Mekanisk provning

Nästan all provning utförs idag statiskt, dvs man drar, trycker eller skjuvar med konstant hastighet i en riktning och oftast tills provet brister eller ger vika på annat sätt.

Merparten produkter utsätts för dynamiska påfrestningar i sin användning. Det kan vara regelbundna eller slumpvisa variationer i deformationshastighet och riktning, ofta kopplat till andra förändringar i användningsmiljön. I princip bör man alltid prova en produkt dynamiskt om den kommer att utsättas för dynamiska påfrestningar.

Den vanligaste metoden för att bestämma ett gummimaterials densitet är att väga en provbit i luft och vattem. Vid vägningen i luft får man vikten och vid vägningen i vatten får man fram volymen. Man beräknar sedan densiteten genom att dividera vikten med volymen.

Vid uppmätning av dimensioner hos gummiprov och produkter, kan de flesta vanliga utrustningar användas, t ex måttband och linjaler, skjutmått, tjockleksmätare och profilprojektor. Då gummi är ett mjukt material är det viktigt att inte deformera gummit vid mätning. Vid noggrann tjockleksmätning används därför tjockleksmätare med specificerad mätlast och mätfotens diameter kan vara från 2 mm till 10 mm och belastningen anpassas så att ett mättryck av 22 kPa ±5 kPa erhålls.

Ett annat bra sätt att till exempel mäta tvärsnittet på gummiprofiler, är att använda en profilprojektor möjliggör beröringsfri mätning.

Gummits hårdhet eller styvhet (modul) bestämmes genom att mäta hur långt en trubbig mätspets kan tryckas in i gummit. Ursprungligen fanns ett flertal metoder för hårdhetsmätning, men numera är det huvudsakligen två metoder som används, Shore och IRHD.

Shore: Den äldsta metoden för hårdhetsmätning är Shore-metoden från 1915, där en stympad kon trycks in i gummit med fjäderkraft och avläsningen sker efter 3 sekunder. Shore-metoden har ett flertal skalor (A, B, C, D, AO, DO, O, OO och AM). Av dessa specificeras de fyra vanligaste i ISO-standarden. Shore A används till normal gummihårdhet, Shore D till hårt gummi och Shore AO till mjukt gummi. Shore AM är en Shore A mikrometod för tunna prover.

Alla Shoremätskalorna har ändlägena 0 och 100, där 0 är "oändligt" mjukt och 100 "oändligt" hårt. Skillnaden mellan skalorna består i olika mätspetsar och fjäderkraft. Shoremätarna kan användas både som handhållna mätare och som stativmonterade och finns i analoga och digitala varianter.

Mätnoggrannheten förbättras markant vid montering i stativ genom att mätaren sitter parallellt med provet och att korrekt belastning kan användas. Noggrannheten förbättras ytterligare om timer
används.

IRHD: IRHD-metoden utvecklades inom ISO för att förbättra noggrannheten vid hårdhetsmätning. Denna metod kallas "International Rubber Hardness Degrees" eller IRHD. IRHD-apparatens skala är utformad för att motsvara Shore A. Det som skiljer metoderna åt är att IRHD-apparaten alltid är stativmonterad, belastningen sker med dödvikt, mätspetsen är en kula och avläsningen sker efter 30 sekunder.

Vid dragprov bestäms normalt följande egenskaper på ett gummimaterial:
• Spänning vid viss töjning, t ex 100 % eller 300 %, uttryck i MPa, detta kallas ibland även "gummimodul".
• Brottgräns i MPa, vilket är styrkan vid brott.
• Brottöjning i %, vilket är töjningen vid brott.

Provningen utförs normalt på hantelformade provkroppar som stansas ur 2 mm provplattor. Provet görs i en dragprovare med en draghastighet på 500 mm/min. För att kunna bestämma brotttöjningen och dragspänningen vid olika töjning behövs även en töjningsmätare eller extensometer. Töjningsmätaren kan vara mekanisk med utbalanserade klämmor som mäter töjningen eller optisk med till exempel en laser som mäter mot två reflekterande mätmärken på provkroppen.

Tryckprov för att mäta gummits styvhet, fjäderkonstant eller modul kan utföras i moderna dragprovare vilka går lika bra att köra i tryck som i drag. En vanlig metod är att man deformerar gummit 25 % och mäter kraften. Ofta görs en mekanisk konditionering genom att först trycka ihop gummit tre gånger för att sedan utföra mätningen under den fjärde hoptryckningen. Resultatet kan tas upp som en kraft/deformationskurva ur vilken man kan avläsa kraften vid till exempel 10 och 20 % deformation.

Med ett rivprov bestäms materialets rivhållfashet. Två metoder är vanligast i Sverige och de är följande:

Crescent provkropp: En halvmånformad (crescent) provkropp försedd med en 1 mm djup skåra dras med en draghastighet på 500 mm/min till brott. Provet kan betraktas som ett dragprov med brottanvisning.
 
Byxprovkropp: Byxprovkroppen består av en rektangulär remsa 15 x 75 mm med en skåra 25 mm in från ena kortsidan. Remsan dras i en dragprovare med 100 mm/min så att skåran löper vidare. Resultatet erhålls som ett rivdiagram med ett antal toppar och mediantoppen anges som resultat.

Det finns ett flertal metoder för provning av vidhäftningen och den kan ske i drag, skjuvning eller fläkning. I vissa fall tillverkas speciella provkroppar, i andra fall tas provkroppar ur produkter som däck, transportband med mera.

Det mest intressanta vid vidhäftningsprovning är att se var brottet sker. Om brottet sker i gummit är det bra men sker brottet vid armeringsmaterialets yta är det sämre. Detta eftersom vidhäftningssystemet då är den svaga länken. Vid fläkningsprov erhålles en kurva liknande den vid byxrivprov och den utvärderas på samma sätt fast i en annan enhet.

Vanligast utförs mätning av skjuvmodul på en så kallad kvadrupel provkropp, "quadruple shear test piece". Provkroppen består av fyra gummibita som är limmade eller vulkade melIan stålplattor. Efter mekanisk konditionering dras provkroppen till 30 % deformation med hastigheten 5 mm/min och skjuvmodulen beräknas vid 25 % deformation.

Många gummiprodukter används dynamiskt och det är därför intressant att kunna mäta dynamiska egenskaper. De egenskaper som oftast mäts är, dämpning, styvhet (modul) som funktion av frekvens, deformation och temperatur.

Materialprovning sker oftast med små instrument i kompression, töjning, böjning eller skjuvning och kallas för Dynamisk Mekanisk Analys, DMA. Instrumenten består av en del som kan vibrera proverna från 0 till några tiotal Hz, samt en lastcell som mäter kraften. Provet är inneslutet i en temperaturkammare som kan både kylas och värmas mellan ca —70 till 200°C. Detta gör att man kan köra temperatursvep där modulen mäts som en funktion av temperaturen.

Då gummi är ett viskoelastiskt material varierar modul och dämpning med frekvens, deformation och temperatur.

Om ett gummiprov hålls töjt en tid och därefter avlastas, återgår det ej helt till ursprunglig längd. Detta kallas kvarstående töjning. Vid denna provning belastas gummiprovstavar genom vikter med i rumstemperatur. Efter en förutbestämd tid avlastas proverna och den kvarstående töjningen bestäms efter 10 minuters återhämtning.

Studselasticitet är en grundläggande egenskap hos gummi och den är också en av de äldsta och enklaste provningarna. Provningen utföres vanligtvis som ett studsprov där man låter en vikt studsa mot gummit, antingen i form av en fritt fallande kula eller en pendel. Genom att jämföra höjden på återstudsen med ursprungshöjden får man ett mått på den energi som tagits upp som dämpning av gummit.