Spannung-Tests von Polymeren

Structural Engineering

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Summary

Quelle: Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Polymere Werkstoffe sind in zivilen Strukturen mit Verwendung von sehr weichen Dichtungen bis hin zu mehr starre Rohre in Wasserleitungen und Kanalisation verbreitet. Die grundlegende Definition eines Polymers ist eine molekulare Struktur mit sich wiederholenden Untereinheiten. Der Begriff Polymer stammt aus dem griechischen, wo "Poly" bedeutet viele, und "-Mer" bedeutet Grundeinheit. Monomere oder einzelne Mers sind spezifische Wiederholungseinheiten. Mit Polymeren bestimmen die Struktur, einschließlich der Länge der Kohlenstoff-Rückgrat und die unterschiedliche Flexibilität die Eigenschaften des Polymers. Polymere sind in 3 Unterkategorien eingeteilt: Kunststoffe, Elastomere und steife Rute Polymere. Kunststoffe sind weiter in Duroplaste, unterteilt die nicht erweichen, auf Heizung und Thermoplaste, die weich zu tun, wenn erhitzt und beim Abkühlen erhärten. Thermoplaste sind darüber hinaus meist lineare oder verzweigte Polymere mit wenig bis keine Vernetzung, während Duroplaste 3D Struktur aufweisen und umfangreiche Vernetzung haben. Elastomere oder Beläge sind lang, Ketten gewickelt und kann zweimal der ursprünglichen Länge gedehnt werden, aber wird wieder auf die ursprüngliche Größe Wenn freigegeben, während steife Rute Polymere nicht Strecken und sind stark, kristalline Strukturen schrumpfen.

In diesem Labor untersuchen wir verschiedene Polymere Materialien, einschließlich high-Density Polyethylen (HDPE), Polyvinyl Chloride (PVC), Nylon und Methylmethacrylat (Acryl) um zu verstehen, die Breite und Vielfalt der Spannungs-Dehnungs Kurven für diese Materialien und wie ihre mechanischen Eigenschaften ihrer Leistung beeinflussen.

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JoVE Science Education Database. Konstruktiver Ingenieurbau. Spannung-Tests von Polymeren. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

  1. Erhalten Sie typische Zugstäbe aus Acryl, Nylon, HPDE und PVC polymerer Werkstoffe.
  2. Messen Sie ein Mikrometer die Breite und Dicke an mehreren Standorten entlang der Welle von jeder Probe die durchschnittliche Querschnittsmaßen bestimmen. Datensatz die durchschnittliche gemessene Breite und Dicke von jeder Probe auf dem Datenblatt.
  3. Legen Sie die Probe in den Griff. Stellen Sie sicher, dass mindestens 80 % von jedem Ende, die Griffe fest ist die hilft gegen Verrutschen während des Ladevorgangs zu gewährleisten. Schleifpapier kann auch verwendet (Körnung Seite in Richtung der Probe) zur Verbesserung der Probe greifen.
  4. Messen Sie die Länge der Probe zwischen den Griffen. Dieser Wert ist die Gage Länge und wird verwendet, um die Belastung zu berechnen.
  5. Befestigen Sie die elektronische Extensometer sicher auf die Probe nach Angaben des Herstellers. Hinweis: Die Extensometer klingen müssen nicht genau auf die Gage Markierungen auf dem Probestück positioniert werden, aber sollte ungefähr zentriert werden, auf die Probe.
  6. Anwenden Sie der Zugbelastung auf die Probe und beobachten Sie die Lesung der angewendeten Last auf dem Computerdisplay zu. Wenn die gemessene Belastung nicht steigt, die Probe rutscht durch die Griffe und muss wieder angenäht werden. In diesem Fall wird die Lehrer den Test beenden und wiederholen Sie den Vorgang ab Schritt2.
  7. Weiterhin anzuwenden Zugbelastung langsam, die Form der Computer-generierte Last vs. Verschiebung Diagramm während der Beladung zu beobachten.
  8. Irgendwann vor der Probe scheitern wird der Test automatisch angehalten ohne Entladen der Probekörpers. An dieser Stelle entfernen Sie die Extensometer. Bricht die Probe mit der Extensometer vorhanden, werden Sie die Extensometer, ein sehr teures Gerät zerstören.
  9. Laden Sie die Probe bis zum Bruch. Notieren Sie die maximale Belastung und die Last bei Ausfall.
  10. Entfernen Sie das zerbrochene Exemplar aus dem Gerät. Beobachten Sie und dokumentieren Sie die Lage und den Charakter der Fraktur.
  11. Messen Sie die Breite und Dicke von jeder Probe in der Region des Scheiterns und zeichnen Sie der abschließenden Messungen auf.

Polymere sind einige der am häufigsten verwendeten Materialien in der Welt, vom weichen Dichtstoffe starre Wasserleitungen gefunden wird. Die grundlegende Definition eines Polymers ist eine molekulare Struktur mit einer langen Kette von sich wiederholenden Untereinheiten oder Monomere. Polymere können in viele Unterkategorien unterteilt werden. Zwei der grundlegendsten sind Form-Holding-Kunststoffe und die flexible Elastomere.

Kunststoffe sind weiter unterteilt in Thermoplaste und Duroplaste. Thermoplaste sind meist linear und sehr wenig Vernetzung aufweisen. Duroplaste sind dreidimensionale Strukturen, in der Regel mit umfangreichen Vernetzung in der Regel komplizierter.

Elastomere, auch bekannt als Beläge bestehen aus langen, aufgerollten Polymerketten und können darüber hinaus ihre ursprünglichen ruhelänge gestreckt werden aber werden wieder auf die ursprüngliche Größe beim Loslassen schrumpfen.

In diesem Video bestimmen wir Stress Dehnungskurven für verschiedene Polymere Werkstoffe, um zu verstehen, wie ihre mechanischen Eigenschaften ihrer Leistungen auswirken.

Eines der grundlegendsten Möglichkeiten, die Polymere auszeichnen ist mit einer Spannungs-Dehnungs-Kurve-Analyse. Dazu gehört ein Exemplar eine bekannten Last zuweisen und die daraus resultierenden Verformungen zu beobachten.

Das Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Polymeren hängt weitgehend von der Art des Materials analysiert wird. Die Stress-Achse entspricht dem Betrag der Krafteinwirkung auf das Material, während die Dehnungs-Kurve der relativverformungen wegen dieser Stress darstellt. Der letzte Punkt der Kurve ist der Punkt, wo das Material letztlich gescheitert, aufgrund der Krafteinwirkung.

In den linearen Regionen einer Spannungs-Dehnungs-Kurve stellt die Neigung der Elastizitätsmodul des Materials. Dies ist eine intrinsische Eigenschaft eines bestimmten Materials. Verformung innerhalb dieser linearen Region ist bekannt als elastische Verformung und ist reversibel. Verformung Vergangenheit dieser Region ist bekannt als plastische Verformung und ist dauerhaft.

Nun, da Sie Polymere und deren Eigenschaften zu verstehen, können verschiedene Polymere Werkstoffe mit einem Zugversuch-Maschine zu testen.

Erhalten Sie typische Zugproben Acryl, Nylon, HPDE und PVC polymerer Werkstoffe. Messen Sie ein Mikrometer die Breite und Dicke an mehreren Standorten entlang der Welle von jeder Probe die durchschnittliche Querschnittsmaßen bestimmen. Datensatz die durchschnittliche gemessene Breite und Dicke von jeder Probe auf dem Datenblatt.

Die Universalprüfmaschine eingerichtet, wie in der Jupiter zur Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften der Stähle video gezeigt. Dann geben Sie die Probe in die Griffe der Zugversuch Maschine. Stellen Sie sicher, dass mindestens 80 Prozent von jedem Ende, die Griffe fest ist das Verrutschen während des Ladevorgangs zu verhindern hilft. Schleifpapier kann auch verwendet werden, zur Verbesserung der Probe greifen.

Befestigen Sie die elektronische Extensometer sicher auf die Probe entsprechend den Anweisungen des Herstellers. Als nächstes Messen Sie die Länge der Probe zwischen den Griffen. Dieser Wert ist die Spurweite Länge und wird verwendet, um die Belastung zu berechnen. Nun beginnen Sie die Zugbelastung auf die Probe anwenden und beobachten Sie die Lesung der angewendeten Last auf dem Computerdisplay. Wenn die gemessene Belastung nicht steigt, die Probe rutscht durch die Griffe und muss wieder angebracht werden. Beenden Sie in diesem Fall den Test und die Griffe wieder beimessen Sie die Probe.

Weiterhin anzuwenden Zugbelastung langsam, die Form der Computer-generierte Last gegen Verschiebung Diagramm während der Beladung zu beobachten. Irgendwann vor Probe scheitern wird die Software automatisch den Test angehalten. Lassen Sie die Probe in die Prüfmaschine und entfernen Sie die Extensometer. Lebenslauf mit Zugbelastung bis zum Versagen. Notieren Sie die maximale Belastung und die Last bei Ausfall. Entfernen Sie das zerbrochene Exemplar aus dem Gerät. Beobachten Sie und dokumentieren Sie die Lage und den Charakter der Fraktur. Messen Sie die Breite und Dicke der Probe in der Region des Scheiterns und zeichnen Sie der abschließenden Messungen auf.

Wiederholen Sie dieses Protokoll für die übrigen Proben, achten Sie darauf, zu dokumentieren und zu charakterisieren, den Speicherort der ihre Brüche.

Mit der Prüfung abgeschlossen, jetzt schauen wir uns die Ergebnisse der Zugversuch. Hier sehen wir das Fortschreiten des Scheiterns in einer High-Density-Polyethylen-Probe. Während der Zugversuch ist eine erhebliche Menge an Einschnürung nach oben und unten die Probe wie die Polymeren Ketten präsentiert die Duktilität des HDPE wickeln. Dieses Phänomen wird noch deutlicher, wenn das Material ermöglicht die HDPE-Probe, um mehrere Male seine Ausgangslänge dehnen langsam geladen wird.

PVC zeigt eine ähnliche Fehler Progression, HDPE, aber mit einer viel höheren Youngs Modulus und niedriger Duktilität.

Die Nylon-Probe hatte fast so hoch ein Elastizitätsmodul als PVC, war aber ein weitaus duktiles Material verlängern mehr ähnlich dem HDPE-Muster.

Im Gegensatz dazu schlägt Acryl Probe grundsätzlich ohne jede nichtlineare Verformung. Die daraus resultierende Pause tritt mit keine sichtbaren Dehnung der Probe.

Als nächstes wollen wir berechnen des Elastizitätsmoduls für die lineare Regionen Exemplare. Wir drei Paare von Punkten in der elastischen Verformung Region zu probieren, und berechnen Sie die Steigung eines jeden Paares. Der Durchschnitt dieser drei Hänge werden die ungefähre Elastizitätsmodul des Materials sein.

Wie man es sehen kann, entsprechen die beiden höchsten jungen Moduli Materialien, die mehr Kraftaufwand zu brechen. In diesem Beispiel entspricht dies der PVC und Acryl Proben. Diese Materialien wurden auch wenig bis gar keine plastische Verformung, im Vergleich zu HDPE oder Nylon, so dass sie vergleichsweise spröde Materialien. Die HDPE und Nylon Proben hatten niedrigere Youngs Moduli, was bedeutet, dass die erforderlichen weniger Kraft um zu verformen. Diese Proben erlebt deutliche Einschnürung, so dass sie die meisten duktil des aufgenommenen Materials.

Schauen Sie wir uns nun ein paar gängige Anwendungen verschiedener Polymere. Nahezu jedem Berufsfeld finden Kunststoffe verwendet werden, bei medizinischen Geräten, hochfeste Baustoffe.

In hoch-und Tiefbau-Anwendungen sind Polymere für Dichtstoffe, Rohre oder Schläuche, Abstellgleis, Beschichtung und Klebstoffe verbreitet. Die vielfältigen Eigenschaften von Polymeren machen sie einen potentiellen Kandidat für fast jeden Job.

Elastomere sind eine Sonderform des Polymers, weithin für ihre einzigartigen Eigenschaften gesucht. Da sie ein großes Stretch-Verhältnis haben, sind elektrisch nicht leitend und extrem wasserdicht, sie sind nützlich bei Anwendungen von insulative Elektroleitungen bis Nitro Handschuhe in Laboratorien verwendet.

Sie sah nur Jupiters Einführung in Spannung Tests von Polymeren. Sie sollten jetzt verstehen die Grundlagen der Polymerchemie und wissen die standardlabor test zur Bestimmung der Spannungs-Dehnungs-Beziehung für verschiedene Polymere Werkstoffe.

Danke fürs Zuschauen!

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