Испытание полимерных материалов. Испытания полимеров Физико механические испытания полимерных материалов

1. Цель работы: . Студенты знакомятся с различными образцами полимерных материалов, предлагаемые преподавателем, исследуют такие основные свойства пластмасс, как теплостойкость, твердость, растяжение и др.

2.Теоретическое обоснование : Пластическими массами называют материалы, получаемые из синтетических или природных высокомолекулярных соединений (смол). Из них изготавливают разнообразные строительные материалы и изделия: для покрытия полов; облицовки стен и потолков, поганажные изделия, санитарно-техническое оборудование и др. Применение пластмасс позволяет повысить индустриальность строительных работ, сократить трудовые затраты, снизить стоимость строительства, а так же добиться значительной экономии цветных и черных металлов, древесины и др. Эффективность применения в строительстве материалов и изделий из пластмасс можно объяснить рядом их положительных физико-механических свойств - малой плотностью, высокой стойкостью к агрессивным средам, малой теплопроводностью, возможностью получения красиво окрашенных изделий. Недостатком их является низкая теплостойкость, сравнительно небольшая твердость и, кроме того, склонность к «старению» под воздействием солнечного света, воздуха и др. Следовательно, основными их физико-механическими свойствами следует считать твердость и теплостойкость. Для отдельных пластмасс и изделий из них важными свойствами являются истираемость (материал для полов), средняя плотность и теплопроводность (теплоизоляционные материалы), прочность (конструкционные материалы) и др.

3. Приборы и материалы .

3.1 Образцы полимерных материалов. 3.2 Прибор Мартенса для определения теплостойкости.

3.3 Прибор для определения твердости пластмасс. 3.4 Разрывная машина.

3.5 Штангенциркуль.

4. Программа работы .

4.1 Определение теплостойкости пластмасс на приборе Мартенса.

4.2 Определение твердости пластмассовых изделий по методу Бринелля.

4.3 Испытание пластмассовых изделий на разрыв.

5.Методика проведения работы .

5.1 Метод определения теплостойкости пластмасс по Мартенсу основан на установлении температуры, при котором образец под действием изгибающей нагрузки 5МПа прогибается. Прибор состоит из металлической плиты 14, на которой смонтировано зажимное устройство 13. В зажиме закрепляют образец 12 путем передвижения планок 10 винтом 11. Образец должен иметь форму бруска прямоугольного сечения размером 120*15*10мм. Способ и режим изготовления образцов предусмотрены в стандартах. Они должны быть ровными, гладкими, без вздутий, раковин, пор, заусенцев и трещин. Число образцов - не менее трех.

Испытываемый образец закрепляют в зажимах 10, верхний из которых имеет стержень 8 и груз 7. При этом следят за тем, чтобы образец был установлен строго вертикально, а стержни - горизонтально. Размещают груз на расстоянии l 1 от оси образца так, чтобы изгибающий момент М вызвал в образце напряжение 5МПа. Изгибающий момент определяют по формуле: M = /(b*h 2) , где p, p 1 и p 2 - вес стержня без груза, груза с винтом и указателя деформации, Н; l, l 1 и l 2 - расстояние от оси образца до центра тяжести стержня (без верхнего зажима), от оси образца до центра тяжести груза и от оси до точки опоры указателя, мм; b и h

Прибор устанавливают в термостат и выдерживают в нем 5 мин при температуре 25°С. Стрелку указателя прогиба устанавливают на нуль. Затем включают ток, температура при этом должна повышаться равномерно со скоростью 50°С/ч. Шарик термометра, которым измеряют температуру в термостате, должен находиться на уровне центра образца на расстоянии не более 25мм от него.

При соответствующей температуре пластмассовый образец деформируется под нагрузкой, вызывая опускание стержня 8 с указателем деформации. Как только указатель опустится по шкале на 6мм, отмечают температуру, которая определяет теплостойкость материала по Мартенсу. За окончательный результат принимают среднее арифметическое значение теплостойкости трех образцов. Результаты испытаний заносят в журнал для лабораторных работ, там же делают запись о внешнем виде образцов после испытания (сломался, расслоился, вспучился и тп.).

5.2Метод определения твердости по пластических масс по Бринеллю основан на вдавливании с определенной силой стального шарика в испытываемый материал и вычислении числа твердости по замеру глубины вдавливания. Нагрузка должна возрастать плавно до 2.5 кН.

Из подлежащего испытанию материала изготавливают образцы в форме пластин или брусков толщиной не менее 5 и шириной 15мм. Испытания проводят в лаборатории при температуре 20 ± 2°С.

Перед испытанием образцы следует выдержать не менее 16 часов. Образец помещают на опору 1 таким образом, чтобы шарик находился в центре ширины бруска. Затем шарик прижимают пружиной к испытываемому материалу и на рычаг помещают груз, сообщающий усилие 500Н. Стрелку на циферблате индикаторной головки устанавливают на нулевое деление. Нагрузку следует прикладывать плавно, без толчков, увеличивая ее от нуля до выбранного значения в течении 30 с. Максимальную нагрузку выдерживают 1 мин, после чего плавно снимают. Глубину отпечатка фиксируют с точностью до 0.01мм через 1 мин после начала приложения нагрузки и через 1 мин после снятия нагрузки. После проведения испытания повторно определяют твердость, переставляя образец на опоре так, чтобы центр второго отпечатка находился на расстоянии не менее 7.5 мм от центра первого. Испытанию подвергают 5 образцов, и на каждом образце проводят по два определения. Число твердости по Бринеллю НВ, МПа, определяют по формуле:

НВ = p / (p * d * h),

где p - нагрузка, прилагаемая к шарику, Н; d - диаметр шарика, мм;h - глубина отпечатка шарика, мм.

Окончательным результатом является среднее арифметическое определение твердости 5 образцов. Отношение упругой деформации к остаточной, Н, вычисляется по формуле, %:

Н = [(h - h 0) / h 0 ] * 100,

где h - глубина отпечатка шарика при нагрузке, мм;

h 0 - глубина отпечатка шарика при снятии нагрузки, мм.

Результаты испытаний заносят в журнал для лабораторных работ.

5.3 Испытание пластических масс на растяжение базируется на определении значения разрушающей силы.

Закрепив образец зажимами разрывной машины, включают электродвигатель и постепенно увеличивают нагрузку. Скорость движения зажимов при холостом ходе 10¸15 мм/мин для твердых пластмасс и 100¸500 мм/мин для эластичных. Испытания проводят до полного разрушения образца и отмечают разрушающую нагрузку. Предел прочности при растяжении, МПа:

Rp = p / (b * h),

b иh - ширина и толщина образца, мм.

При испытании пластических масс, растяжение которых сопровождается пластической деформацией (образование шейки), за величину для расчета предела прочности при растяжении принимают максимальную нагрузку. Результатом испытаний считают среднее арифметическое трех определений.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №21

Испытание линолеума.

1. Цель работы: . Студенты знакомятся с исследованиями связанными с линолеумом. Линолеум достаточно широко используется в качестве покрытия полов в строительном производстве, при возведении жилых и общественных зданий, замене старых покрытий. При этом не все линолеумы могут быть использованы для покрытия полов.

2.Теоретическое обоснование : Линолеум изготовляют в виде полотнищ, ковров и дорожек и применяют для покрытия полов в жилых, общественных и промышленных зданиях. Линолеумы подразделяются: по виду исходного сырья - на алкидные, поливинилхлоридные, коллоксилиновые, резиновые (релин) и др.; по внешнему виду - на одно- и многоцветные, гладкие, рифленые, тисненые и ворсовые; по структуре - без подосновные и с подосновой - тканевой, картонной и теплозвукоизолирующей (волокнистой и пористой). Линолеум отгружается заводом-изготовителем потребителю партиями. Размер партии линолеума одного цвета, узора и толщины устанавливается в количестве 3000м 2 .При поступлении линолеума в количестве менее 3000м 2 партия его принимается за целую. При оценке качества линолеума от поступившей партии отбирают 5% рулонов (но не менее двух рулонов) для внешнего осмотра и определения размеров. От одного из этих рулонов отрезают в любом месте (но не ближе 3 м от конца) полосу шириной 10 см по всей ширине рулона, из которой изготавливают образцы для испытаний на истираемость, твердость, упругость, водопоглощение.

3. Приборы и материалы .

3.1 Образцы линолеума.

3.2 Металлическая линейка.

3.3 Микрометр МК-25.

3.4 Металлический угольник.

3.5 Машина для истирания.

3.6 Шлифовальная мелкая шкурка на кожаной подкладке.

3.7 Индикаторная подставка.

3.8 Шариковый твердомер ТШМ-2.

4. Программа работы .

4.1 Проверка внешнего вида и размеров.

4.2 Определение истираемости.

4.3 Определение твердости.

5.Методика проведения работы .

5.1 Проверку внешнего вида и размеров начинают с осмотра отобранных рулонов. Длину и ширину линолеума с точностью до 1 мм измеряют металлической рулеткой. Толщину измеряют микрометром типа МК-25 в десяти точках, равномерно расположенных по ширине рулона, отступая от края кромки по 20 мм. Толщину вычисляют как среднее арифметическое 10 измерений, при этом разность между наибольшим измерением не должна превышать 0.4 мм. Размеры линолеума должны соответствовать требованиям стандарта на испытываемый материал.

Параллельность кромок проверяют прямоугольным металлическим шаблоном, измеряя ширину через каждый 1 м на длине участка равного 4м. По разности между предыдущими и последующими измерениями определяют параллельность кромок на 1м. Допускаемое отклонение параллельности кромок не должно превышать ±4 мм на 1 м. Кроме того, на кромках на должно быть заусенец. Лицевая поверхность должна быть гладкой, глянцевой или полуматовой без пятен, царапин, вмятин, раковин и бугров. Одноцветный линолеум должен иметь ровный, одинаковый тон окраски по всей поверхности. В многоцветном - рисунок должен иметь глубокую окраску в массе и быть четким, неискаженным.

Однородность строения цвета линолеума устанавливают следующим образом. В образце линолеума под углом 45° к его поверхности острым ножом делают в 5 местах разрезы. Поверхность свежих разрезов должна быть однородной по цвету и строению. Цвет линолеума не должен изменяться под воздействием воздуха, света и воды.

5.2 Испытание линолеума на истирание производится на испытательной машине (см. рис.1), которая состоит из площадки 1 , совершающей 40 возвратно-поступательных движений в 1 мин с амплитудой хода 106мм; диска 2 , вращающегося со скоростью 4 об/мин на котором укрепляется образец 8 испытываемого материала. Деталями машины являются также секторообразный груз 4 , массой 17 кг, с шириной в основании 140 мм с шлифовальной шкуркой 3 . Груз свободно вращается на оси 5 , проходящей через щелевые отверстия в грузе. Шлифовальную шкурку шириной 106 мм крепят на кожаной подкладке под основание груза. За время, когда образец вместе с площадкой пройдет расстояние 106 мм, он проскользнет на 36 мм. За счет этого проскальзывания и поворота образца он истирается на площади в виде круга диаметром 130 мм. Для замера изменения толщины образца применяют индикаторную подставку с индикатором, имеющим цену деления 0.01 мм. Индикатор закреплен на металлической стойке так, чтобы он мог перемещаться при изменении толщины

образца. Образцы размером 200*200 мм должны иметь толщину не более 20 мм. При определении истираемости более толстых материалов их разрезают так, чтобы толщина испытываемой части не превышала 20 мм. От одной партии линолеума берут не менее 3 образцов. Они должны иметь равную по всей площади толщину и поверхность.

5.3 Твердость является тем основным свойством, которое определяет эксплуатационные качества и долговечность линолеума. Для определения твердости используют шариковый твердомер ТШМ-2. На нем измеряют глубину погружения стального шарика диаметром 3 мм под нагрузкой 10 Н в течении 60 сек. Из испытываемого материала вырезают образец размером 50*50 мм, поверхность которого должна быть ровной и гладкой. Прибор устанавливают строго вертикально по уровню, и образец помещают под стальной шарик прибора. Вращая верхние звездочки 2 прибора, приводят шарик, запрессованный в наконечник, в соприкосновение с поверхностью образца и устанавливают стрелку индикатора на нуль. Вращением нижних звездочек 3 отпускают груз. Глубину погружения шарика по индикатору фиксируют с точностью 0.01 мм спустя 60 сек после начала движения стрелки. Вращением звездочек в обратную сторону приводят прибор в исходное положение. Испытание образца производят в 3 точках, расположенных на расстоянии 10мм друг от друга и от края образца. Показателями твердости служит глубина погружения шарика или число твердости. Глубину погружения (мм) определяют непосредственно на приборе, а число твердости (МПа) по формуле:

Н = Р / (p*d*h) , где

Р - вес груза, равный 1 Н; d - диаметр шарика, равный 0.3 см; h - глубина погружения шарика, см.

Показатель твердости линолеума вычисляют как среднее арифметическое значение трех испытаний.

6.1 Наименование работы.

6.2 Цель работы.

6.3 Приборы и материалы.

6.4 Ход работы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №22

Экспериментальное изучение прочностных и деформационных свойств полимеров включает несколько этапов:

• - выбор типа образцов и их изготовление;
• - подготовку приспособлений для закрепления образцов в испытательных машинах;
• - подготовку испытательных машин и приборов для измерения деформации.

Особенностью испытаний полимеров является необходимость с точностью

до градуса выдерживать заданный температурный режим. Для этого используют специальные термостаты с автоматическими устройствами для поддержания температурного режима. Очень удобно проводить испытания в термостатированном помещении, но это, как правило, приемлемо для испытаний в условиях комнатной температуры.

Форма полимерных образцов определяется обычно особенностями технологии их изготовления. Образцы из изотропных материалов могут быть как цилиндрическими, так и плоскими, а образцы из анизотропных материалов с несущей основой (гетинакс, текстолит, стеклопластики) - только плоскими.

При испытаниях плоских образцов на растяжение или сжатие определяется прочность в осевом направлении, модуль упругости и коэффициенты Пуассона

во взаимно перпендикулярных направлениях. В соответствии с ГОСТ 11262 для испытаний применяют образцы типов 1-3, форма и размеры которых указаны на рис. 2.60 и в табл. 2.11.

Рис. 2.60.

Таблица 2.11. Размеры основных образцов для испытания на растяжение

Примечание. Допускается применение образцов 2 и 3 толщиной 1 мм при изготовлении их из листовых материалов и образцов типа 2 толщиной 3 мм при изготовлении их из наполненных полимерных материалов.

В случае отработки рецептуры материала, режимов переработки и при научно-исследовательских работах допускается применять образцы типа 4 и 5, показанные на рис. 2.61 и табл. 2.12.

Рис. 2.61.

Таблица 2.12. Размеры образцов для испытания на растяжение, используемых при отработке рецептуры материала, режимов переработки и при научно-исследовательских работах

При изготовлении образцов механической обработкой из изделий и полуфабрикатов, в том числе из листов и пластин, максимально допустимая толщина должна быть 3 мм для образцов типа 1, соответствовать толщине изделия или полуфабриката, но не более 10 мм для образца типа 2.

При изготовлении образца типа 2 из плиты или изделия, толщина которых более 10 мм, механической обработкой ее доводят до 10 мм. Обработку до требуемой толщины осуществляют с двух сторон в продольном направлении образца, если в нормативно-технической документации на материал нет иных указаний.

Образцы должны иметь гладкую ровную поверхность, без вздутий, сколов, трещин, раковин и других видимых дефектов.

Для испытания изотропных материалов используют не менее пяти образцов, для испытания анизотропных материалов не менее пяти образцов, отобранных в местах и направлениях, которые должны соответствовать нормативно-технической документации на материал,

Образцы кондиционируют не менее 16 ч по ГОСТ 12423 при температуре 23±2 °С и относительной влажности (50±5)%, если в нормативно-технической документации на материал нет других указаний.

Время от окончания изготовления формованных образцов до их испытания должно составлять не менее 16 ч, включая и время на их кондиционирование.

При изготовлении образцов из полуфабрикатов или изделий время от окончания формования полуфабрикатов или изделий до начала испытаний образцов из них должно составлять не менее 16 ч, включая и время на их

кондиционирование, если в нормативно-технической документации на материал нет других указаний.

Образцы для испытания на сжатие согласно ГОСТ 4651 должны иметь форму прямоугольной призмы, прямого цилиндра или прямой трубки. Опорные плоскости образца должны быть перпендикулярны направлению приложения нагрузки при сжатии и параллельны между собой в пределах 0,1% от высоты образца.

Высоту образцов А в миллиметрах вычисляют в зависимости от отношения коэффициента гибкости к наименьшему радиусу инерции по следующим формулам: - для прямоугольной призмы с квадратным или прямоугольным поперечным сечением

Для прямого цилиндра

Для прямой трубки с основание в виде цилиндрического венца

где X - коэффициент гибкости; а - длина стороны основания призмы с квадратным основанием; Ъ - длина меньшей стороны основания прямоугольной призмы с прямоугольным поперечным сечением; d - диаметр прямого цилиндра; d x - внутренний диаметр трубки; D - наружный диаметр трубки.

Коэффициент гибкости X вычисляют по формуле

где h p - приведенная высота образца, равная при испытании образцов без зажимов А 0 , а для испытаний образцов с зажимами Л,/2; А, - расстояние между зажимами; I - минимальный радиус инерции, вычисляемый по формуле i = V(//А); I - основной минимальный момент инерции поперечного сечения образца; Л - площадь поперечного сечения образца.

Коэффициент гибкости образца должен быть равен 10. В тех случаях, когда в процессе испытания образец теряет устойчивость, коэффициент гибкости уменьшают до 6.

Высоту образца устанавливают от 10 до 40 мм. Предпочтительная высота образца - 30 мм.

Предел прочности при растяжении большинства пластмасс составляет 30-80 МПа, поэтому для испытаний полимеров практически пригодны любые машины мощностью 0,25-5 т. Кроме того, испытательная машина должна иметь достаточно малую цену деления шкалы нагружающего устройства (5-50 Н), а также вариатор скоростей перемещения нагрузочного захвата, включая и его ручной привод.

Обязательным условием при работе на машинах, предназначенных для испытаний полимеров, является обеспечение постоянной скорости деформирования.

В машинах с маятниковым силоизмерителем скорость перемещения, задаваемая движением нижнего захвата, не будет соответствовать скорости деформирования образца. Это объясняется тем, что при увеличении нагрузки по мере отклонения маятника происходит перемещение и верхнего захвата, связанного с маятниковой системой рычагов. В машинах с динамометром, соединенным с верхним захватом, необходимо учитывать погрешность, возникающую вследствие малой жесткости динамометра. Чем выше жесткость динамометра, тем точнее выдерживается условие постоянства скорости деформирования. В современных конструкциях испытательных машин силоизмеритель жесткий.

Применение электрических методов записи усилий в жестких динамометрах, выполненных в виде упругого элемента малой податливости, обеспечивает практически любую точность измерения и исключает необходимость внесения поправок на заданную скорость деформирования. Измерение усилий с помощью жесткого упругого элемента особенно удобно при проведении испытаний на релаксацию полимеров. В этом случае обеспечиваются практически идеальные условия сохранения постоянства деформации образца.

Полимеры вследствие их малой жесткости и прочности можно испытывать на простейших стендах. Нагружение при этом осуществляется грузами, действующими на образец непосредственно или с помощью рычажных устройств. Плавного увеличения нагрузки на образец достигают путем медленного заполнения нагружающего устройства водой или путем использования винтового привода. Для уменьшения габаритов нагружающего устройства применяют свинцовые диски или свинцовую дробь, что в последнем случае также позволяет плавно регулировать нагрузку.

Замер деформаций растянутого образца производят, как правило, с помощью тензометров (механических, электрических или оптических). Для измерения малых упругих деформаций образца можно успешно применять механические тензометры.

Широко используются и электрические методы замера деформации при механических испытаниях образцов из пластмасс. При этом используют деформируемые датчики сопротивления (тензорезисторы) проволочные или из фольги, наклеиваемые на рабочий участок образца.

Как уже говорилось, длительные испытания на долговечность осуществляют обычно в режиме ползучести, причем подавляющее большинство таких исследований организуется при действии растягивающей силы. Существуют несколько

принципиально различных схем установок для испытания на долговечность в условиях ползучести при растяжении. На рис. 2.62 в качестве примера приведены две схемы установок для испытаний при постоянно действующем напряжении. При развитии деформации происходит уменьшение площади поперечного сечения рабочей части образца (образование «шейки»), в результате чего, если на образец действует постоянная сила, напряжения в рабочей части образца будут со временем возрастать. Главная особенность первой установки (рис. 2.62, а) состоит в том, что для поддержания постоянного напряжения задающий напряжение механизм (рычаг) выполнен в виде кулачка («улитка» Журкова), позволяющего уменьшать плечо рычага R, а следовательно, и действующую силу, пропорционально изменению площади поперечного сечения образца. Таким образом, обеспечивается постоянство напряжений.

Рис. 2.62. Схемы установок для испытания в условиях ползучести при растяжении: в режиме постоянного напряжения с помощью «улитки» Журкова (а), с помощью груза Андраде (б) и в режиме постоянной силы (в): 1 - образец; 2 - рычаг; 3 - груз; 4 - трос

Во второй установке (рис. 2.62, б) для того, чтобы компенсировать увеличение напряжения и поддерживать его на постоянном уровне, используется так называемый прибор Андраде, в котором профиль фигурного груза рассчитывается по формуле

где т - масса груза; р - плотность жидкости.

По третьей схеме (рис. 2.62, в) плечо рычага 1 2 , с помощью которого создается напряжение, остается практически постоянным, то есть на образец действует постоянная нагрузка. Если на такой установке испытываются образцы материалов, обладающих незначительным удлинением в момент разрыва, например стекло-, угле- и бороп ласти ков, органических стекол и т. п., то можно полагать, что на образец действует постоянное напряжение вплоть до момента его разрушения.

Испытания на долговечность проводят при различных напряжениях и температурах, доводя образцы до разрушения. В ходе испытаний снимают показания о деформации образцов, по которым строят кривые ползучести.

Нужно заметить, что при проведении испытаний на долговечность в жидких средах в материале будут создаваться напряжения набухания за счет диффузии в него среды; учет таких напряжений затруднен условиями испытаний. В этом случае улитка Журкова и прибор Андраде не будут обеспечивать постоянство напряжений.

В установке, изображенной на рис. 2.63, сосуд 3 и устройство для крепления в нем образца выполнены из коррозионно-стойких металлов. Механизм нагружения 6 позволяет изменять действующую силу и поддерживать постоянное напряжение в образце.

Рис. 2.63. Установка для испытаний пластмасс в агрессивных средах под нагрузкой (а) и узел крепления образца {б): 1 - стол; 2 - ванна с горячей водой; 3 - сосуд с агрессивной жидкостью; 4 - образец; 5 - шариковый холодильник; 6 - механизм нагружения; 7 - грузы; 8 - подвижная планка; 9 - шпилька; 10 - болт; 11 - образец; 12 - опорная планка

В установке, представленной на рис. 2.64, рабочая часть образца помещена в термостатируемый сосуд 7 с двумя горловинами. Образец проходит через специально изготовленные резиновые пробки, герметично закрывающие сосуд. Жидкость с помощью воронки, присоединенной к резиновому шлангу, заливается через штуцер 10 (их в верхней части сосуда два, один из них предназначен для выхода воздуха). В процессе испытаний к этим штуцерам можно присоединять обратные холодильники шарикового типа для предотвращения испарения жидкости. Для обеспечения необходимой температуры испытаний к греющей рубашке сосуда в штуцеры 11 через гибкие шланги можно подавать теплоноситель от термостата, снабженного центробежным насосом.

Рис. 2.64. Схема установки для испытания пластмасс на долговечность и ползучесть: 1 - система рычагов; 2 - зажимные обоймы; 3 - рифленые губки; 4 - резиновая пробка; 5 - грузы; 6 - образец; 7 - сосуд с агрессивной средой; 8 - рама; 9 - индикатор часового типа; 10, 11 - штуцеры

С помощью основных приспособлений (рис. 2.63 и 2.64) можно собирать установки с любым количеством образцов. Установки можно снабдить устройствами, позволяющими измерять и фиксировать деформацию в ходе испытаний, а также строить кривые ползучести.

На рис. 2.65 приведена схема испытаний на долговечность в условиях ползучести при сжатии.

Рис. 2.65. Схема устройствадля испытаний при сжатии: / - образец; 2- станина; 3- термостат; 4 , 13 - штампы; 5 , 12 - центрирующие шарниры; 6,8 - пластины; 7 - рычаг; 9 - ячейка; 10 - направляющая; 11 - нагреватель; 14 - груз

При определении величины усадки того или иного полимерного материала используют образцы, изготовленные по ГОСТ 12015 из реактопластов и по ГОСТ 12019 из термопластов. Для определения технологической и эксплуатационной усадки применяют образцы, форма и размеры которых указаны в табл. 2.13.

Таблица 2.13. Форма и размеры образцов для определения усадки

При испытании термореактивных материалов применяют образцы типа 1,3.

Испытания проводят не менее чем на трех образцах, полученных последовательным формованием в одном и том же гнезде литьевой (для термопластов) или прессовой (для реактопластов) формы.

При определении технологической усадки реактопластов точно фиксируются размеры матрицы пресс-формы и образца в направлении, перпендикулярном направлению формования. При испытании термопластов фиксируются размеры матрицы литьевой формы и образца в направлениях, перпендикулярном и параллельном направлению формования.

При определении эксплуатационной усадки устанавливают размеры образца до и после термообработки в направлении, перпендикулярном и параллельном направлению формования.

Образцы из реактопластов после извлечения из пресс-формы охлаждают до комнатной температуры, помещая их под груз на материал с низкой теплопроводностью во избежание коробления. До измерения образцы хранят при температуре 23±2 °С и относительной влажности 50±5%. Размеры образцов после их прессования измеряют через 16-72 ч.

Длину брусков измеряют от торца до торца или между метками с погрешностью не более 0,02 мм. Перед определением длины образцы помещают на гладкую металлическую или стеклянную поверхность для обнаружения деформаций и прогибов. Образцы с такими дефектами для испытания не применяют. За ширину бруска принимают среднее арифметическое трех измерений по длине.

Образцы из термопластов измеряют после выдержки их с момента изготовления не менее 16 ч и не более 24 ч при температуре 23±2 °С, включая время на кондиционирование.

Для определения эксплуатационной усадки измерение производят таким же образом, как и при определении усадки технологической. Для проведения термообработки образцы помещают в термостат. Во избежание деформации измеренные образцы из реактопластов помещают в термостат на подставке так, чтобы они между собой не соприкасались.

Условия термообработки реактопластов обычно указываются в нормативнотехнической документации на материал. При отсутствии этих указаний температура термообработки должна быть для мочевиноформальдегидных формовочных масс 80±3 °С, а для всех других видов материалов - 110±3 °С. Время термообработки обычно составляет 168 ±2 ч, при ускоренном испытании - 48± 1 ч. Температуру измеряют непосредственно в месте нахождения образцов.

При определении эксплуатационной усадки при другой температуре необходимо учитывать коэффициент линейного расширения образцов.

После окончания термообработки образцы из термореактивных формовочных масс вынимают из термостата, охлаждают до температуры 23±2 °С и выдерживают при этой температуре и относительной влажности воздуха 50±5% не менее 3 ч, после чего снова измеряют образцы при этой же температуре с погрешностью не более 0,02 мм.

Условия термообработки термопластов строго не регламентированы и выбираются в зависимости от вида материала и условий эксплуатации изделий.

Технологическую усадку 5 Т в процентах вычисляют по формуле

где / 0 - размер формы, мм; /, - размер образца, мм.

где /, - размер образца перед термообработкой, мм; / 2 - размер образца после термообработки, мм.

Анизотропию усадки вычисляют по формуле (20).

Самостоятельный выбор полимера, обеспечивающий полное соответствие материала предполагаемым условиям эксплуатации, сложен. Кроме того что необходимо учесть множество воздействий как постоянных, так и кратковременных, необходимо учитывать и сочетание воздействий. Ведь один материал, обладающий отличными механическими показателями, может разрушиться при воздействии малейшей нагрузки в условиях контакта с каким-либо химическим веществом или неблагоприятной для пластика температурой, когда другой, изначально с относительными механическими характеристиками, способен выдержать эту же нагрузку в аналогичных условиях.

Для возможности сопоставления свойств различных пластиков производители полимерных заготовок проводят ряд испытаний. Обычно показатели вносятся в специальные таблицы, использование которых упрощает процесс выбора полимера. Однако стоит обратить внимание, что все эти показатели не являются максимальными или минимальными. Это средние показатели обычных испытаний произведенных в стандартных условиях и предназначены эти данные только для проецирования свойств материалов. Естественно, при изменении какого-либо условия данные испытаний могут быть совершенно отличными от заявленных производителем.

В любом случае необходимы индивидуальные испытания - только они могут подтвердить возможность применения выбранного Вами пластика. Для выбора одного материала производить индивидуальные испытания каждого вида полимера и его модификаций не целесообразно, поэтому сначала «отсеивают» полимеры не соответствующие условиям эксплуатации. «Отсев» как раз и производится на основе данных предоставляемых производителями полимерных заготовок. Далее остаются полимеры, эффективное применение которых возможно с высокой вероятностью. На этом этапе нужно быть предельно внимательным, т.к. методы или условия испытаний материалов разных производителей могут быть различными. Первый шаг на пути к выбору - сопоставление и сравнение показателей испытаний, произведенных производителем. Обычно для конструкционных и высокотемпературных полимеров испытания проводятся на:

• Механические свойства
• Температурные свойства
• Электрические свойства
• Химические свойства
• Прочие свойства (физические, оптические и т.д.)

Но имея на руках данные на все материалы перед сравнением необходимо обратить внимание на методы, которые были использованы в процессе тестирования. Учитывая, что привычные нам российские ГОСТы не действуют по всему миру, а методы испытаний в разных странах зачастую отличаются, сравнение показателей тестов произведенных в соответствии с ГОСТ и каким-либо ISO, ASTM, EN DIN затруднено. И даже если процессы испытаний, оборудование и расчеты показателей по ГОСТ и ISO совпадают, то образцы или условия могут быть разными, следовательно, результаты испытаний не могут быть использованы для точного сравнения материалов. Наиболее часто применяемые стандарты для испытания пластиков: Международные методы испытаний полимерных материалов (ISO), Стандартные методы испытаний термопластичных материалов, применяемые в США (ASTM), Российские стандарты на методы испытаний пластмасс (ГОСТ). Рассмотрим несколько самых популярных методов испытаний, а также сопоставим некоторые из них с международными стандартами.

Водопоглощение (ГОСТ 4650-80). Сущность методов заключается в определении массы воды, поглощенной образцом в результате пребывания его в воде в течение установленного времени при определенной температуре. Стандарт соответствует ISO 62-80 и ASTM D570.

Воспламеняемость (ГОСТ 21207-81). Метод заключается в определении длины обуглившейся части образца и времени его горения в результате воздействия пламени газовой горелки в течение 60 секунд.

Горение (ГОСТ 28157-89). Сущность метода заключается в определении скорости распространения пламени по горизонально и/или вертикально закрепленному образцу. Общий принцип проведения испытаний аналогичен Стандарту UL 94 однако различные параметры испытаний.

Температура плавления (ГОСТ 21533-76). Сущность метода заключается в измерении температуры, при которой исчезает двойное лучепреломление от образца пластмассы, нагреваемого с регулируемой скоростью на предметном столике поляризационного микроскопа. Метод применяется для кристаллизующихся пластмасс. Стандарт соответствует международным стандартам ISO 3146-74 в части, касающейся метода ПОА и ISO 1218-75 метод А в части, касающейся метода ВА.

Растяжение (ГОСТ 11262-80). Метод основан на растяжении образца с установленной скоростью деформирования, при котором определяют такие показатели как: удлинение, предел текучести, кривую «нагрузка-удлинение», прочность при растяжении, прочность при разрыве, предел текучести при растяжении, относительное удлинение при разрыве, относительное удлинение при максимальной нагрузке, относительное удлинение при пределе текучести и др. Механические испытания на растяжение (напряжение, деформация, модуль упругости, предел текучести, предел прочности, разрушающая деформация, предел пропорциональности и др.) согласно международным стандартам определяются в соответствии с ISO 527 (DIN 53455, 53457, ASTM D 638M).

Сжатие (ГОСТ 4651-82). Метод основан на нагружении испытуемого образца сжимающей возрастающей нагрузкой при установленной скорости деформирования. При данном методе определяют следующие показатели: напряжение при сжатии, деформацию при сжатии, напряжение при сжатии при пределе текучести, разрушающее на напряжение при сжатии, коэффициент гибкости и др.

Статический изгиб (ГОСТ 4648-71). Сущность метода заключается в том, что образец для испытаний, свободно лежащий на двух опорах, кратковременно нагружают в середине между опорами. При этом определяют: изгибающее напряжение и значение прогиба в момент разрушения для пластмасс, разрушающихся при заданной величине прогиба или до достижения этой величины; изгибающее напряжение при заданном значении прогиба для пластмасс, не разрушающихся при заданной величине прогиба или до достижения этой величины; изгибающее напряжение при максимальной нагрузке для пластмасс у которых при данной величине прогиба или до достижения этой величины нагрузка проходит через максимум; изгибающее напряжение при разрушении или максимальной нагрузке, когда прогиб превышает заданное значение прогиба, если это предусмотрено в нормативно-технической документации на пластмассу. Механические испытания на изгиб согласно международным стандартам определяются в соответствии с ISO 178 (DIN 53452, ASTM D 790).

Ударная вязкость (прочность).

По Шарпи (ГОСТ 4647-80). Определение ударной вязкости по Шарпи в определенных условиях применяется для исследования поведения образцов пластмасс в условиях испытаний на удар, а также для определения ударной вязкости. Сущность метода заключается в испытании при котором образец, лежащий на двух опорах, подвергается удару маятника, причем линия удара находится посередине между опорами и непосредственно напротив надреза у образцов с надрезом. Стандарт полностью соответствует ISO 179-82 (ASTM D256). Данный метод имеет более широкую область распространения по сравнению с ISO 180.

По Изоду (ГОСТ 19109-84). Сущность метода заключается в разрушении консольно-закрепленного образца с надрезом ударом маятника поперек образца на определенном расстоянии от места закрепления. Стандарт соответствует ISO 180-82 (ASTM D256) кроме допуска на толщину образцов.

Модуль упругости при растяжении, сжатии и изгибе (ГОСТ 9550-81).

Растяжение. Сущность метода заключается в определении модуля упругости при растяжении как отношения приращения напряжения к соответствующему приращению относительного удлинения. Модуль упругости при растяжении, а также другие испытания на растяжение согласно международным стандартам определяются в соответствии с ISO 527-2 (DIN 53455, 53457, ASTM D 638M).

Сжатие. Сущность метода заключается в определении модуля упругости при сжатии как отношения приращения напряжения к соответствующему приращению относительной деформации сжатия. Модуль упругости при сжатии согласно международным стандартам определяется в соответствии с ISO 604.

Изгиб. Сущность метода заключается в определении модуля упругости при изгибе как отношения приращения напряжения к соответствующему приращению относительной деформации. Модуль упругости при изгибе, а также другие испытания на изгиб согласно международным стандартам определяются в соответствии с ISO 178 (DIN 53452, ASTM D790).

Ползучесть при растяжении (ГОСТ 18197-82). Сущность метода заключается в приложении к испытуемому образцу постоянной растягивающей нагрузки в течение длительного времени в условиях постоянной температуры и влажности. Поведение пластмасс при испытании на ползучесть при растяжении характеризует прочность их при долговременном воздействии статической нагрузки. Результаты испытаний на ползучесть при растяжении могут быть использованы для прогнозирования поведения деталей из пластмасс (их деформацию и разрушение) в случае одинаковых условий испытания и применения пластмасс.

Прочность на срез (ГОСТ 17302-71). Метод заключается в определении величины перерезывающей силы при срезе образца по двум плоскостям.

Абразивный износ (ГОСТ 11012-69). Сущность метода заключается в определении уменьшения объема образца в результате истирания. Показатель истирания предназначен для сравнительной оценки износа пластмасс при абразивном истирании без смазки. Оборудование и режимы испытаний по ГОСТ и ISO различны. Международные методы испытания на стойкость к износу обозначены в ISO 3537 (DIN 52347, ASTM D1044) и производятся на машине Табера.

Коэффициент трения (ГОСТ 11629-75). Метод определения коэффициента трения пластмасс путем скольжения образцов по стальной плоскости контртела без смазки.

Определение твердости.

(ГОСТ 4670-91, ISO 2039/1-87). Метод вдавливания нагружаемого шарикового индентора.

(ГОСТ 24622-91, ISO 2039/2-87). Показатель твердости по Роквеллу находится в прямой зависимости от твердости пластмасс при вдавливании индентора, чем выше показатель твердости по Роквеллу, тем тверже материал.

(ГОСТ 24621-91, ISO 868-85). Твердость по Шору определяется вдавливанием с помощью дюрометров двух типов.

Методы определения твердости как по международным, так и по российским стандартам идентичны.

Плотность (ГОСТ 15139-69). Сущность метода заключается в определении плотности вещества по отношению массы образца к его объему, определяемым непосредственно взвешиванием и обмером или по вытесненному объему жидкости для образцов неправильной или трудно измеряемой формы. Общий принцип проведения испытаний аналогичен ISO 1183 (DIN 53479, ASTM D792).

Средний коэффициент линейного теплового расширения (ГОСТ 15173-70). Сущность метода состоит в испытании образца пластмассы, при котором определяют: средний коэффициент линейного теплового расширения в минимальном интервале температур; средний коэффициент линейного теплового расширения в установленном интервале температур. Общий принцип метода аналогичен ASTM D696, DIN 53752.

Удельная теплоемкость (ГОСТ 23630.1-79). Стандарт устанавливает метод определения удельной теплоемкости в интервале температур от - 100оС до +400оС. Сущность метода состоит в измерении теплового потока, поглощаемого образцом в процессе монотонного режима нагрева динамического калориметра, характеризуемого временем запаздывания температуры на тепломере с известной эффективной тепловой проводимостью. Согласно международным правилам удельная теплоемкость определяется в соответствии с ISO 22007-4:2008.

Теплопроводность (ГОСТ 23630.2-79). Стандарт устанавливает метод определения удельной теплоемкости в интервале температур от - 100оС до +400оС. Сущность метода состоит в измерении теплового сопротивления образца при монотонном режиме нагрева его при заданных значениях температур испытания. Согласно международным правилам теплопроводность определяется в соответствии с ISO 22007-4:2008.

Температура размягчения по Вика (ГОСТ 15088-83). Сущность метода заключается в определении температуры при которой стандартный индентор под воздействие силы проникает в испытуемый образец, нагреваемый с постоянной скоростью, на глубину 1мм. Стандарт полностью соответствует ISO 306 (DIN 53460, ASTM D1525).

Температура изгиба под нагрузкой (ГОСТ 12021-84). Сущность метода заключается в определении температуры, при которой испытуемый образец, горизонтально расположенный на двух опорах, находящийся под действием постоянной нагрузки (при напряжении 0,45 или 1,8МПа) и нагреваемый с постоянной скоростью, прогибается на заданную величину. Стандарт соответствует ISO 75 (DIN 53461, ASTM D648), однако из-за разных размеров испытуемых образцов значения деформационной теплостойкости, измеренные по методам ISO, могут быть ниже. Также для метода ASTM используется давление 1,82МПа.

Испытания на стойкость к воздействию температуры (ГОСТ 9.715-86). Стойкость материала к воздействию температуры устанавливается на основе результатов испытаний образцов материала при определении: интервалов температур, при которых в материале происходят химические и (или) физические процессы, в том числе процессы, сопровождающиеся изменением массы образца; области напряжений и температуры, в которой образцы сохраняют форму и целостность (для конструкционных пластмасс).

Старение пластмасс при воздействии естественных и искусственных климатических факторов (ГОСТ 9.708-83). Сущность метода заключается в том, что образцы подвергают воздействию естественных климатических факторов на климатических станциях в течение заданной продолжительности испытаний и определяют стойкость к указанному воздействию по изменению одного или нескольких показателей свойств (физико-механических, электрических, оптических, внешнего вида и т.п.).

СОДЕРЖАНИЕ 1 Механические испытания 1.1 Прочность, деформация и модуль упругости при растяжении ISO R527 (DIN 53455, DIN 53457, ASTM D638M) 1.2 Прочность и модуль упругости при изгибе ISO 178 (DIN 53452, ASTM D790) 1.3 Испытания на износостойкость на машине Табера ISO 3537 (DIN 52347, ASTM D1044) 1.4 Сравнение методов ISO (Международной организации по стандартизации) и ASTM (Американского общества по испытанию материалов) 2 Испытания на твердость 2.1 Сравнение твердостей по Бринеллю, Роквеллу и Шору 2.2 Твердость по Бринеллю ISO 2039-1 (DIN 53456) 2.3 Твердость по Роквеллу ISO 2039-2 2.4 Твердость по Шору ISO 868 (DIN 53505, ASTM D2240) 3 Испытания на прочность при ударе 3.1 Понятие прочности при ударе 3.2 Интерпретация результатов испытаний на удар - сравнение методов ISO и AST 3.3 Ударная прочность по Изоду ISO 180 (ASTM D256) 3.4 Ударная прочность по Шарпи ISO 179 (ASTM D256) 4 Тепловые испытания 4.1 Теплостойкость по Вика ISO 306 (DIN 53460, ASTM D1525) 4.2 Деформационная теплостойкость и деформационная теплостойкость под нагрузкой ISO 75 (DIN 53461, ASTM D648) 4.3 Деформационная теплостойкость (HDT) и аморфные и полукристаллические пластики 4.4 Вдавливание шарика ЕС335-1 4.5 Теплопроводность ASTM C177 4.6 Относительный теплопроводный индекс, RTI UL 746В 4.7 Коэффициент линейного теплового расширения ASTM D696, DIN 53752 5. Испытания на воспламеняемость 5.1 Общие сведения о воспламеняемости по стандарту UL94 5.2 Краткое описание классификационных категорий стандарта UL94 5.3 Категория UL94HB 5.4 Категория UL94V0, V1, V2 5.5 Категория UL94-5V 5.6 Индекс воспламеняемости при ограниченном содержании кислорода ISO 4589 (ASTM D2863) 5.7 Испытания раскаленной проволокой IEC 695-2-1 5.8 Испытания игольчатым пламенем IEC 695-2-2 6 Электрические испытания 6.1 Электрическая прочность диэлектрика IEC 243-1 6.2 Поверхностное удельное сопротивление IEC 93 (ASTM D257) 6.3 Объемное удельное сопротивление IEC 93 (ASTM D257) 6.4 Относительная диэлектрическая постоянная IEC 250 6.5 Коэффициент рассеяния IEC 250 6.6 Дугостойкость ASTM D495 6.7 Сравнительный индекс тренинга (Сравнительный индекс пробоя) IEC112 6.8 Испытания CTI 6.9 Испытания CTI-M 6.10 Категории PLC UL746A 7 Оптические испытания 7.1 Мутность и светопропускание (ASTM D1003) 7.2 Глянец (DIN 67530, ASTM D523) 7.3 Мутность и глянец 7.4 Коэффициент преломления DIN 53491, ASTM D542 8 Физические испытания 8.1 Плотность ISO 1183 (DIN 53479, ASTM D792) 8.2 Водопоглощение ISO 62 (ASTM D570) 9 Реологические испытания 9.1 Усадка при формовании ISO 2577 (ASTM D955) 9.2 Скорость течения расплава/Индекс расплава ISO 1133 (DIN 53735, ASTM D1238) 9.3 Объемный расход расплава/Объемный индекс расплава ISO 1133 (DIN 53735, ASTM D 1238) 9.4 Вязкость расплава DIN 54811 9.5 Практическое применение характеристик MV, MFR/MFI, MVI в производстве

Испытания свойств термопластичных древесно-полимерных композиционных материалов за рубежом проводят в соответствии с указанными ниже методами:

• Испытания на износостойкость на машине Табера ISO 3537 (DIN 52347, ASTM D1044)

• Твердость по Бринеллю ISO 2039-1 (DIN 53456)
• Твердость по Роквеллу ISO 2039-2 - Твердость по Шору ISO 868 (DIN 53505, ASTM D2240)

• Понятие прочности при ударе
• Ударная прочность по Изоду ISO 180 (ASTM D256)

• Теплостойкость по Вика ISO 306 (DIN 53460, ASTM D1525)
• Деформационная теплостойкость и деформационная теплостойкость под нагрузкой ISO 75 (DIN 53461, ASTM D648)
• Деформационная теплостойкость (HDT) и аморфные и полукристаллические пластики
• Вдавливание шарика EC335-1
• Теплопроводность ASTM C 177
• Относительный теплопроводный индекс, RTI (UL 746B)
• Коэффициент линейного теплового расширения ASTM D696, DIN 53752

• Общие сведения о воспламеняемости по стандарту UL94
• Краткое описание классификационных категорий стандарта UL94
• Категория UL94HB
• Категория UL94V0, V1, V2
• Категория UL94-5V
• Воспламеняемость по стандарту CSA (CSA C22.2 № 0,6, испытание А)
• Индекс воспламеняемости при ограниченном содержании кислорода ISO 4589 (ASTM D 2863)
• Испытания расскаленной проволокой IEC 695-2-1
• Испытания игольчатым пламенем IEC 695-2-2

• Электрическая прочность диэлектрика IEC 243-1
• Поверхностное удельное сопротивление IEC 93 (ASTM D257)
• Объемное удельное сопротивление IEC 93 (ASTM D257)
• Относительная диэлектрическая постоянная IEC 250
• Коэффициент рассеяния IEC 250
• Дугостойкость ASTM D495
• Сравнительный индекс трекинга (Сравнительный индекс пробоя) IEC 112
• Испытания CTI-M
• Категории PLC (UL746A)

• Мутность и светопропускание ASTM D1003
• Глянец DIN 67530, ASTM D523
• Мутность и глянец
• Коэффициент преломления DIN 53491, ASTM D542

• Плотность ISO 1183 (DIN 53479, ASTM D792)
• Водопоглощение ISO 62 (ASTM D570)

• Усадка при формовании ISO 2577 (ASTM D955)
• Скорость течения расплава/Индекс расплава ISO 1133 (DIN 53735, ASTM D 1238)
• Объемный расход расплава/Объемный индекс расплава ISO 1133 (DIN 53735, ASTM D 1238)
• Вязкость расплава DIN 54811
• Практическое применение характеристик MV, MFR/MFI, MVI в производстве

1. Механические испытания

Прочность, деформация и модуль упругости при растяжении ISO R527

(DIN 53455, DIN 53457, ASTM D638M)

Основой для понимания свойств материала являются сведения о том, как материал реагирует на любую нагрузку. Зная величину деформации, создаваемой данной нагрузкой (напряжением), конструктор может предсказать реакцию конкретного изделия на его рабочие условия. Зависимость напряжений и деформаций при растяжении являются наиболее широко публикуемыми механическими свойствами для сравнения материалов или конструирования конкретных изделий.

Скорости при испытаниях:

• Скорость А – 1 мм/мин – модуль растяжения.
• Скорость В – 5 мм/мин – диаграмма напряжений при растяжении для смол со стекловолоконным наполнителем.
• Скорость С – 50 мм/мин – диаграмма напряжений при растяжении для смол без наполнителя.

Зависимости напряжения-деформации при растяжении определяют следующим образом. Образец, имеющий форму двойной лопатки, растягивают с постоянной скоростью и регистрируют приложенную нагрузку и удлинение. После этого вычисляют напряжения и деформации:

Другими механическими свойствами, определяемыми по зависимости напряжения деформации, являются:

Прочность и модуль упругости при изгибе ISO 178 (DIN 53452, ASTM D790)

Прочность на изгиб является мерой, показывающей, насколько хорошо материал сопротивляется изгибу, или "какова жесткость материала". Обыкновенный, свободно опертый стержень нагружается в середине пролета: тем самым создается трехточечное нагружение. На стандартной машине для испытаний нагружающий наконечник давит на образец с постоянной скоростью 2 мм/мин.

Для вычисления модуля упругости при изгибе по зарегистрированным данным строится кривая зависимости прогиба от нагрузки. Начиная от исходной линейной части кривой, используют минимум пять значений нагрузки и прогиба.

Модуль упругости при изгибе (отношение напряжения к деформации) наиболее часто упоминают при ссылке на упругие свойства. Модуль упругости при изгибе эквивалентен наклону линии, касательной к кривой напряжения/деформации, в той части этой кривой, где пластик еще не деформировался.

Значения напряжений и модуля упругости при изгибе измеряются в МПа.

Испытания на износостойкость на машине Табера ISO 3537 (DIN 52347, ASTM D1044)

Рис. 4: Испытания на износостойкость на машине Табера

При этих испытаниях измеряют величину потерь на истирание посредством абразивного истирания образца на машине Табера. Образец закрепляют на диске, вращающемся с частотой 60 об/мин. Силы, создаваемые грузами, прижимают абразивные круги к образцу. После заданного числа циклов испытания прекращают. Массу потерь на истирание определяют как массу частиц, которые были удалены с образца: эту массу выражают в мг/1000 циклов. Абразивные круги фактически представляют собой точильные камни в форме круга. Используются различные типы этих кругов.

Сравнение методов ISO (Международной организации по стандартизации) и ASTM (Американского общества по испытанию материалов).

Применение метода по стандарту ISO не только изменяет условия испытаний и размеры испытательной оправки (по сравнению с методом ASTM), но также требует стандартизованных конструкций пресс-формы и условий формования в соответствии со стандартом ISO 294. Это может привести к различиям в публикуемых значениях - не из-за изменения свойств материала, а из-за изменения метода испытаний. По методу ASTM образец для испытаний имеет толщину 3 мм, тогда как ISO выбрала образцы толщиной 4 мм.

2. Испытания на твердость

Сравнение твердостей по Бринеллю, Роквеллу и Шору

Испытание по Роквеллу определяет твердость пластиков росле упрогого восстановления деформации образца при испытании. В этом заключается отличие этого метода от испытаний на твердость по Бринеллю и Шору: при этих испытаниях твердость определяют по глубине проникновения под нагрузкой и, следовательно, исключают любое упругое восстановление деформации материала.

Поэтому значения по Роквеллу не могут быть непосредственно соотнесены со значениями твердости по Бринеллю или Шору.

Диапазоны значений по шкалам A и D Шора могут быть сравнены с диапазонами значений твердости по отпечаткам, полученным по методу Бринелля. Однако линейной корреляции нет.

Твердость по Бринеллю ISO 2039-1 (DIN 53456)

Полированный закаленный стальной шарик диаметром 5 мм вдавливают в поверхность испытуемого образца (толщиной не менее 4 мм) с усилием 358 Н. Через 30 с после приложения нагрузки измеряют глубину отпечатка. Твердость по Бринеллю Н 358/30 расчитывается как "приложенная нагрузка", деленная на "площадь поверхности отпечатка". Результат выражают в Н/мм 2

Твердость по Роквеллу ISO 2039-2

Число твердости по Роквеллу непосредственно относится к твердости отпечптка на пластике: чем выше это число, тем тверже материал. Вследствии небольшого перекрытия шкал твердостей по Роквеллу для одного и того же материала можно получит два разных числа по двум разным шкалам, причем оба эти числа могут быть технически правильными

Индентор, представляющий собой полированный закаленный стальной шарик, вдавливают в поверхность испытуемого образца. Диаметр шарика зависит от применяемой шкалы Роквелла. Образец нагружают "малой нагрузкой", затем "основной нагрузкой", после чего снова той же "малой нагрузкой". Фактическое измерение основано на общей глубине проникновения, эта глубина вычисляется как общая глубина после снятия основной нагрузки минус упругое восстановление после снятия основной нагрузки и минус глубина проникновения при малой нагрузке. Число твердости по Роквеллу вычисляется как "130 минус глубина внедрения в единицах по 0,002 мм".

Числа твердости по Роквеллу должны находиться в пределах от 50 до 115. Значения, выходящие за эти пределы, считаются неточными: измерение необходимо повторить еще раз, используя следующую более жесткую шкалу. Шкалы возрастают по жесткости от R через L до М (с увеличением твердости материала). Нагрузки и диаметрв инденторов более подробно указаны в таблице.

Если для более мягкого материала требуется менее жесткая шкала, чем шкала R, то определение твердости по Роквеллу не подходит. Тогда можно использовать метод определения твердости по Шору (ISO 868), который применяется для низкомодульных материалов.

Твердость по Шору ISO 868 (DIN 53505, ASTM D2240)

Значениями твердости по Шору являются показания шкалы, полученные в результате проникновения в пластик определеного стального стержня. Эта твердость определяется склероскопами двух типов, оба из которых имеют калиброванные пружины для приложения нагрузки к индентору. Склероскоп А применяется для более мягких материалов, а склероскоп D - для более твердых.

Значения твердостей по Шору изменяются:

• от 10 до 90 для склероскопа Шора типа А - мягкие материалы,
• от 20 до 90 для склероскопа Шора типа D - твердые материалы.

Если измеренные значения >90А, то материал слишком тверд, и должен применяться склероскоп D.

Если измеренные значения

Не существует никакой простой зависимости между твердостью, измеренной с помощью этого метода испытаний, и другими основными свойствами испытуемого материала.

3. Испытания на прочность при ударе

Понятие прочности при ударе

При стандартных испытаниях, например, испытаниях на растяжение и изгиб, материал поглощает энергию медленно. Реально материалы очень часто быстро поглощают энергию приложенного усилия, например, усилия от падающих предметов, ударов, столкновений, падений и т.д. Целью испытаний на прочность при ударе является имитация таких условий.

Для исследования свойств определенных образцов при заданных ударных напряжениях и для оценки хрупкости или ударной вязкости образцов применяются методы Изода и Шарпи. Результаты испытаний по этим методам не должны ипользоваться как источник данных для проектных расчетов компонентов. Информация о типовых свойствах материала может быть получена посредством испытания разных типов испытуемых образцов, приготовленных в различных условиях, с изменением радиуса надреза и температуры испытаний.

Испытания по обоим методам проводятся на ударном маятниковом копре. Образец зажимают в тисках, а маятниковый копер с закаленной стальной ударной поверхностью определенного радиуса отпускают с заданной высоты, что вызывает срез образца от резкой нагрузки. Остаточная энергия маятникого копра поднимает его вверх. Разность высоты падения и высоты возврата определяет энергию, затраченную на разрушение испытуемого образца. Эти испытания могут проводиться при комнатной температуре либо при пониженных температурах для определения хладноломкости. Испытуемые образцы могут быть разными по типу и размерам надрезов.

Результаты испытаний на удар падающим грузом, например, по методу Гарднера или изогнутой плитой, зависят от геометрии падающего груза и опоры. Их можно использовать только для определения относительного ранжирования материалов. Результаты испытаний на удар не могут считаться абсолютными, кроме случаев, когда геометрия испытательного оборудования и образца соответствуют требованиям конечного применения. Можно ожидать, что относительное ранжирование материалов по двум методом испытаний будет совпадать, если характер разрушения и скорости удара одинаковы.

Интерпретация результатов испытаний на удар - сравнение методов ISO и ASTM

Ударные характеристики могут в большой степени зависеть от толщины образца и ориентации молекул. Разные толщины образцов, используемых в методах ISO и ASTM, могут весьма значительно повлиять на значения прочности при ударе. Изменение толщины с 3 мм на 4 мм может даже привести к переходу характера разрушения от вязкого к хрупкому из-за влияния молекулярной массы и толщины образца с надрезом при использовании метода Изода, как это продемонстрировано для поликарбонатных смол. На материалы, уже показывающие хрупкий характер разрушения при толщине 3 мм, например, материалы с минеральными и стекловолоконными наполнителями, изменение толщины образца не влияет. Такими же свойствами обладают материалы с модифицирующими добавками, увеличивающими ударную прочность.

Рис. 10: Влияние толщины и молекулярной массы образца с надрезом на результаты ударных испытаний поликарбонатных смол по Изоду

Необходимо четко представлять, что:

• изменились не материалы, а только методы испытаний;
• упомянутый переход от вязкого разрушения к хрупкому играет незначительную роль в реальной действительности: конструируемые изделия в преобладающем большинстве имеют толщину 3 мм и менее

Ударная прочность по Изоду ISO 180 (ASTM D256)

Испытания образцов с надрезом на ударную прочность по Изоду стали стандартным методом для сравнения ударной прочности пластиков. Однако результаты этого метода испытаний мало соответствуют реакции формованного изделия на удар в реальной обстановке. Из-за разной чувствительности материалов к надрезу этот метод испытаний позволяет отбраковывать некоторые материалы. Несмотря на то, что результаты этих испытаний часто запрашивались как значимые меры ударной прочности, эти испытания проявляют тенденцию к измерению чувствительности материала к надрезу, а не к способности пластика выдерживать удар. Результаты этих испытаний широко используются как справочные для сравнения ударных вязкостей материалов. Испытания образцов с надрезом на ударную прочность по Изоду лучше всего применимы для определения ударной прочности изделий, имеющих много острых углов, например ребер, пересекающихся стенок и других мест концентрации напряжений. При испытаниях на ударную прочность по Изоду образцов без надреза, применяется та же геометрия нагружения, за исключением того, что образец не имеет надреза (или зажат в тисках в перевернутом положении). Испытания этого типа всегда дают более высокие результаты по сравнению с испытаниями образцов с надрезом по Изоду из-за отсутствия места концентрации напряжений.

Ударной прочностью образцов с надрезом по методу Изода является энергия удара, затраченная на разрушение надрезанного образца, деленная на исходную площадь поперечного сечения образца в месте надреза. Эту прочность выражают в килоджоулях на квадратный метр: кДж/м 2 . Образец вертикально зажимают в тисках ударного копра.

• ISO 180/1A обозначает тип образца 1 и тип надреза А. Как можно увидеть на рисунке ниже, образец типа 1 имеет длину 80 мм, высоту 10 мм и толщину 4 мм.
• ISO 180/1O обозначает тот же образец 1, но зажатый в перевернутом положении (указываемый как "ненадрезанный").

Образцы, используемые по методу ASTM, имеют подобные размеры: тот же радиус скругления у основания надреза и ту же высоту, но отличабтся по длине - 63,5 мм и, что более важно, по толщине - 3,2 мм.

Результаты испытаний по ISO определяют как энергию удара в джоулях, затраченную на разрушение испытуемого образца, деленную на площадь поперечного сечения образца в месте надреза. Результат выражают в килоджоулях на квадратный метр: кДж/м 2 .

Результаты испытаний по методу ASTM определяют как энергию удара в джоулях, деленную на длину надреза (т.е. толщину образца). Их выражают в джоулях на метр: Дж/м. Практический коэффициент пересчета равен 10: т.е. 100 Дж/м равно приблизительно 10 кДж/м 2 .

Разная толщина образцов может отразиться на различных интерпретациях "ударной прочности", как показано отдельно.

Рис. 11: Образцы для измерения ударной прочности

Ударная прочность по Шарпи ISO 179 (ASTM D256)

Обозначения ISO отражают тип образца и тип надреза:

• ISO 179/1C обозначает образц типа 2 и надрез типа CI;
• ISO 179/2D обозначает обозначает образц типа 2, но ненадрезанный.

Основным отличием методов Шарпи и Изода является способ установки испытуемого образца. При испытании по методу Шарпи образец не зажимают, а свободно устанавливают на опору в горизонтальном положении.

Рис. 13: Метод измерения ударной прочности по Шарпи и прибор для ее измерения

Образцы, используемые по методу DIN 53453, имеют подобные размеры. Результаты по обоим методам ISO и DIN апределяются как энергия удара в джоулях, поглощенная испытуемым образцом, деленная на площадь поперечного сечения образца в месте надреза. Эти результаты выражаются в килоджоулях на квадратный метр: кДж/м 2 .