POLITECHNIKA GDAŃSKA

WYDZIAŁ CHEMICZNY

KATEDRA TECHNOLOGII POLIMERÓW

Przedmiot: Inżynieria elastomerów

Lab.  7. Oznaczenie cech wytrzymałościowych elastomerów w próbach 
             jednoosiowego rozciągania

 

Celem   laboratorium   jest   zapoznanie   Studentów   z   pomiarami   wytrzymałościowymi 

elastomerów przeprowadzonych w próbach rozciągania z wykorzystaniem dwóch typów maszyn.

Własności wytrzymałościowe

Tworzywa konstrukcyjne, do których należą elastomery,  charakteryzuje szereg własności 

fizycznych określających zarówno ich jakość jak i przydatność eksploatacyjną. W praktyce nie 

ma   możliwości   oznaczania   wszystkich   właściwości   fizycznych   tworzyw,   dlatego   też 

wyodrębniono   grupę   własności,   które   potocznie   nazywa   się  

podstawowymi   własnościami 

fizycznymi.

Do grupy tej zalicza się te własności, które są oznaczane w miarę prostymi  metodami, a 

jednocześnie   dostarczają   istotnych   informacji   o   badanym   materiale.   Z   tego   punktu   widzenia 

najbardziej właściwym przykładem są badania właściwości tworzyw przy rozciąganiu, a ściślej 

mówiąc, własności, jakie obliczyć można z krzywej uzyskanej w próbie rozciągania.

Ogólna   charakterystyka   badania.  Badanie   elastomerów   przy   rozciąganiu   polega   na 

jednoosiowym odkształcaniu próbki o określonych wymiarach ze stałą prędkością i pomiarze lub 

rejestracji naprężeń w, zależności od odkształcenia.

( )

ε

σ

f

=

             (I)

gdzie: ε - odkształcenie, zmienna niezależna; σ - naprężenie zależne od przyłożonego 

odkształcenia.

Z otrzymanej  w ten sposób graficznej  zależności  obliczyć  można  nie  tylko  podstawowe 

własności fizyczne tworzyw,

a) wytrzymałość na rozciąganie,

b) wydłużenie względne przy zerwaniu,

c) naprężenie przy określonym wydłużeniu.

ale uzyskać informacje o innych własnościach fizycznych badanego materiału, jak elastyczność, 

ścieralność, twardość czy stopień usieciowania.

Przyłożenie   określonej   siły   rozciągającej  F  powoduje   zwiększenie   długości   początkowej 

próbki l

o

 do wartości l

x

. Przyrost długości, czyli wydłużenie bezwzględne równe jest:

0

l

l

l

x

x

−

=

∆

             (II)

gdzie: l

0

 - początkowa długość próbki, [mm]; l

x

 - długość próbki po rozciągnięciu, [mm].

Stosunek wydłużenia bezwzględnego do początkowej długości próbki wyraża wydłużenie 

względne ε

x

0

0

0

l

l

l

l

l

x

x

x

∆

=

−

=

ε

       (III)      lub         

%

100

0

⋅

∆

=

l

l

x

x

ε

           (IV)

Rzeczywiste naprężenie podczas rozciągania σ

rn

 jest to stosunek siły rozciągającej do 

rzeczywistej powierzchni przekroju poprzecznego próbki.

x

rn

A

F

=

σ

       [N/mm

2

, MPa]          (V)

gdzie A

x

 oznacza rzeczywistą powierzchnię przekroju poprzecznego próbki w momencie badania 

(zerwania) [mm

2

], F - siła odkształcająca [N].

Pomiar rzeczywistej powierzeni przekroju poprzecznego próbki w czasie badania jest bardzo 

trudny. Dlatego też dla celów praktycznych wprowadzono umowną definicję naprężenia podczas 

rozciągania, którą wyraża wzór:

0

A

F

=

σ

       [N/mm

2

, MPa]           (VI)

gdzie:  F  - siła odkształcająca, [N]; A

o

  - powierzchnia początkowego przekroju poprzecznego 

[mm

2

].

W   każdej   próbie   rozciągania   poza   podstawowymi   zmiennymi   tzn.   naprężeniem   i 

wydłużeniem   występuje   wiele   czynników   wpływających   na   wynik   badania,   które   należy 

uwzględnić   przy   obliczaniu   wyników   lub   eliminować   je   przez   stosowanie   jednakowych 

warunków badania.

Dotyczy to przede wszystkim:

a) sposobu przygotowania próbek, który wspólnie z innymi czynnikami decyduje o 

liczbie różnego rodzaju defektów strukturalnych, które mogą występować w 

próbkach;

b) kształtu i wielkości próbek;

c) temperatury i wilgotność względnej otoczenia;

d) czasu   trwania   próby,   który   reguluje   się   (dobiera   się)   przez   dobór   odpowiedniej 

szybkości odkształcania lub wzrostu naprężenia.

Najpełniejszą charakterystyką zachowania się elastomeru poddanego rozciąganiu jest tzw. 

wykres rozciągania (rys. 1-2), który umożliwia prześledzenie współzależności pomiędzy dwiema 

zmiennymi, tj. pomiędzy odkształceniem i naprężeniem w czasie całego badania.

Rys. 1. Przykładowe wykresy rozciągania                          Rys. 2. Schematyczny wykres rozciągania

różnych polimerów σ = f(ε)

Na rys. 2. można prześledzić kolejne etapy próby rozciągania i punkty charakterystyczne na 

krzywej   obrazującej   zależność  

)

(

ε

σ

f

=

.   W   tworzywie   poddanym   rozciąganiu   naprężenia 

wzrastają   początkowo   proporcjonalnie   do   odkształceń,   zgodnie  z  prawem   Hooke'a,   czemu 

odpowiada początkowy odcinek prostoliniowy 0-1 na wykresie. W obszarze tym naprężenia są 

liniową funkcją odkształceń:

ε

σ

E

=

         (VII)

Współczynnik kierunkowy tej prostej, czyli tangens kąta, pod którym prostoliniowy odcinek 

wykresu funkcji nachylony jest do osi odciętych ε, nosi nazwę  modułu sprężystości wzdłużnej.  

Stosunkowo często można jednak spotkać się z tworzywami, których wykresy rozciągania nie 

wykazują   w   ogóle   liniowej   zależności   naprężenia   od   rozciągania.   Charakteryzowanie 

właściwości mechanicznych takich tworzyw za pomocą modułu sprężystości jest raczej formalne. 

Największe   naprężenie,   do   którego   tworzywo   poddane   rozciąganiu   zachowuje   się   zgodnie   z 

prawem Hooke' a, nosi nazwę  granicy proporcjonalności;  na rysunku jest to rzędna punktu 1. 

Przy dalszym  rozciąganiu  wzrostowi odkształcenia  towarzyszy  znacznie  powolniejszy wzrost 

naprężenia. Wykres rozciągania odchyla się od prostej odpowiadającej równaniu (VII). W tym 

obszarze odkształceń pojawiają się odkształcenia trwałe (plastyczne), tzn. takie, które nie cofają 

się   po   usunięciu   obciążenia   próbki.   Odkształcenia   trwałe   pojawiają   się   po   przekroczeniu 

pewnego   naprężenia   zwanego  granicą   plastyczności.  W   badaniach   technicznych   operuje   się 

najczęściej tzw. umowną granicą plastyczności, czyli  naprężeniem, które wywołuje w próbce 

pewne umownie ustalone odkształcenie trwałe - najczęściej 0,2% początkowej długości odcinka 

pomiarowego.   Sposób   wyznaczania   tej   wartości   na   podstawie   wykresu   rozciągania 

przedstawiono   na   rys.   2.   Na   osi   odkształceń   odkłada   się   odcinek   odpowiadający   0,2% 

odkształcenia   trwałego  (OA),  a   następnie   prowadzi   prostą   równoległą   do   prostoliniowego 

odcinka wykresu rozciągania. Rzędna punktu przecięcia tej prostej z krzywą rozciągania jest 

poszukiwaną   umowną   granicą   plastyczności   σ

2

.   Niekiedy   wyznacza   się   również   wydłużenie 

względne   na   granicy   plastyczności   ε

2

.   Maksymalne   naprężenie   zarejestrowane   w   czasie 

rozciągania σ

3

 jest tzw. doraźną wytrzymałością na rozciąganie. Jest to maksymalne naprężenie 

nominalne,   jakie  tworzywo   może  osiągnąć  w  czasie  krótkotrwałego   rozciągania  statycznego. 

Maksymalne wydłużenie względne zaobserwowane w czasie rozciągania (na rysunku ε

4

) jest 

zwane  wydłużeniem   względnym   przy   zerwaniu.  Rzędna   tego   punktu,   czyli   naprężenie 

obserwowane w chwili zerwania próbki nosi nazwę naprężenia zrywającego σ

4

.

Omówiony wykres rozciągania jest wykresem schematycznym (teoretycznym), w praktyce 

można spotkać się z znacznymi odstępstwami, które są zależne od rodzaju tworzywa, szybkości 

rozciągania, sposobu formowania wyrobu oraz wielu innych czynników.

Aparatura pomiarowa

Właściwości   mechaniczne   tworzyw   sztucznych   można   mierzyć   m.in.   maszynami 

wytrzymałościowymi   (zrywarkami)   firm   Zwick,   Instron,   Shimadzu.   Obecnie   spotyka   się 

nowoczesną   aparaturę   za   pomocą,   której   można   mierzyć   naprężenie   i   odkształcenie   przy 

dowolnej  prędkości   rozciągania,   a  przebieg  pomiaru  obserwuje  się  na   monitorze  komputera. 

Laboratorium   przeprowadzone   zostanie   z   wykorzystaniem   maszyny   wytrzymałościowej 

Zwick/Roell typ Z020 oraz FPZ-100/1 Rauenstein.

Rys. 3 Maszyna wytrzymałościowa Zwick/Roell

Sposób przygotowania próbek

W zależności  od własności fizykochemicznych  badanego tworzywa stosuje się trzy typy 

próbek,   których   kształt   podano   na   rys   2-4,   które   wycina   się   z   płytek   tworzywa   za   pomocą 

odpowiednich wykrojników. Próbki powinny mieć powierzchnię gładką i równą, bez pęcherzy i 

rys,   wżerów   oraz   innych   widocznych   defektów.   Mocuje   się   je   w   szczękach   z   zaciskiem 

mechanicznym  maszyny wytrzymałościowej. Próbki w kształcie wiosełek używa  się podczas 

rozciągania   materiałów   elatycznych   i   termoplastów.   Paski   wykorzystywane   są   do   zrywania 

tworzyw   termoaktywnych   oraz   układów   napełnianych   materiałami   nieorganicznymi   i 

organicznymi  np. metalami,  włóknami. Zastosowanie próbek w kształcie  wiosełek zapobiega 

przede wszystkim wyślizgiwania się ich ze szczęk oraz zrywaniu próbek w obrębie szczęki lub 

przy   szczęce,   poza     odcinkiem   pomiarowym   (jeśli   się   to   zdarzy   pomiar   obarczony   zostaje 

błędem). 

 

Opis postępowania

Przedmiotem laboratorium jest oznaczenie własności wytrzymałościowych przy rozciąganiu 

elastomerów   o   różnej   budowie   chemicznej.   Pomiary   zostaną   przeprowadzone   na   podstawie 

norm: 

PN-ISO 37:1998; PN-EN ISO 527-1-3:1998;

 

PN-EN ISO 527-4-5:2000; PN-ISO 37:2007.

Zasada oznaczania polega na rozciąganiu aż do zniszczenia standardowej próbki do badań w 

kształcie paska lub wiosełka, zamocowanej w uchwycie maszyny wytrzymałościowej. Prędkość 

rozciągania wynosi 300mm/min. 

Próbki przed pomiarem należy zwymiarować tzn ustalić grubość i szerokość próbki w celu 

obliczenia początkowego przekroju poprzecznego A

0

  [mm

2

]. Wyniki badań wytrzymałości na 

rozciąganie zostaną przedstawione w postaci zależności naprężenie-odkształcenie σ = f(ε) (dla 

maszyny wytrzymałościowej Zwick/Roell Z020) lub w postaci wykresu F= f(ε) (dla maszyny 

wytrzymałościowej   FPZ-100   Rauenstein)   gdzie   F-siła   [N]   ,   σ   –   naprężenie   [MPa],   ε   – 

odkształcenie [mm] lub [%].

Sprawozdanie

W sprawozdaniu należy podać tytuł zajęć laboratoryjnych, nazwiska uczestników grupy oraz 

datę wykonania ćwiczenia. 

Sprawozdanie powinno zawierać:

Próbki w kształcie wiosełek 

Próbka w kształcie pasków

1. Opracowanie danych eksperymentalnych w postaci krzywej σ = f(ε) lub krzywej F= f(ε) 

dla każdego wykonanego pomiaru,

2. Tabelaryczne   przedstawienie   wartości   naprężenia   w   chwili   zerwania   σ

zr.

  wszystkich 

przebadanych próbek oraz wyznaczenia średniej wartości 

zr

σ

 ,

3. Obliczenie odchylenia standardowego od średniej (S),

( )

1

2

−

−

=

∑

n

x

x

S

gdzie: x – wartość oznaczana dla każdej poszczególnej próbki,

x  - średnia arytmetyczna oznaczanej wartości 

n – liczba pomiarów

4. Wartość naprężenia przy zerwaniu dla danego materiału przedstawić w postaci:

S

zr

±

σ

 [MPa]

5. Odczytać z wykresu σ = f(ε) wartości naprężenia przy których próbka osiąga 100, 200, 

300 wartości wydłużenia (σ

100%

,  σ

200%

,  σ

300%

)  dla pomiarów na maszynie 

wytrzymałościowej Zwick/Roell Z020

6. Podjąć próbę interpretacji uzyskanych wyników biorąc pod uwagę budowę 

chemiczną elastomerów.

 

Termin oddania sprawozdania wynosi 7 dni od daty odrobienia ćwiczenia.

Literatura:

1. Broniewski T., Kapko J., Płaczek W., Thomalla J., „Metody Badań i ocena właściwości 

tworzyw sztucznych”, WNT Warszawa, 2000

2. Dzierża W., Czerniawski T.,

 „

Właściwości mechaniczne i termiczne polimerów”. Skrypt 

dla studentów chemii, Toruń 2000

3. Jaroszyńska D., Gaczyński R., Felczak B., „Metody badań własności fizycznych gumy” 

WNT Warszawa, 1978