4.1 Trekproef
Onderstaande video geeft je een goede indruk hoe een trekproef eruit ziet en wat je er allemaal voor informatie uit kunt halen. Bekijk deze video eerst goed. Lees daarna de bijbehorende theorie door die hieronder staat.
Inleiding
Een aantal mechanische eigenschappen is te bepalen met behulp van een trekproef. Dit gebeurt in een trekbank (zie figuur 1). Een proefstaafje van het materiaal (zie figuur 1b) wordt ingespannen tussen twee klemmen, waarvan de ene met een constante snelheid wordt bewogen, terwijl op de andere klem de in het staafje optredende kracht wordt geregistreerd. De kracht (F) wordt gemeten in newton (N), de lengteverandering (DL) in bijvoorbeeld mm. Om niet afhankelijk te zijn van de afmetingen van het staafje wordt de kracht (F) omgerekend naar een spanning (s), door de kracht te delen door het dwarsoppervlak van het staafje (A). In formule vorm:
s = F/A
De spanning wordt uitgedrukt in N/m2 of Pa (Pascal). In de praktijk is de meest gebruikte eenheid voor de spanning vaak MPa (=106 N/mm2) voor de treksterkte een geschikte eenheid. Evenzo wordt de verlenging omgerekend naar de relatieve rek: relatieve rek (e) = lengteverandering (DL)/beginlengte (Lo). In formule vorm:
e = DL/Lo
De relatieve rek is dimensieloos. De rek wordt ook vaak uitgedrukt in %:
e (%) = (DL/Lo) *100%
Als bijvoorbeeld de beginlengte 10 cm is en het staafje wordt 5 mm uitgerekt dan is de rek (%) = (5 mm/100 mm) *100% = 5 %.
Figuur 1. Opstelling die wordt gebruikt bij een trekproef(figuur 1.a) en vorm van een trekstaafje (1.b.)
Trekstaafjes (zie ook figuur 1b) hebben altijd een verbreed inklemgedeelte en een smal gedeelte waarin de meeste deformatie plaatsvindt. Dit verschil in breedte is noodzakelijk om ervoor te zorgen dat het staafje niet uit de klemmen slipt. Immers als aan het materiaal wordt getrokken dan neemt het materiaal in dikte af waardoor het uit de klemmen zou slippen. Door er nu voor te zorgen dat er zich een smaller gedeelte tussen de twee klemmen bevindt, vindt in dit smallere gedeelte voornamelijk de deformatie plaats (waarom?). Vaak neemt men aan dat alle verlenging terecht komt in dit smallere gedeelte. Dit gedeelte wordt vaak aangeduid met de "deformeerbare lengte".
Uit het verloop van de kracht met de uitrekking kan vervolgens het spannings-rek diagram worden berekend. Een voorbeeld hiervan staat in figuur 2. Bij het rekken wordt er links onder in de curve begonnen en loopt de spanning op naarmate de rek toeneemt.
Figuur 2. Spannings-rek diagram van een kunststof
In het begin kan zo'n diagram op een recht lijn lijken. Dit betekent dat de spanning evenredig is met de rek. De evenredigheidsconstante wordt modulus genoemd. En de evenredigheid tussen spanning en rek staat bekend als de wet van Hook:
wet van Hook s = E*e
Deze wet gaat strikt genomen alleen op voor puur elastische vaste stoffen. Bij deze stoffen is de spanning evenredig met rek en komen de originele afmetingen onmiddellijk terug na verwijdering van de spanning. Bij polymeren blijkt dit verband iets lastiger te zijn. Maar bij hele kleine rekken blijkt deze evenredigheid wel te gelden. E = spanning/rek = een maat voor de stijfheid van een materiaal en is dus gelijk aan de richtingscoëfficiënt. Maar de lijn kan ook al vanaf het begin gekromd zijn: in dat geval moet de helling genomen worden in het beginpunt (E initieel) of neem je de modulus bij bijvoorbeeld 1% rek. Deze wordt dan aangeduid met E1%. Zie de uitvergroting van figuur 3b.
Tabel 1. Enkele begrippen/termen behorend bij een spannings-rek diagram
Figuur 3. Nominale spanning versus rek voor een ductiele (=taaie) plastic welke vloei en koud verstrekken ondergaat voordat breuk optreedt. Hoe het staafje eruit ziet op bepaalde punten in de spannings-rek curve is in de rechter figuur geïllustreerd.
Verklaring van de vorm van de curve
1. gedrag voor de vloeispanning
Kunststoffen die een vloeispanning vertonen hebben onvermijdelijk ook sterk tijd- en temperatuurafhankelijke deformatie gedrag (en niet-lineair spannings-rek gedrag). Daarentegen vertonen de stijve maar brosse materialen voornamelijk een elastische (lineaire) respons welke plotseling wordt beëindigd door een snelle scheurgroei op het moment van breuk. Deze lage-rek deformatie is minder gevoelig voor de temperatuur.
2. de vloeispanning
De vloeispanning of vloeigrens geeft het maximum in de spanning aan waarboven het materiaal breekt op een ductiele manier. Bij de vloeigrens kunnen moleculaire ketensegmenten langs elkaar glijden. Dit deformatieproces is, of het nu optreedt in een kristallijn of amorf gebied, geheel irreversibel en gaat gepaard met een duidelijke terugval in de nominale spanning op het trekstaafje. Dit is het gevolg van een sterke dwarscontractie in het trekstaafje in een bepaald punt (nekvorming).
3,4 Koude vloei
Vanuit dit punt breidt de nek zich uit over een groter gedeelte van het trekstaafje bij ongeveer gelijkblijvende nominale spanning. Tijdens het uit elkaar glijden van de ketens, ook wel ketenslip genoemd, treedt er oriëntatie op in de ketens. Dit proces staat bekend als koude vloei welke plaatsvindt bij een spanning die vaak onafhankelijk is van de rek. De locale stijfheid neemt als gevolg van de toename in de oriëntatie toe.
Op het punt dat de verhoogde weerstand tegen deformatie als gevolg van deze oriëntatie genoeg compensatie veroorzaakt voor een toename in de ware spanning, breidt de nek zich uit over een groter gedeelte van het trekstaafje. De locale stijfheidtoename als gevolg van de koude vloei ( of het koud verstrekken) leidt plaatselijk tot zeer hoge spanningen die gepaard gaan met grote deformaties. Als de nek zich over het gehele trekstaafje heeft uitgebreid, heeft er dan ook een zeer grote rek van enkele honderd procenten voorgedaan. Hierbij treedt deformatie van (eventueel aanwezige) kristallijne eenheden op. Deze deformatie blijft behouden, ook na verwijdering van de aangelegde spanning.
5. Breuk
Op het punt waar het materiaal zeer sterk is verstrekt/georiënteerd, neemt de spanning toe als gevolg van de georiënteerde microstructuur die is ontstaan met een hogere stijfheid. Het materiaal breekt als het materiaal in de overblijvende dwarsdoorsnede niet meer in staat is de opgelegde spanning te weerstaan. De spanning waarbij dit gebeurt wordt aangeduid met de breukspanning of treksterkte (in Pa (= N/m2) of N/mm2). De rek die het materiaal op dat moment heeft ondergaan is de rek bij breuk.
Na breuk verdwijnt het elastische deel van de rek (staafje 'veert terug'). De rek door het proces van koud verstrekken blijft behouden, ook na verwijdering van de aangelegde spanning doordat deformatie van kristallijne eenheden is opgetreden.
bros of taai, stijf of slap, sterk of zwak
Kunststoffen worden met stijf of slap, taai of bros, sterk of zwak aangeduid, afhankelijk van het niveau van de diverse grootheden (zie figuur 7.4).
stijf <=> slap
Hangt van het niveau van de elasticiteitsmodulus af, dus van de beginhelling van het spannings-rek diagram. Hoe hoger de elasticiteitsmodulus hoe stijver het materiaal is.
bros <=>taai
Hangt van het oppervlak onder de spanningsrek curve af en de rek waarbij ze breken.
Hoe groter het oppervlak onder de curve hoe taaier het materiaal is> Materialen die geen vloeispanning vertonen worden bros genoemd.
sterk <=> zwak
Hangt van de ligging (het niveau) van de breuksterkte af. Hoe hoger het niveau van de breuksterkte des te sterker het materiaal is.
Figuur 4. Spannings-rek diagrammen met schematische verschillen tussen stijf/slap, bros/taai, sterk/zwak
Kruip en spanningsrelaxatie
Een vervelende eigenschappen van kunststoffen is dat ze kruip vertonen. Je kunt de elasticiteitsmodules mooi uit een tabel halen en gebruiken om er een product van de kunststof mee te ontwerpen, maar er moet rekening mee worden gehouden dat een onmiddellijke rek bij kunststoffen als reactie op spanningen niet het enige is! Het materiaal gaat door met uitrekken, tot het na lange tijd soms wel 2 tot 10x zover is gedeformeerd. Dat heet kruip.
Dit komt omdat een polymeer als het zogenaamd in een vaste toestand is toch nog een beetje vloeistofeigenschappen heeft. Dit wordt veroorzaakt door het feit dat polymeerketens met vrij zwakke interactiekrachten aan elkaar samenhangen en de ketendelen hierdoor bij een uitwendig aangebrachte kracht, langzaam de neiging hebben om elkaar geleidelijk los te laten. Hierbij geeft het materiaal meer en meer toe aan de aangebracht spanning.
Iets wat heel nauw met kruip samenhangt is de spanningsvermindering die optreedt als een proefstaafje bestaande uit kunststof een vaste rek wordt opgelegd. Je ziet dan dat de spanning in het staafje langzaam afneemt, ook weer doordat de polymeerketens langzaam uiteenvloeien. Dit verschijnsel wordt spanningsrelaxatie genoemd.
Kruip- en spanningsrelaxatieproeven
Bij het meten van het kruipgedrag van een materiaal wordt het staafje aan de bovenkant ingeklemd en aan de onderkant met een gelijkblijvende kracht (bijvoorbeeld door er een gewicht aan te hangen) belast. De rek van het staafje wordt daarna als functie van de tijd geregistreerd.
Bij een spanningsrelaxatieproef wordt een trekstaafje van het te onderzoeken materiaal ingeklemd. Hierna wordt het staafje snel uitgerekt tot een bepaalde rek en wordt het verloop van de spanning als functie van de tijd geregistreerd. Het zal duidelijk zijn dat een goede temperatuurcontrole in beide gevallen van belang is, zeker omdat soms wordt gemeten over lange tijden.
Temperatuur en deformatie gedrag
De fysische eigenschappen van plastics zijn sterk temperatuurafhankelijk. Ook de spannings-rek curve is hierin geen uitzondering. Voordat wordt ingegaan op hóe de modulus en de spannings- rek curve variëren met de temperatuur worden enkele factoren besproken die van invloed zijn op het mechanische gedrag.
* De rol van primaire en secundaire binding
De meeste polymere materialen bestaan uit covalent gebonden polymeerketens (met uitzondering van de kleine groep ionomeren). Het breken van deze bindingen door thermische effecten is alleen mogelijk in de smeltfase. Als in de vaste toestand op deze vrij willekeurig georiënteerde ketens een spanning wordt aangelegd zullen ze zich hoogstens wat gaan oriënteren en vooralsnog niet breken.
Deze oriëntatie kan optreden doordat de secundaire keteninteracties (dipolen, waterstofbindingen) wel makkelijk kunnen worden verbroken. Aangezien de grootte van deze secundaire keteninteracties sterk afhankelijk zijn van de temperatuur is hiermee gelijk een verklaring gevonden van het sterk temperatuurgevoelige gedrag voor de meeste polymeersystemen.
De grootte van het effect is natuurlijk afhankelijk van een aantal factoren:
· van het exacte type inter-moleculaire binding voor een gegeven materiaal,
· de chemische groepen in de hoofdketen die de overall keten-flexibiliteit bepalen en
· de aanwezige hoeveelheid van moleculaire anisotropie in het uiteindelijke product.
* Effect op spannings-rek gedrag
De temperatuur bepaalt niet alleen het dynamische korte duur of lage rek gedrag van moduli, ook de deformeerbaarheid van plastic materialen wordt er sterk door beïnvloed. Beschouw een spannings rek curve voor eenzelfde polymeer bij verschillende temperaturen.
Figuur 5. Effect van temperatuur op spannings-rek curve. Van A naar E neemt temperatuur waarbij wordt gemeten toe.
Elk van bovenstaande curven A tot en met E zijn mogelijk voor een en hetzelfde polymeer, afhankelijk van de temperatuur waarbij wordt gemeten:
A : Bij de laagste temperatuur reageert het polymeer bros maar met een visco-elastische respons. Breuk treedt er op bij de maximum spanning en relatief lage rek (meestal zo'n 5% of minder) zonder veel vloei.
B: Bij een iets hogere temperatuur vertoont het polymeer een duidelijke vloeispanning met direct daarna echter breuk doordat de gevormde nek nog niet stabiel verder kan groeien.
C: Bij nog hogere temperatuur vertoont het polymeer duidelijk een vloeispanning met daarna nekvorming en een stabiele nekgroei door koude vloei en koudverstrekken en uiteindelijke breuk in de georiënteerde nek bij een zeer hoge rek (meestal boven de 3000/0 ).
D: Bij deze temperatuur vertoont het polymeer het gedrag dat karakteristiek is voor een rubber+ elastische respons. Dit vertoont een amorf of laag kristallijn materiaal bij een temperatuur juist boven de Tg(= glasovergangstemperatuur)
E: Deze materialen worden gekenmerkt door een lage vloeispanning en zijn zeer sterk deformeerbaar. De optredende deformatie kan voornamelijk elastisch zijn, tenzij significante, door spanning veroorzaakte kristallisatie optreedt gedurende het trekproces.
* Effect van treksnelheid
Dezelfde soort trek-rek relaties worden gevonden wanneer de (t)reksnelheid wordt gevarieerd in plaats van de temperatuur.
Breukgedrag
Breuk is een praktisch probleem bij producten en betekent dat het product niet langer voldoet in zijn functie. Meestal is de weerstand tegen mechanische spanning of rek (en de daarmee gepaard gaande opgeslagen of geabsorbeerde energie) het belangrijkste criterium tijdens gebruik.
Er zijn verschillende typen van mechanische breuk die van toepassing zijn bij plastic producten:
* Overvloedige deformatie
Vele plastics zijn materialen met een lage stijfheid en zijn in staat om relatief hoge rek te ondergaan, bijvoorbeeld bij nekvorming en koud vervormen. Verder is de rek bij de vloeigrens in dit soort materialen vaak significant veel hoger dan bij andere vergelijkbare engineering materialen.
* Ductiele of taaie breuk
Ductiel of taai slaat op de eigenschap van het materiaal om op grote schaal irreversibele "plastische" deformatie te ondergaan onder invloed van spanning. De vloeispanning beschrijft de spanningsintensiteit waaronder zulke effecten optreden. Aangezien veel plastics onder bepaalde condities vloei fenomenen vertonen is de vloeispanning een belangrijke 'gegeven' van een polymeer. De vloeispanning is de bovenste limiet die kan worden opgelegd aan het materiaal. De vloeigrens beschrijft eigenlijk het begin van de ductiele breuk. (Natuurlijk is ook de vloeispanning van een bepaald polymeer afhankelijk van de temperatuur en belastingssnelheid).
* Brosse breuk
Brosheid van materialen duidt op een breukmechanisme geïnduceerd door de vorming en groei van scheurachtige fouten in het systeem. Analyse van dit soort breukmechanismen, of het nu gaat om een schokbelasting of een minder snel scheurgroei effect, is moeilijk omdat zowel de spanning als scheurgeometrie bepalend zijn voor de spanningsintensiteit in het monster. De spanningsintensiteit is de belangrijkste parameter die invloed heeft op de uiteindelijke brosse breuk.