Muovien vetokokeet 

ISO 527-1, ISO 527-2, ASTM D638

Muovien_vetokoe_ISO527_esittely

ISO 527 Veto-ominaisuuksien määrittäminen

Tällä kokeella määritetään muovattavan materiaalin keskeiset mekaaniset ominaisuudet. Näitä ominaisarvoja käytetään yleensä vertailutarkoituksiin.

Näitä ominaisarvoja ovat

  • Vetojännitys: näytteen alun poikkileikkausalaan kohdistettu voima
  • Venymä: mittapituuden muutos alun mittapituuteen nähden
  • Vetomoduuli: käyrän gradientti jännitys-venymä-kaaviossa
  • Myötöraja: jännitys ja venymä käyrän pisteessä, jossa gradientti on nolla
  • Murtumispiste: jännitys ja venymä näytteen murtuessa
  • Poissonin luku: poikittaisvenymän suhde aksiaaliseen venymään negatiivisena

Sekä ISO 527-1/-2 että ASTM D638 määrittävät menetelmän vetokokeiden suorittamiseen. Nämä kaksi standardia ovat samankaltaisia, mutta niiden tulokset eivät ole keskenään vertailukelpoisia, sillä niissä käytetään erimuotoisia näytteitä ja eri nopeuksia, ja myös tulosten laskenta eroaa jonkin verran.

Standardoidun vetokokeen tulokset perustuvat määrättyyn näytteen vetonopeuteen. Todellisessa käytössä olevan komponentin tai rakenteen kuormitukset ja venymät voivat kuitenkin vaihdella huomattavasti. Johtuen polymeerien viskoelastisista ominaisuuksista, näiden mekaaniset ominaisuudet ovat erilaisia kuin standardinmukaisilla näytteillä mitatut venymät. Tästä syystä vetokokeilla saadut ominaisarvot soveltuvat vain rajoitetusti käytettäviksi komponenttien suunnittelussa, mutta ne tarjoavat erittäin luotettavan pohjan eri materiaalien vertailulle.

Vanhennuskokeet: Vetokokeet tarjoavat hyvän tavan tutkia polymeerin mekaanisten ominaisuuksien muuttumista keinotekoisen vanhentamisen, tai lämmölle, aineille tai säälle altistamisen jälkeen. Tästä syystä vetokoe suoritetaan juuri muovattuna, tai määrätyn vanhentamisen tai säälle altistamisen jälkeen.

ISO 527 Vetokokeiden tärkeimmät piirteet

Näytteen muodon ja mittojen määrittäminen ISO-standardien mukaisesti

Naytteen_muoto_muovattavien_materiaalien_testaaminen

Muovattavien materiaalien testauksessa käytetyt näytteiden muodot

Testatessa muovattavia materiaaleja, tärkein tavoite on saavuttaa tulosten hyvä toistettavuus. Tämän vuoksi on tarpeen rajoittaa käytettyjen näytetyyppien määrää. Näytteet valmistetaan yleensä ruiskuvalamalla. Tähän tarkoitukseen käytetään ISO 527-2 mukaisia tyypin 1A näytteitä; standardissa ISO 3167 näitä kutsutaan tyypin A (type A) näytteiksi ja niiden paksuus on rajoitettu arvoon 4 mm. Näitä näytteitä kutsutaan myös nimellä tyyppi (type) A1 standardissa ISO 20753.

Ruiskuvalettujen näytteiden polymeerien orientaatio muuttuu sitä sekalaisemmaksi, mitä kauemmaksi siirrytään materiaalin syöttökohdasta. Tästä syystä mekaaniset ominaisuudet eroavat toisistaan huomattavasti näytteen eri kohdissa, ja murtuminen tapahtuu usein etäällä syöttökohdasta. Näytteen mittapituus on mieluiten 75 mm, tai vaihtoehtoisesti 50 mm. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää tyypin 1B näytteitä; näitä kutsutaan nimellä "Type B" ISO 3167:ssa ja "Type A2" ISO 20753:ssa. Ne valmistetaan yleensä koneellisesti puristetuista tai ruiskuvaletuista levyistä. Polymeerien suunnat eroavat yleensä huomattavasti ruiskuvaletuista näytteistä. Erimuotoisilla näytteillä saatujen tulosten vertailukelpoisuutta ei voida taata. Type 1B:lle on määritetty 50 mm mittapituus johtuen suuremmasta säteestä.

Naytteen_muoto_vanhennuskoe

Keinotekoisesti vanhennetut, aineilla vanhennetut ja sääkäsitellyt näytteet

Pienestä poikkileikkauksesta on hyötyä kaikissa vanhentamisprosesseissa, jotka etenevät näytteen pinnalta käsin. Käyttäytymisen arviointiin käytetään usein vain suurinta vetojännitystä. Ekstensometrin käyttö ei ole tarpeen, ja näytteinä voidaan käyttää ohuita, vyötäröllisiä näytteitä. ISO 527 tarjoaa tähän tyyppien CP ja CW näytteitä, jotka on lainattu iskuvetokokeiden ISO 8256 -standardista.

Ympäristöolosuhteet ja tasapainotilan saavuttaminen

Määriteltyjen olosuhteiden vaatimusten noudattaminen ja tasapainotilan saavuttaminen lämpötilan ja ilmankosteuden suhteen on erittäin tärkeää testaustulosten vertailtavuuden näkökulmasta. Tasapainon saavuttamiseen vaadittava aika määritetään yleensä testattavan muovin materiaalistandardeissa. Lisäksi muovattavien materiaalien testauksessa käytettäviä näytteitä tulee pitää vakioiduissa ympäristöolosuhteissa (lämpötila ja ilmankosteus) vähintään 16 tuntia ennen testauksen suorittamista.  Vaadittavat vakioidut ympäristöolosuhteet määritetään standardeissa ISO 291 ja ASTM D1349.  Lämmin ilmasto: 23 ± 2 °C, 50 ± 10% r.F. Subtrooppinen ilmasto: 27 ± 2 °C, 65 ± 10% r.F. Toleranssit ovat tarkkuusluokan 2 mukaisia. Tarkkuusluokassa 1 toleranssit puolitetaan. Huoneenlämpötilalla viitataan yleensä hieman laajempaan lämpötilaväliin välillä 18 – 28 °C. Testaaminen on mahdollista myös korkeamassa tai matalammassa lämpötilassa. Tälle voidaan määrittää eriäviä vaatimuksia.

Näytteen mittojen määrittäminen tarkasti

Näytteen mittojen virheet voivat aiheuttaa suhteellisen suuren virheen saatuihin jännitysarvoihin. Kun näytteeseen kohdistetaan vetokuormitus, mittausvirhe heijastuu lineaarisesti jännitysarvoihin. Kun näytteeseen kohdistetaan taivutuskuormitus, näytteen paksuuden mittausvirheen vaikutus on neliöllinen.  Mittauslaitteen tarkkuuden lisäksi koskettavan elementin koko ja muoto, sekä mittauksen aikana pintaan kohdistuva paine vaikuttavat myös merkittävästi mittauksen tuloksiin. Lisäksi näytteen poikkipinta-ala eroaa usein ideaalisen suorakulmion muodosta. Tämä voi johtua mekaanisen työstämisen aiheuttamista kulmavirheistä, pintapainumista, tai ruiskuvalettujen näytteiden pienistä päästökulmista. Useat testausstandardit viittaavat standardiin ISO 16012 ja/tai ASTM D5947 sen suhteen, miten dimensiot tulee mitata ja mitä mittaukselta edellytetään. Joissain testausstandardeissa esitetään myös ylimääräisiä vaatimuksia. Esimerkiksi 10 mm suurempien kovien muovien mittaamiseen käytetään usein työntömittaa. Koska mittauksen aikaista pintojen puristumista ei ole mahdollista huomioida, seuraa tästä suhteellisen alhainen mittaustarkkuus, vaikka käytetty työntömitta olisi hyvin tarkka. Näytteen paksuus ja leveys määritetään yleensä mikrometriruuvilla, jossa on räikkä. Kosketuspinta on litteä ja ympyrämäinen 6,35 mm halkaisijalla. Räikkä rajoittaa mittausvoiman 5 - 15 N:iin. Automaattisissa järjestelmissä paksuus ja leveys määritetään poikkipinta-alan mittauslaitteen avulla. Tämä laite pitää näytteen paikallaan mittauksen ajan, ja määrittää mitat neljän digitaalisen mittausvahvistimen avulla, määrätyllä mittausvoimalla ja soveltuvilla anturijaloilla. Pehmeiden muovien ja muovikalvojen kohdalla on erittäin tärkeää, että mittausvoima on oikean suuruinen. Tämän varmistamiseksi tulee käyttää digitaalisia paksuudenmittauslaitteita ja tukipainoja.

Koestuskoneiden vaatimukset

Koestuskoneet mittaavat kahta perusarvoa: voimaa ja pituuden muutosta. Säännölliseen kalibrointiin kuuluu se, että mittalaitetta verrataan kansalliseen mittanormaaliin. Tämä on osoittanut että nämä mittasuureet saavuttavat testausstandardin edellyttämän tarkkuuden määrätyillä mittausalueilla. 

Voiman mittaaminen (ISO 7500-1, ASTM E4)

Useimmat testausstandardit edellyttävät mitattaville arvoille 1 %:in mittaustarkkuutta. ISO-standardien ympäristössä tämä vaatimus vastaa tarkkuusluokkaa 1. Lähes kaikki nykyaikaiset koestuskoneet pääsevät tarkkuusluokkaan 1, tai jopa tarkkuusluokkaan 0.5, jossa toleranssit ovat puolet pienempiä. Ratkaisevaa onkin lopulta se, kuinka laaja testauslaitteen mittausalue on kyseisessä tarkkuusluokassa. Useat ZwickRoell:in koestuskoneet saavuttavat vähintään tarkkuusluokan 1, vaikka käytettäisiin vain yhtä tuhannesosaan niiden koko mittausalueesta. Tämä mahdollistaa monien erilaisten materiaalien moduulien ja vetojännitysten mittaamisen samaa koeasetelmaa käyttäen.
Pituuden muutoksen mittaaminen, ISO 9513, ASTM E83

Pituuden muutoksen mittaaminen (ISO 9513, ASTM E83)

Tarkkuusluokitukset sisältävät suhteellisen (prosentuaalisen) virheen määrityksen lisäksi myös absoluuttisen virheen, joka tulee ajankohtaiseksi, kun mitataan pieniä venymiä.

Tässä ISO- ja ASTM-standardi eroavat toisistaan merkittävästi. Siinä missä ISO-toleransseissa viitataan pituuden muutokseen, ASTM viittaa suoraan venymään. Lisäksi ISO asettaa pienille venymille tiukempia vaatimuksia kuin ASTM vastaavassa luokassa. Mittapituudesta riippuen, tämä aiheuttaa joskus huomattavia eroja, erityisesti silloin, kun mitataan pieniä pituuden muutoksia.

Ominaisuuksien_mittaaminen_vetomoduuli
Erityistä huomioitavaa vetomoduulia mitattaessa. Kuten yllä olevasta taulukosta ilmenee, ISO tarkkuusluokan 1 vetomoduulin vaihteluväli on ± 3 µm. Tämä tarkoittaa jopa 6 µm poikkeamaa moduulin mittausalueen alku- ja loppuosan välillä. Tästä seuraisi vastaavansuuruinen mittausvirhe. Tämän ongelman ratkaisemiseksi ISO 527-1 -standardiin lisättiin ylimääräinen vetomoduulin mittaamiseen liittyvä vaatimus. Tämä lisävaatimus edellyttää, että moduulin määrityksen mittauspolun alku- ja loppupäiden on oltava 1 %:in tarkkuudella toisistaan.

Video ISO 527 mukaisesta vetokokeesta

1:41

Tensile test on plastics to ISO 527 with makroXtens

makroXtens II is a universal and versatile, high-accuracy extensometer

MGG Polymers upgrades testing laboratory with pendulum impact tester from ZwickRoell

The company MGG Polymers Austria Kunststoffverarbeitung GmbH, a subsidiary of the Müller-Guttenbrunn Group, produces 50,000 tons of high quality plastic pellets and compounds primarily made of PP, HIPS, ABS and PC/ABS annually for numerous customer applications worldwide. To characterize the behavior of polymers subjected to impact loading the company selected a pendulum impact tester from ZwickRoell.
MGG_Polymers_Iskuvasara_muokattu
Ylös