ГОСТ 19109-2017 — ударная вязкость пластмасс по Изоду

ГОСТ 19109-2017 «Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Изоду» устанавливает метод испытания пластмасс при ударном нагружении. Метод применяют для оценки способности материала сопротивляться ударному разрушению в заданных условиях испытания.

Главная особенность метода Изода — консольное закрепление образца. Один его конец жестко фиксируют в зажиме, а по свободной части наносят удар маятником. Испытания проводят как на образцах без надреза, так и на образцах с контролируемым надрезом. Полученный результат зависит не только от свойств пластмассы, но и от геометрии образца, типа надреза, положения образца в зажиме, энергии маятника, условий кондиционирования и даже усилия закрепления.

Что определяют при испытании по Изоду

Перед ударом маятник обладает заданным запасом потенциальной энергии. При разрушении часть этой энергии поглощается образцом. По разности энергии маятника до и после удара определяют работу, затраченную на разрушение. На основании поглощенной энергии и размеров рабочего сечения рассчитывают ударную вязкость по Изоду.

Для ненадрезанного образца используют первоначальную площадь поперечного сечения. Для образца с надрезом учитывают сечение в зоне надреза.

Поэтому энергия разрушения и ударная вязкость — не одно и то же. Энергия показывает работу разрушения конкретного образца в джоулях, а ударная вязкость связывает ее с геометрией рабочего сечения. Подробнее о поведении полимеров при ударном нагружении и различиях основных методов можно прочитать в статье «Ударная вязкость пластмасс».

Чем Изод отличается от Шарпи

Оба метода используют маятниковый удар, однако схема нагружения существенно различается. При Шарпи образец свободно лежит на двух опорах, а удар наносится между ними. При Изоде один конец образца жестко закреплен, а второй остается свободным. Из-за различной схемы возникают разные условия изгиба и распространения трещины. Поэтому результаты Шарпи и Изода нельзя считать взаимозаменяемыми. Испытание пластмасс по двухопорной схеме отдельно рассмотрено в материале «ГОСТ 4647-2015 — ударная вязкость пластмасс по Шарпи».

Образцы для испытаний

Рекомендуемый образец имеет размеры 80 × 10 × 4 мм с установленными стандартом допусками. Испытания могут выполняться и на других предусмотренных стандартом вариантах в зависимости от материала и требований нормативной документации. Основные варианты удобно представить следующим образом:

Вариант	Размер образца	Надрез	Радиус вершины
без надреза	80 × 10 × 4 мм	отсутствует	—
тип A	80 × 10 × 4 мм	A	0,25 ± 0,05 мм
тип B	80 × 10 × 4 мм	B	1,00 ± 0,05 мм

Для надрезанных образцов ширина в зоне под надрезом составляет 8,0 ± 0,2 мм. Образцы должны быть прямыми, поверхности — ровными, без вмятин, раковин, царапин, заусенцев и других дефектов, которые способны стать дополнительными концентраторами напряжений. Если количество не установлено документацией на материал, испытывают не менее 10 образцов. При коэффициенте вариации менее 5 % допускается проведение испытаний на пяти образцах. Для анизотропных и слоистых материалов отдельные серии подготавливают для требуемых направлений.

Образцы с надрезом и без надреза

Испытание ненадрезанного образца характеризует сопротивление материала ударному разрушению без искусственно созданного концентратора. Надрез формирует заранее заданную область концентрации напряжений и позволяет более воспроизводимо оценивать развитие трещины.

Рекомендуемым является надрез типа A. Надрез типа B имеет больший радиус вершины и создает иные условия концентрации напряжений. Результаты, полученные на образцах без надреза, с надрезом A и с надрезом B, нельзя объединять в одну сравнительную серию.

Почему геометрия надреза критична

При ударном испытании небольшое изменение радиуса вершины или глубины надреза может существенно изменить условия начала разрушения. Поэтому контролируют не только размеры самого образца, но и фактическую геометрию рабочей зоны. Повреждения поверхности надреза, износ режущего инструмента или отличие способа его изготовления способны увеличить разброс результатов. Особенно осторожно следует сравнивать механически надрезанные образцы с образцами, у которых концентратор был сформирован непосредственно при изготовлении изделия.

Анизотропные и армированные пластмассы

Для армированных, ориентированных и слоистых материалов направление вырезки является частью условий испытания. Свойства пластика вдоль и поперек армирующих волокон или слоев могут существенно различаться. Поэтому направление подготовки образцов и направление удара необходимо фиксировать в протоколе. Одного значения ударной вязкости без указания ориентации материала для таких пластмасс может быть недостаточно для корректного сравнения.

Кондиционирование образцов

Условия подготовки устанавливают документацией на конкретный материал. Если специальных требований нет, образцы кондиционируют не менее 16 ч при температуре 23 °C и относительной влажности 50 %. Для образцов с надрезом продолжительность кондиционирования отсчитывают после его нанесения. Перед испытанием контролируют размеры образца, а для надрезанного варианта дополнительно измеряют рабочее сечение под надрезом. Сравниваемые серии должны испытываться при одинаковых условиях подготовки и температуры.

Маятниковый копер для испытаний по Изоду

Для метода Изода используют маятниковый копер с оснасткой для одноопорного консольного закрепления образца.

Для таких испытаний «Эталон-Профит» выпускает маятниковые копры РКМ-К 5,5/22.

РКМ-К 5,5 предусматривает маятники: 1; 2,75; 5,5 Дж.

РКМ-К 22: 5,5; 11; 22 Дж.

Наличие нескольких маятников позволяет выбирать рабочий диапазон под конкретный материал и образец, а не выполнять все испытания маятником максимальной энергии. Другие исполнения копров представлены в общей категории маятниковых копров РКМ-К.

Давление зажима тоже влияет на результат

Одна из особенностей метода Изода — непосредственное механическое закрепление образца. Некоторые пластмассы чувствительны к усилию зажима. Недостаточная фиксация способна вызвать смещение образца, а чрезмерное усилие — локальную деформацию и изменение условий разрушения возле закрепленной части. Для материалов, чувствительных к давлению, усилие зажатия следует контролировать и воспроизводить от образца к образцу. При необходимости применяют динамометрический инструмент или специальное приспособление. Если давление зажима нормируется, его также фиксируют в протоколе.

Как устанавливают образец с надрезом

Образец устанавливают вертикально и жестко закрепляют нижней частью. При стандартной схеме горизонтальная плоскость, проходящая через вершину надреза, должна совпадать с уровнем верхней поверхности зажима. Надрез располагают в установленной методикой ориентации относительно направления удара. Даже небольшое смещение вершины надреза относительно уровня зажима изменяет рабочую длину консольной части и условия возникновения изгибающего момента. Поэтому положение образца должно воспроизводиться при каждом испытании серии.

Стандарт предусматривает также специальные варианты ориентации образца для исследовательских испытаний. Результаты, полученные при разных схемах установки, нельзя смешивать.

Как выбирают энергию маятника

Использовать самый мощный доступный маятник — неправильный подход. Энергия, затраченная на разрушение образца, должна составлять не менее 10 % и не более 80 % запаса энергии установленного маятника. Если этому условию соответствуют несколько маятников, выбирают маятник с наибольшим запасом энергии.

Поэтому рабочие возможности копра определяются не только его максимальной энергией, но и набором сменных маятников. Это особенно важно для лаборатории, которая испытывает как сравнительно хрупкие термопласты, так и армированные композиционные материалы.

Как проходит испытание

После подготовки и измерения образцов последовательность такая:

1. выбирают маятник подходящего диапазона;
2. определяют потери энергии на трение;
3. устанавливают образец в зажим;
4. контролируют положение надреза;
5. при необходимости задают установленное усилие закрепления;
6. поднимают маятник в исходное положение;
7. освобождают маятник;
8. регистрируют поглощенную энергию;
9. определяют характер разрушения;
10. рассчитывают ударную вязкость.

Особое внимание уделяют положению образца и надреза относительно зажима и бойка. Ошибка установки способна изменить условия разрушения даже при полностью исправном копре.

Характер разрушения C, H, P и N

ГОСТ 19109-2017 различает несколько вариантов поведения образца.

• C — полное разрушение. Образец разделяется на две или несколько частей.
• H — шарнирообразное разрушение. Части остаются соединенными тонким наружным слоем с небольшой остаточной жесткостью.
• P — частичное разрушение. Образец поврежден, но характер разрушения не соответствует полному или шарнирообразному.
• N — разрушение отсутствует. Образец изгибается или покидает зажим без разрушения.

При обработке результатов шарнирообразное разрушение H относят к группе полного разрушения C. Поэтому при представлении результатов используют основные группы C, P и N. Характер разрушения представляет самостоятельную практическую информацию: два материала с близкими численными значениями ударной вязкости могут вести себя при ударе совершенно по-разному.

Что чаще всего искажает результат

На результаты испытания по Изоду особенно влияют:

Если получено неожиданное значение, недостаточно просто испытать следующий образец. Следует проверить всю испытательную цепочку — от подготовки образца и геометрии надреза до его установки, условий кондиционирования и выбора маятника.

Расчет ударной вязкости

Для каждого разрушившегося образца ударную вязкость рассчитывают по энергии, поглощенной при ударе, и рабочей площади поперечного сечения.

Для ненадрезанного образца используют исходное сечение. Для надрезанного — фактическое сечение под надрезом.

При обработке серии определяют среднее значение и учитывают характер разрушения образцов. При необходимости рассчитывают стандартное отклонение и коэффициент вариации. Для корректного сравнения необходимо сохранять одинаковыми тип образца, надрез, ориентацию материала, условия кондиционирования, способ закрепления и энергетический диапазон маятника.

Практические рекомендации

При выборе копра ориентируйтесь прежде всего на ожидаемую энергию разрушения материалов и требуемый набор маятников.

Регулярно контролируйте режущий инструмент и фактическую геометрию надреза.

Для чувствительных материалов обеспечивайте воспроизводимое усилие зажима.

Не объединяйте в одну сравнительную серию результаты, если изменились тип надреза, размеры образца, ориентация армирования, условия кондиционирования или энергетический диапазон.

Для композитных материалов обязательно фиксируйте направление вырезки и удара.

Часто задаваемые вопросы

Чем Изод отличается от Шарпи? При Изоде образец консольно закрепляют одним концом. При Шарпи он свободно располагается на двух опорах.

Можно ли испытывать образцы без надреза? Да. ГОСТ 19109-2017 предусматривает испытание образцов как с надрезом, так и без него.

Какой надрез используют чаще всего? Рекомендуемым является надрез типа A с радиусом вершины 0,25 ± 0,05 мм.

Сколько образцов необходимо испытать? Если документацией на материал не установлено иное, используют не менее 10 образцов. При коэффициенте вариации менее 5 % допускается испытать пять.

Как подобрать энергию маятника? Энергия разрушения должна составлять 10–80 % запаса энергии установленного маятника.

Почему важно усилие зажима? Потому что нестабильное или чрезмерное давление способно изменить условия закрепления и разрушения некоторых пластмасс.

Оборудование «Эталон-Профит» для испытаний по ГОСТ 19109-2017

Для определения ударной вязкости пластмасс по Изоду предназначены маятниковые копры РКМ-К 5,5/22 с одноопорной схемой закрепления образца. Набор сменных маятников от 1 до 22 Дж позволяет подбирать рабочий диапазон в зависимости от материала, типа надреза и ожидаемой энергии разрушения. Для понимания более широкого набора методов и оборудования можно также обратиться к материалу «Испытания пластмасс».

Серия РКМ-К внесена в Государственный реестр средств измерений РФ. Дополнительная информация о метрологическом статусе оборудования представлена в новости о продлении утверждения типа маятниковых копров РКМ-К.

Специалисты ООО «Эталон-Профит» помогут подобрать маятниковый копер РКМ-К 5,5/22, необходимый набор маятников и комплектацию с учетом материала, типа образца и предполагаемого диапазона энергии разрушения.