Dynamické zkoušky rázové a vrubové houževnatosti plastů

3.2.1.8 Dynamické zkoušky rázové a vrubové houževnatosti plastů

Ing. Richard Klement

Houževnatost patří spolu s pevností k nejdůležitějším materiálovým charakteristikám. Houževnatost představuje obecně komplexní vlastnost zatěžovaného tělesa, která souvisí zejména se schopností materiálu odolávat iniciaci a šíření trhliny, tedy s jeho lomovou houževnatostí. Z fyzikálního hlediska představuje houževnatost materiálu měrnou energii, kterou je materiál schopen lokálně absorbovat, než se poruší, respektive než dosáhne určitého mezního stavu (při statické tahové zkoušce lze za tento stav považovat mez kluzu). Pojem houževnatost je však více spojen s rázovým způsobem zatěžování a standardizovanými zkouškami rázové nebo vrubové houževnatosti a zkouškou průrazem. Rázové zkoušky patří mezi dynamické zkoušky, při kterých působí rychle se měnící síly rázem. Podle způsobu namáhání se rázové zkoušky provádí v ohybu (nejčastěji), tahu, tlaku a krutu. Energie pro rázovou deformaci se získává kyvadlovým kladivem (Charpy, Izod, Dynstat) nebo pomocí padajícího závaží.

Rázová houževnatost je podíl energie spotřebované na porušení zkušebního tělesa a plochy kritického průřezu zkušebního tělesa za předepsaných podmínek (v tahu nebo ohybu); označuje se a_n [kJ.m^-2].

Vrubová houževnatost je podíl energie spotřebované na porušení zkušebního tělesa opatřeného vrubem a plochy kritického průřezu v místě vrubu za předepsaných podmínek (v tahu nebo ohybu); označuje se a_k [kJ.m^-2].

Vrubové číslo, vrubová citlivost (poměrná rázová houževnatost) je poměr vrubové a rázové houževnatosti; označuje se K_Z (číslo menší než 1).

Zkoušky poskytují určité informace o chování plastů při nárazu. Získané výsledky umožňují sice vzájemné porovnání materiálů, jdou ale velmi obtížně korelovat a nelze je obecně přenášet do praxe.

Pro stanovení rázové a vrubové houževnatosti se používají zkušební přístroje Charpy (kyvadlová kladiva) s rozsahem podle typu materiálu a rozměru zkušebních těles. Používané rozsahy, rozměry zkušebních těles a rozpětí podpěr jsou specifikovány v normě. Pro zjednodušení bývá Charpyho kladivo opatřeno stupnicí, na které se absorbovaná energie W (spotřebovaná práce) odčítá přímo. Odečtené hodnoty mají ležet mezi 10 a 80 % celkového rozsahu stupnice. Jednoduché schéma kyvadla je uvedeno na následujícím obrázku.

Obrázek Charpyho kladiva:

Zkušební těleso je umístěno vodorovně na dvou podpěrách a je přeráženo rázovým kyvadlem (otáčivým kladivem) uprostřed vzdálenosti mezi podpěrami (tříbodový systém), jak ukazuje následující obrázek (pohled shora).

Obrázek rázové deformace metodou Charpy:

Zářezy v plastech mohou velmi ovlivňovat mechanické pevnosti materiálu a proto se u plastů zjišťuje i vrubová houževnatost. Zkušební tělesa mají zářez kolmý na svoji podélnou osu; vruby se na nich vytvářejí třískovým obráběním. Typy vrubů (tvar a rozměry) jsou uvedeny v normě (většinou se používá vrubu o šířce 2 mm, hloubce 3,3 mm se zaoblením r = 0,2 mm). U malých těles jsou vruby menší. Nejvyšší hodnoty vrubové houževnatosti dává obecně půlkruhový (půlkulatý) vrub většího průměru. Při zkoušce se tělesa ukládají tak, aby vrub byl v tahové oblasti, tj. na opačné straně tělesa, než je provedena rázová deformace. Ve skutečnosti je vliv narušení hladkého povrchu vrubem takový, že hodnoty vrubové houževnatosti jsou 5 až 10krát nižší než hodnoty rázové houževnatosti.

Účelem zkoušek je posoudit chování materiálu (případně s vrubem) za kritických podmínek, tj. při vysoké rychlosti zkoušky. Výpočet rázové houževnatosti a_n se provede podle vzorce:

a_n = W / (b . h .10³) [kJ.m^-2],

kde W [J] je deformační energie spotřebovaná na přeražení…