Mechanické vlastnosti polymerů – dynamické rázové namáhání

Při navrhování rázově namáhaných strojních součástí z polymerů je důležitá znalost jejich rázových charakteristik. Za rázové namáhání považujeme namáhání s rychlostí (1 až 10) m/s. Polymerní vzorek, který se při statickém namáhání - například v ohybu, poruší až při větším průhybu anebo vůbec, se při větší rychlosti namáhání stává křehčím, což se projeví deformací či porušením zkušebního tělesa už při malém průhybu.

Rázová houževnatost materiálu souvisí se schopností materiálu rychle absorbovat energii, tedy deformovat se určitou rychlostí. Nejvyšší rázovou houževnatost vykazují elastomery, které mají vynikající elastické charakteristiky a útlumové vlastnosti. Při rázovém namáhání plastů (termoplastů nebo reaktoplastů) může obecně dojít k porušení tělesa buď křehkým, nebo houževnatým lomem. Plasty, jejichž teplota skelného přechodu (viz tab. 4) je vyšší než standardní teplota okolí (23 °C), jsou při této teplotě křehké a při zkoušce dojde k jejich přeražení. Naproti tomu polymery, u nichž je teplota zeskelnění nižší než standardní teplota, vykazují takovou houževnatost, že k jejich přeražení při zkoušce nedojde. V případě plastů jsou v takovém případě zkušební tělesa ve středu své délky opatřena vrubem. V důsledku přítomnosti vrubu dochází v jeho okolí ke koncentraci napětí a při rázovém namáhání pak nastává porušení těles i houževnatých plastů a hovoříme o tzv. vrubové houževnatosti.

Rázová houževnatost polymerů závisí nejen na jejich druhu, složení, teplotě, vlhkosti, stárnutí, ale také na zkušební metodě, podmínkách zkoušky, tvaru i rozměrech zkušebního tělesa. U plastů se rázové zkoušky provádí především v ohybu pomocí kyvadlového kladiva metodou Charpy nebo Izod (existují také rázové zkoušky v tahu). Rázová kladiva jsou výměnná (s různou nominální energií), aby bylo možné měřit co nejširší paletu polymerů s odlišnou houževnatostí. U elastomerů se hodnotí odrazová pružnost (na přístrojích typu Schob a Lüpke).

Rázová a vrubová houževnatost Charpy

Rázová houževnatost Charpy (a_cU) je definována jako kinetická energie (E_c) spotřebovaná k přeražení zkušebního tělesa vztažená na jeho původní průřez - tloušťku (h) a šířku (b), viz rovnice (24).

Při hodnocení rázové houževnatosti plastů metodou Charpy je zkušební těleso ve tvaru hranolu umístěné vodorovně na podpěrách a přeráženo úderem rázového kladiva, přičemž směr rázu je veden středem vzdálenosti mezi podpěrami na užší nebo na širší stranu (viz obr. 82). Zkušební těleso je ohýbáno nominální konstantní rychlostí 2,9 m/s. Během zkoušky se zaznamenává energie spotřebovaná k přeražení zkušebního tělesa a typ přeražení: C (úplné, včetně kloubového - neúplného přeražení, kdy obě části zkušebního tělesa drží pohromadě pouze tenkou obvodovou vrstvou v podobě kloubu bez zbytkové tuhosti), P (částečné) nebo N (nepřeraženo).

Obr. 82: Průběh rázové zkoušky Charpy

V případě použití zkušebního tělesa opatřeného vrubem je směr rázu veden na opačnou stranu, než na které je umístěn vrub, viz obr. 82. Směr rázu je veden na užší stranu. Vrubová houževnatost Charpy (a_cN) je pak definována jako kinetická energie (E_c) spotřebovaná k přeražení zkušebního tělesa opatřeného vrubem vztažena na jeho původní průřez pod vrubem – tloušťku (h) a šířku pod vrubem (b_N), viz rovnice (25).

Pro hodnocení vrubové houževnatosti plastů se zkušební tělesa v souladu s mezinárodním předpisem opatřují vrubem tvaru „V“ s různým poloměrem zaoblení kořene vrubu (typ A – standardní, B nebo C). Některé koncernové (podnikové) předpisy používají vrub ve tvaru „U“ a připouští směr rázu na širší stranu zkušebního tělesa.

Rázová a vrubová houževnatost Izod

Rázová (a_iU) a vrubová houževnatost Izod (a_iN) jsou definovány analogicky jako u metody Charpy, viz rovnice (26) a (27).

Při hodnocení rázové/vrubové houževnatosti plastů metodou Izod je zkušební těleso, které je přeráženo úderem rázového kladiva s rychlostí rázu 3,46 m/s, umístěné ve svěráku zařízení jako svislý vetknutý nosník (viz obr. 83). Přímka rázu prochází v dané vzdálenosti od místa upevnění zkušebního tělesa, resp. v dané vzdálenosti od osy vrubu (22 mm). Směr rázu je veden na stranu zkušebního tělesa s vrubem.

Obr. 83: Průběh rázové zkoušky Izod

Rázové zkoušky Charpy a Izod charakterizují spíše polymer samotný, než hotový výrobek. Pro hodnocení rázové houževnatosti polymerních výrobků se používají speciálně konstruované padostroje.

Odrazová pružnost elastomerů

Zkouška odrazové pružnosti patří mezi jednoduché a rychlé metody srovnání schopnosti elastomerů (pryží) absorbovat, resp. vracet mechanickou energii při rázové deformaci. Ideálně pružné těleso vrátí veškerou dodanou energii zpět ve formě energie mechanické.  V principu se jedná o to, že kyvadlové kladivo dopadá na zkoušený vzorek z předepsané výšky a odrazová pružnost (R_s) se stanoví z poměru potenciální energie vrácené k energii dodané při rázu, resp. z poměru výšky odrazu (h_r) a dopadu (h₀), viz rovnice (28).

Ke stanovení odrazové pružnosti se používají přístroje typu Schob a Lüpke. Metoda podle Schoba slouží pro rychlou kontrolu elastomeru v gumárenské praxi. Na zkušební vzorek dopadá kladivo s nárazovou plochou ve tvaru ocelové kuličky o průměru 7,5 mm, potenciální energií 0,5 J a rychlostí pádu 2 m/s . Metoda podle Lüpkeho se používá zejména za zvýšené nebo snížené teploty. Při této metodě se měří vzdálenost odrazu tyčového kyvadla o hmotnosti 350 g po dopadu na vzorek.