyírási zónák, azaz orientáció inhomogenitások , azaz orientáció inhomogenitások kevésbé kevésbé

általános jelenségek; keletkezésük feltétele:általános jelenségek; keletkezésük feltétele:

•• Aktiválható relaxációs mechanizmus (mellék diszperziós tartomány)Aktiválható relaxációs mechanizmus (mellék diszperziós tartomány)

•• Az aktiváláshoz megfelelő hőmérséklet és alacsony terhelési sebességAz aktiváláshoz megfelelő hőmérséklet és alacsony terhelési sebesség

2015.05.12.

A húzási/nyírási zónák a molekulaláncok feszültség hatására keletkező lokális

kötegelődésével és/vagy maradó elmozdulásával (folyással) létrejött inhomogenitások.

6

11

Szilárdság és tönkremenetel 5.Szilárdság és tönkremenetel 5.

�� Húzási és nyírási sávok (inhomogén zónák)Húzási és nyírási sávok (inhomogén zónák)

Húzási zónák lehatárolódása

a nyírási zónák általFelületi

NFZ

Belső NFZ Kaucsuk részecske hatása

PS

(NFZ)

Önkeltésű CFZ-k

2015.05.12.

12

Szilárdság és tönkremenetel 5.a.Szilárdság és tönkremenetel 5.a.

�� Húzási/nyírási sávok és szerkezetük (Húzási/nyírási sávok és szerkezetük (inhomogén zónákinhomogén zónák))

Folyási zónák (NFZ) PS-ban

Menges G.: Werkstoffekunde der Kunststoffe. Hanser V. München 1985.

Oudet Ch.: Polymeres. Masson, Paris, 1994.

Mikroüregek Fibrillák

Nyírási zónák

PS-ban nyomás

hatására

2015.05.12.

7

13

Szilárdság és tönkremenetel 6.Szilárdság és tönkremenetel 6.

�� Húzási sávok ATP polimerekbenHúzási sávok ATP polimerekbenAz idő és a terhelési szint hatása a polimer deformációjára (kúszásgörbék) és a

húzási (folyási) zónák kialakulására (εF az első NFZ-hez tartozó

határdeformáció, εB a kúszási szakadási nyúlás )

Menges G.: Werkstoffekunde der Kunststoffe. Hanser V. München 1985.

2015.05.12.

14

Szilárdság és tönkremenetel 6.a.Szilárdság és tönkremenetel 6.a.

�� Húzási sávok ATP polimerekbenHúzási sávok ATP polimerekben

Az idő és a terhelési szint hatása a PMMA deformációjára (kúszásgörbék) és a

húzási zónák kialakulására (εF az első NFZ-hez tartozó határdeformáció)

2015.05.12.

8

15

Szilárdság és tönkremenetel 8.Szilárdság és tönkremenetel 8.

�� Húzási sávok RTP polimerekbenHúzási sávok RTP polimerekben

PP húzásakor az inhomogén szferolit-deformációkat kísérő, a szferolithatárokon

fellépő mikrorepedés (NFZ, craze) képződés tartománya (kifehéredés) messze

benyúlik a nyakképződött részektől a nem befűződött szakaszokba is

2015.05.12.

16

Szilárdság és tönkremenetel 9.Szilárdság és tönkremenetel 9.

�� Kompozit hibák és tönkremeneteli módokKompozit hibák és tönkremeneteli módok

• Mátrix repedések

• Szál-mátrix elválás

• Szálkicsúszás

• Szálszakadás

Légbuborék,

légzárvány a

mátrixban

Belofsky H.: Product design and process

engineering. Hanser Pub. Munich-New York,

1995.

2015.05.12.

9

17

Szilárdság és tönkremenetel 10.Szilárdság és tönkremenetel 10.

�� Kompozit tönkremeneteli módjai és feltételeiKompozit tönkremeneteli módjai és feltételei

• Mátrix repedések

• Szál-mátrix elválás

• Szálkicsúszás

• Szálszakadás

2D

Hertzberg G.W.: Deformation and fracture mechanics … J.Wiley, New York, 1989.

Belofsky H.: Product design and process engineering. Hanser Pub. Munich-New York, 1995.

2015.05.12.

18

Polimerek törésmechanikai viselkedése 1.Polimerek törésmechanikai viselkedése 1.

�� Repedésterjedés és törés módjaiRepedésterjedés és törés módjai

2015.05.12.

10

19

Polimerek törésmechanikai viselkedése 2.Polimerek törésmechanikai viselkedése 2.

A TÖRÉSMECHANIKA MÓDSZEREIA TÖRÉSMECHANIKA MÓDSZEREI

�� Lineárisan rugalmas törésmechanika Lineárisan rugalmas törésmechanika módszereimódszerei (LRTM)(LRTM)

•• Feszültségintenzitási elméletekFeszültségintenzitási elméletek (KIkrit)

•• Lineárisan rugalmas viselkedésLineárisan rugalmas viselkedés

•• Kis képlékeny tartományú viselkedésKis képlékeny tartományú viselkedés

•• EnergiahipotézisEnergiahipotézis (GIkrit)

�� Nemlineáris vagy képlékeny törésmechanikaNemlineáris vagy képlékeny törésmechanikamódszerei módszerei (NLRTM, KTM)(NLRTM, KTM)

•• Repedéskinyílási Repedéskinyílási (COD) elmélet (COD) elmélet (δIkrit)

•• JJ--integrálintegrál (és J(és J--pont integrál)pont integrál)

•• Törés lényegi munkájaTörés lényegi munkája (EWF)(EWF)

2015.05.12.

20

Polimerek törésmechanikai viselkedése 3.Polimerek törésmechanikai viselkedése 3.

�� NeuberNeuber--féle elliptikus bemetszés és a repedés féle elliptikus bemetszés és a repedés

ρ>0

Neuber szerint a bemetszés

okozta feszültségcsúcs értéke:

A végtelenül kicsiny

sugarú repedéscsúcs

esetén:

ρασασ a

k;Nkmax 21+==

0→∞→⇒∞→ ρσα ha,maxk

2015.05.12.

11

21

Polimerek törésmechanikai viselkedése 4.Polimerek törésmechanikai viselkedése 4.

�� Repedési/repedésterjedési módok Repedési/repedésterjedési módok IrwinIrwin szerintszerint

Muttnyánszky Á.: Szilárdságtan. Műszaki K. Bp. 1981

2015.05.12.

22

Polimerek törésmechanikai viselkedése 5.Polimerek törésmechanikai viselkedése 5.

�� GriffithGriffith--féle repedésmodell és az féle repedésmodell és az ErwinErwin--féle feszültségintenzitási elmélet féle feszültségintenzitási elmélet ––

LR anyagLR anyag

[ ] }z,y,x{j,i,)(fK)(fK)(fKr

IIIijIII

IIijII

IijIij ∈++= θθθ

πσ

2

1

Westergaard eredményeire alapozva, Irwin bevezette a K feszültségintenzitási tényezőket:

axr,aB

aYK oI <<=

= πσ

Az fij(θ) Williams-Irwin egyenletekre:

≠=

=ji,

ji,)(fij 0

10

BccIcI ;aYKK σσπσ ==≥

Instabil repedésterjedés

feltétele síkalakv.i állapotban:B = vastagság

Kc=kritikus fesz. int. tényező

2015.05.12.

12

23

Polimerek törésmechanikai viselkedése 7.Polimerek törésmechanikai viselkedése 7.

�� IrwinIrwin--féle kis képlékeny tartományú repedésmodell féle kis képlékeny tartományú repedésmodell –– ~LR anyag~LR anyag

xr,)ra(B

raYK plo

plI =+

+= πσ

A képlékeny tartomány alakja

Instabil repedésterjedés feltétele

síkalakváltozási állapotban:

BcplcIcI ;)ra(YKK σσπσ =+=≥

χσπ

2

2

1

=

F

Ipl

Kr B = vastagság

2015.05.12.

24

Polimerek törésmechanikai viselkedése 8.Polimerek törésmechanikai viselkedése 8.

�� GriffithGriffith--féle energiahipotézis féle energiahipotézis –– LR anyagLR anyag

tdc

dA

c

U

c

Wss γγ 2=≥

∂∂−

∂∂

feszültségfelületi

repedésbelsőa

repedésfelületiactdcdA

s =γ

==,2

,;2

sIG γ2=*EY

KG Ic

Ic 2

2

=

−

=állapotbanásialakváltozsík,

E

állapotbanségisíkfeszült,E

*E21 ν

Instabil repedésterjedés

feltétele síkalakv.i állapotban:

BcIcI ;GG σσ =≥

Fajlagos repedésterjesztő erő (G):

2015.05.12.

13

25

Polimerek törésmechanikai viselkedése 10.Polimerek törésmechanikai viselkedése 10.

�� DugdaleDugdale--féle repedésmodell és a Wellsféle repedésmodell és a Wells--féle repedéskinyílási féle repedéskinyílási

(COD) módszer(COD) módszer –– NLR vagy képlékeny anyagNLR vagy képlékeny anyag

Feltételek:

• 2a-n kívül rugalmas

alakváltozás;

• A képlékeny

tartományban és a

repedésvégen σF fesz.

Repedéskinyílás és a

törés feltétele:

cFE

a δσσπδ ≥≈

2

cFIc EmK δσ=LR anyag esetében:

Síkfesz.: m≈1, Síkalakv.: m≈2

2015.05.12.

26

Polimerek törésmechanikai viselkedése 11.Polimerek törésmechanikai viselkedése 11.

�� CherepanovCherepanov és Rice és Rice JJ--integrálintegrál módszere módszere –– NLR vagy képlékeny NLR vagy képlékeny

anyaganyag

∫Γ ∂

∂−= dsx

dyWJ eu

σ ∑∫=j,i

j,ij,ie dW εσ

Feltételek:

• Monoton növekvő terhelés

• A Γ görbén kívül LR viselkedés

EY

KGJ I

II 2

2

==

Repedés

LR viselkedésű anyagnál:

Stabil repedésterjedés feltétele

síkalakváltozási állapotban:

cFIcI mJJ δσ=≥

σσσσ és u a feszültség- és elmozdulás vektorok

∫Γ

−= dsdx

ddyWJ

u&& σ* ∫= ijij d*W εσ &

Viszkoelasztikus kúszás esetén: J-pont integrál

2015.05.12.

14

27

Polimerek törésmechanikai viselkedése 13.Polimerek törésmechanikai viselkedése 13.

�� A törés lényegi munkája A törés lényegi munkája ((EssentialEssential WorkWork of of FractureFracture: ): )

Feltételek:

• DEN próbatest kissebességű húzása

• A repedéscsúcs előtti tartományban

(ligament) plasztikus alakváltozás

Az alakváltozás munkája:

Elliptikus zóna:

Elasztomerekkel módosított

PP keverék

pepe wtltlwUUW β+=+= 2

W/tl

l

b

4

πβ =

ew

Bezerédy Á. és tsi.: Műanyag és Gumi 34. 1997/1. 17-26.

2015.05.12.

pe wlwtlW β+=/

weés w

p=rugalmas és plasztikus

fajlagos munka

28

Polimerek törésmechanikai viselkedése 14.Polimerek törésmechanikai viselkedése 14.

�� A repedésterjedés mérési módszereiA repedésterjedés mérési módszerei•• Optikai, videokamerás mérés és képfeldolgozásOptikai, videokamerás mérés és képfeldolgozás

•• Akusztikus emisszió méréseAkusztikus emisszió mérése

•• Érzékenység, engedékenység (Érzékenység, engedékenység (compliancecompliance) mérése szakítógépen) mérése szakítógépen

•• Elektromos potenciálkülönbség méréseElektromos potenciálkülönbség mérése

•• Ultrahang terjedés méréseUltrahang terjedés mérése

�� Akusztikus emisszió méréseAkusztikus emisszió mérése

A törés előtti

• mikrorepedések,

• mikrocsúszások,

• mikroszakadások

hangsebességgel

terjedő impulzusszerű

rezgéscsomagot

keltenek..

CT-próbatest

Pellionisz P. szerk.: AE anyag- és szerkezetvizsgálatok. GTE Bp. 1992.

2015.05.12.

15

29

Polimerek törésmechanikai viselkedése 15.Polimerek törésmechanikai viselkedése 15.

�� Akusztikus emisszió mérése Akusztikus emisszió mérése –– tönkremeneteli módtól függő tönkremeneteli módtól függő

amplitudó és eseményszám (AE; kumulált eseményszám: amplitudó és eseményszám (AE; kumulált eseményszám: ΣΣAE)AE)

Rövidszálas PP kompozit

Hosszúszálas PP kompozit

Pellionisz P. szerk.: AE anyag- és szerkezetvizsgálatok. GTE Bp. 1992.Czigány T.: Anyagvizsgálók Lapja 8. 1998/1. 13-16.2015.05.12.

30

Polimerek törésmechanikai viselkedése 17.Polimerek törésmechanikai viselkedése 17.

�� Tervezés és ellenőrzés repedésméretreTervezés és ellenőrzés repedésméretre

Szivárgás törés előtt (leak-

before-break) feltétel szerint a

szivárgás határesetében:

a=t

Pl. Egy t falvastagságú tartály belső felületén keletkezett repedés ‘a’ mérete ismert. A tartály a σ

0terhelésen továbbra

is üzemben tartható, ha

ahol n>1 biztonsági tényező.

IcoI KtnnK <= πσ

Hertzberg G.W.: Deformation and fracture mechanics of engineering materials. J.Wiley, New York, 1989.

2015.05.12.