Essais de tension de polymères

Structural Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering collection to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Source : Roberto Leon, département de génie Civil et environnemental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Matériaux polymères sont largement utilisés dans des structures civiles, avec des utilisations allant de produits d’étanchéité très douces à tubes plus rigides dans les systèmes d’aqueduc et d’égout. La définition la plus basique d’un polymère est une structure moléculaire avec la répétition des sous-unités. Le polymère terme vient du grec, où les « poly » signifie beaucoup, et «-mer » désigne l’unité de base. Monomères, ou mers unique, sont les unités répétitives spécifiques. Avec des polymères, la structure, y compris la longueur de l’épine dorsale de carbone et la flexibilité variable, dictera les propriétés du polymère. Les polymères sont classés en 3 sous-catégories : plastiques, élastomères et polymères tringle rigide. Matières plastiques sont subdivisés en résines thermodurcissables, qui ne pas ramollir sur chauffage et thermoplastiques, qui ramollir Lorsque chauffé et durcir le refroidissement. En outre, les thermoplastiques sont pour la plupart linéaires ou ramifiés polymères avec peu ou pas de réticulation, tandis que les résines thermodurcissables présentent une structure 3D et ont étendu la réticulation. Élastomères ou caoutchoucs, sont longs, enroulés de chaînes et peut être étiré jusqu'à deux fois la longueur d’origine, mais se contractera de retour à la taille d’origine en relâchant, tandis que les polymères tringle rigide n’étirement pas et sont forts, structures cristallines.

Dans ce laboratoire, nous examinerons plusieurs différents matériaux polymères, y compris le polyéthylène haute densité (PEHD), polychlorure de vinyle (PVC), le nylon et le méthacrylate de méthyle (acrylique) afin de comprendre l’ampleur et la diversité de la contrainte / déformation courbes de ces matériaux et comment leurs propriétés mécaniques affectent leurs performances.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Structural Engineering. Essais de tension de polymères. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

  1. Obtenir des éprouvettes de traction typiques d’acrylique, nylon, HPDE, PVC et matériaux polymères.
  2. À l’aide d’un micromètre, mesurer la largeur et l’épaisseur à plusieurs endroits le long de l’axe de chaque échantillon pour déterminer les dimensions transversales moyennes. Enregistrement la moyenne mesurée de largeur et l’épaisseur de chaque échantillon sur la feuille de données.
  3. Placer l’échantillon dans les poignées. Assurez-vous qu’au moins 80 % de chaque extrémité est bien fixé sur les poignées, ce qui permettront d’assurer contre glissement pendant l’opération de chargement. Papier de verre peut également être utilisé (côté de grain vers l’échantillon) pour améliorer la préhension de l’échantillon.
  4. Mesurez la longueur de l’échantillon entre les poignées. Cette valeur correspond à la longueur de gage et sera utilisée pour calculer la souche.
  5. Fixez solidement l’extensomètre électronique au modèle selon les spécifications du fabricant. Remarque : Les lames de l’extensomètre n’ont pas besoin d’être positionnée exactement sur les marques de gage sur l’échantillon, mais devraient être centrés sur le spécimen.
  6. Commencer à appliquer l’effort de traction au modèle de formulaire et observez la lecture direct de la charge appliquée sur l’écran de l’ordinateur. Si la charge mesurée n’augmente pas, le spécimen est glissant à travers les poignées et a besoin d’être remis en place. Dans ce cas, l’instructeur va arrêter l’essai et recommencer la procédure depuis l’étape 2.
  7. Continuer à appliquer la charge de traction lentement, observant la forme de la charge générée par ordinateur vs graphique de déplacement pendant le chargement.
  8. Quelque temps avant la rupture de l’échantillon, le test sera automatiquement suspendu sans décharger le spécimen. À ce stade, retirez l’extensomètre. Si le spécimen rompt avec l’extensomètre en place, vous détruirez l’extensomètre, une pièce très coûteuse d’équipement.
  9. Charger l’échantillon jusqu'à la défaillance. Enregistrer la charge maximale et la charge à la rupture.
  10. Retirer l’échantillon cassé de la machine. Observer et documenter la situation et le caractère de la fracture.
  11. Mesurer la largeur et l’épaisseur de chaque spécimen dans la région d’échec et d’enregistrer les mesures finales.

Polymères représentent quelques-uns des matériaux plus largement utilisés dans le monde, se trouvés dans toutes sortes de mastics souples à tubes d’eau rigides. La définition la plus basique d’un polymère est une structure moléculaire avec une longue chaîne de répéter des sous-unités ou monomères. Polymères peuvent être classés en plusieurs sous-catégories. Deux d'entre les plus élémentaires sont les pièces en plastique de forme-holding et les élastomères souples.

Matières plastiques sont subdivisés en thermoplastiques et thermodurcissables. Thermoplastiques sont le plus souvent linéaires et présentent très peu de réticulation. Thermodurcissables ont généralement plus complexe des structures tridimensionnelles, généralement avec une vaste réticulation.

Élastomères, également connu sous le nom de caoutchoucs, sont constitués de chaînes de polymère long, enroulé et peuvent s’étirer à au-delà de leur durée de repos originale mais seront contractera de retour à la taille d’origine en relâchant.

Dans cette vidéo, nous allons déterminer courbes de déformation du stress pour différents matériaux polymériques, afin de comprendre comment leurs propriétés mécaniques affectent leurs performances.

Un des moyens plus élémentaires polymères sont caractérisées est avec une analyse de la courbe contrainte-déformation. Il s’agit d’appliquer une charge connue à un spécimen et en observant la déformation qui en résulte.

Le comportement de contrainte-déformation des polymères dépend largement du type de matériau analysé. L’axe de stress représente la quantité de force exercée sur la matière, tandis que la courbe de déformation représente la déformation relative en raison de ce stress. Le dernier point de la courbe représente le point où le matériel ont finalement échoué, en raison de la force appliquée.

Dans les régions linéaires d’une courbe contrainte-déformation, la pente représente le module de Young de ce matériau. Il s’agit d’une propriété intrinsèque d’un matériau donné. Déformation au sein de cette région linéaire est appelée déformation élastique et est réversible. La déformation au-delà de cette région est connue comme la déformation plastique et est permanente.

Maintenant que vous comprenez les polymères et leurs propriétés, permet de tester différents matériaux polymères à l’aide d’une machine d’essai de traction.

Obtenir des éprouvettes de traction typiques d’acrylique, nylon, matériaux polymères HPDE et PVC. À l’aide d’un micromètre, mesurer la largeur et l’épaisseur à plusieurs endroits le long de l’axe de chaque échantillon pour déterminer les dimensions transversales moyennes. Enregistrement la moyenne mesurée de largeur et l’épaisseur de chaque échantillon sur la feuille de données.

Mettre en place la machine d’essai universelle comme le montre le JoVE vidéo concernant les caractéristiques de contrainte-déformation des aciers. Ensuite, placez l’échantillon en proie à la machine d’essai de traction. Assurez-vous qu’au moins 80 pour cent de chaque extrémité est bien fixée sur les poignées, ce qui aideront à empêcher le glissement lors de l’opération de chargement. Papier abrasif peut également servir à améliorer la préhension de l’échantillon.

Fixez solidement l’extensomètre électronique au modèle selon les instructions du fabricant. Ensuite, mesurez la longueur de l’échantillon entre les poignées. Cette valeur est la longueur entre repères et sera utilisée pour calculer la souche. À présent, commencer à appliquer l’effort de traction à l’échantillon et la lecture en direct de la charge appliquée sur l’écran de l’ordinateur. Si la charge mesurée n’augmente pas, le spécimen est glissant à travers les poignées et doit être remis en place. Dans ce cas, arrêter le test et ré-attacher le spécimen pour les poignées.

Continuer à appliquer la charge de traction lentement, observant la forme de la charge générée par ordinateur versus graphique de déplacement pendant le chargement. Quelque temps avant la défaillance de l’échantillon, le logiciel se met automatiquement en pause le test. Laisser l’échantillon sur la machine et retirer l’extensomètre. Reprendre l’application de la charge de traction jusqu'à la défaillance. Enregistrer la charge maximale et la charge à la rupture. Retirer l’échantillon cassé de la machine. Observer et documenter la situation et le caractère de la fracture. Mesurer la largeur et l’épaisseur de l’échantillon dans la région de l’échec et d’enregistrer les mesures finales.

Répétez ce protocole pour les autres spécimens, en veillant à documenter et à caractériser l’emplacement de leurs fractures.

Avec les tests complets, nous allons maintenant étudier les résultats de l’essai de traction. Ici, on voit la progression de l’insuffisance dans un échantillon de polyéthylène haute densité. Au cours de l’essai de traction, il y a une quantité importante de striction et descendre le spécimen comme les chaînes polymériques dérouler, mettant en vedette la ductilité du PEHD. Ce phénomène est encore plus perceptible si le matériel est chargé de lentement, ce qui permet de l’échantillon HDPE étirer plusieurs fois sa longueur initiale.

PVC montre une progression de défaillance similaire à HDPE, mais avec d’un beaucoup plu jeune module et plus faible ductilité.

L’échantillon de nylon était presque aussi élevé un module d’Young comme PVC, mais était un matériau beaucoup plus ductile, allongeant plus de même pour le spécimen HDPE.

En revanche, l’échantillon acrylique n’est fondamentalement sans déformation non linéaire. La pause qui en résulte se produit avec aucun allongement visible de l’échantillon.

Ensuite, nous allons calculer le module de Young pour les régions linéaires de spécimens. Nous déguster trois paires de points dans l’ensemble de la région de déformation élastique et calculer la pente de chaque paire. Les moyennes de ces trois pistes sera le module d’Young approximative de cette matière.

Comme il peut être vu, modules de deux jeunes plus élevé correspondent aux matériaux qui exige plus de force pour briser. Dans cet exemple, cela représente le PVC et les échantillons acryliques. Ces matériaux a également ne subi peu ou aucun déformation plastique, en comparaison de PEHD ou en nylon, ce qui les rend les matériaux relativement fragiles. Les échantillons HDPE et de nylon avaient des modules de Young inférieure, ce qui signifie que le nécessaire moins force à se déformer. Ces échantillons ont connu striction significative, ce qui les rend le plus ductile des matériaux prélevés.

Penchons-nous maintenant sur quelques applications courantes des différents polymères. Presque n’importe quel domaine professionnel trouveront des plastiques utilisés, de matériel médical à des matériaux de construction de haute résistance.

Dans les applications de génie civil, les polymères sont largement utilisés pour scellants, canalisations ou tuyaux, parement, revêtement et d’adhésifs. Les diverses propriétés des polymères rendent un candidat potentiel pour presque n’importe quel emploi.

Les élastomères sont un type spécifique de polymère, largement cherché pour leurs propriétés uniques. Car ils ont un allongement élevé, sont non-conducteurs, et extrêmement imperméable à l’eau, elles sont utiles dans des applications de câbles isolants électriques pour nitro gants utilisés dans les laboratoires.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à des tests de tension de polymères. Vous devriez maintenant comprendre les rudiments de la science des polymères et connaître le laboratoire standard d’essai pour la détermination de la relation contrainte-déformation pour différents matériaux polymériques.

Merci de regarder !

A subscription to JoVE is required to view this article.
You will only be able to see the first 20 seconds.

RECOMMEND JoVE