ГОСТ 4647-2015. Ударная вязкость пластмасс по Шарпи

ГОСТ 4647-2015 «Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Шарпи» устанавливает метод испытания пластмасс на удар образцов с надрезом и без надреза. Метод применяют для оценки поведения материала при кратковременном динамическом нагружении и его способности сопротивляться ударному разрушению.

Испытание по Шарпи используют при контроле качества пластмасс, сравнении различных материалов и исследовательских работах. При этом значение ударной вязкости характеризует поведение материала именно в установленных условиях испытания и не должно рассматриваться как универсальная расчетная характеристика конструкции. Подробнее о различиях методов Шарпи и Изода и особенностях испытания различных полимерных материалов можно прочитать в материале «Ударная вязкость пластмасс».

Что определяют при испытании по Шарпи

При испытании образец располагают горизонтально на двух опорах маятникового копра. После освобождения маятника боек наносит удар в средней части пролета между опорами. Копер определяет энергию, поглощенную образцом при разрушении. На основании полученного значения и геометрических размеров образца рассчитывают ударную вязкость.

Важно различать энергию разрушения и ударную вязкость. Энергия разрушения выражается в джоулях и показывает работу, затраченную на разрушение конкретного образца. Ударная вязкость учитывает также размеры его поперечного сечения, поэтому позволяет корректнее сопоставлять результаты испытаний, выполненных при одинаковых условиях. Если ненадрезанный образец при ударе не разрушается, характер его поведения также учитывают при оценке материала.

Образцы для испытаний

ГОСТ 4647-2015 предусматривает несколько типов прямоугольных образцов. Конкретный тип образца и надреза выбирают в соответствии с нормативной или технической документацией на испытываемый материал. Если специальных требований нет, применяют образец типа 2 с надрезом типа В.

Тип	Длина, мм	Ширина, мм	Толщина, мм	Расстояние между опорами, мм
1	120 ± 2	15,0 ± 0,5	10,0 ± 0,5	70
2	80 ± 2	10,0 ± 0,5	4,0 ± 0,2	60
3	50 ± 1	6,0 ± 0,2	4,0 ± 0,2	40

Если нормативной или технической документацией не установлено иное, для испытания используют не менее 10 образцов.

Для испытания используют серию образцов. При работе с анизотропными, армированными и слоистыми пластмассами необходимо учитывать направление вырезки относительно ориентации материала, волокон или слоев. Поверхность образца должна быть ровной и не иметь случайных дефектов: трещин, сколов, глубоких царапин, заусенцев и других повреждений. При ударном нагружении даже небольшой дефект может стать дополнительным концентратором напряжений и вызвать преждевременное разрушение.

Образцы с надрезом и без надреза

Испытания проводят как на ненадрезанных, так и на надрезанных образцах. Надрез создает контролируемый концентратор напряжений. Благодаря этому испытание позволяет оценить чувствительность пластмассы к локальному дефекту и развитие разрушения из заранее заданной области. Стандарт предусматривает несколько вариантов надрезов, отличающихся геометрией и радиусом вершины.

Особенно важно понимать, что нельзя автоматически объединять в одну сопоставимую серию результаты образцов:

• разных размеров;
• с различными типами надреза;
• с разной геометрией вершины надреза;
• изготовленных разными способами.

Геометрия надреза непосредственно влияет на концентрацию напряжений и характер распространения трещины. Поэтому при сравнительных испытаниях способ изготовления и параметры надреза должны оставаться одинаковыми.

Качество надреза имеет значение

При испытании пластмасс по Шарпи надрез нельзя рассматривать как второстепенную деталь подготовки образца. Изменение радиуса вершины, глубины или качества поверхности надреза может заметно изменить энергию разрушения. Поэтому необходимо контролировать не только номинальные размеры образца, но и фактическую геометрию рабочей зоны. Особенно осторожно следует сравнивать результаты механически надрезанных образцов с образцами, у которых концентратор был сформирован непосредственно при литье или прессовании. Условия возникновения трещины в этих случаях могут различаться.

Направление удара

Положение образца относительно бойка является частью условий испытания.

• Для ненадрезанного образца удар приходится в среднюю часть пролета между опорами.
• У надрезанного образца боек должен воздействовать с противоположной от надреза стороны непосредственно напротив него. Такое расположение обеспечивает развитие трещины из заданного концентратора.
• Для слоистых, ориентированных и армированных пластмасс дополнительно учитывают направление удара относительно структуры материала.

Поэтому в протоколе испытаний композитов недостаточно зафиксировать только полученную ударную вязкость. Необходимо также указывать направление вырезки образца, ориентацию слоев или волокон и положение образца при ударе.

Подготовка образцов перед испытанием

До испытания образцы кондиционируют в условиях, установленных документацией на материал. Если специальных требований нет, применяют стандартные условия кондиционирования пластмасс.

Перед установкой в копер измеряют ширину и толщину каждого образца. Для образца с надрезом дополнительно определяют фактический размер сечения в зоне концентратора. Эти измерения непосредственно участвуют в расчете ударной вязкости. Поэтому погрешность определения толщины или остаточного сечения после надреза переходит в конечный результат испытания.

Для сравнительных серий особенно важно сохранять одинаковыми температуру, продолжительность кондиционирования и время между извлечением образца из заданной среды и нанесением удара.

Маятниковый копер для испытаний пластмасс

Основное оборудование — маятниковый копер серии РКМ-К с опорами для образца и маятником необходимого диапазона энергии. Для испытаний пластмасс по Шарпи «Эталон-Профит» выпускает настольные копры РКМ-К-5 и РКМ-К-50.

РКМ-К-5 работает с маятниками 1; 2; 4 и 5 Дж.

РКМ-К-50 - 7,5; 15; 25 и 50 Дж.

Наличие нескольких маятников особенно важно при работе с пластмассами, поскольку энергия разрушения различных полимеров и композитов может отличаться в несколько раз. При подборе оборудования поэтому нужно учитывать не только максимальную энергию копра, но и фактический диапазон материалов, которые лаборатория планирует испытывать.

Почему нельзя просто выбрать самый мощный маятник

Для испытания необходимо, чтобы энергия разрушения находилась в рабочей части диапазона выбранного маятника. Если разрушение требует слишком небольшой энергии относительно запаса маятника, точность определения результата ухудшается. Если образец поглощает энергию, близкую к полному запасу маятника, выбранный диапазон также становится неподходящим.

При испытании 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. Практически это означает, что универсальность копра определяется не только его максимальным значением энергии, а набором доступных маятников. Например, лаборатории, которая испытывает и относительно хрупкие термопласты, и прочные армированные композиции, может потребоваться значительно более широкий диапазон, чем лаборатории, работающей с одним типом материала.

Как проводится испытание

После кондиционирования образцов:

1. проверяют их состояние и геометрию;
2. измеряют необходимые размеры;
3. выбирают маятник подходящего диапазона;
4. устанавливают требуемое расстояние между опорами;
5. размещают образец в правильной ориентации;
6. поднимают маятник в исходное положение;
7. освобождают маятник;
8. регистрируют энергию, поглощенную при разрушении;
9. рассчитывают ударную вязкость;
10. оценивают характер разрушения образца.

Образец должен лежать на опорах устойчиво и без перекоса. Для надрезанных образцов особенно важно совместить положение надреза и траекторию бойка. Ошибка установки изменяет условия распространения трещины и делает результат несопоставимым с корректно проведенной серией.

Что чаще всего искажает результат

При испытаниях пластмасс по Шарпи большая часть проблем связана не с самим принципом работы копра, а с подготовкой и установкой образца. На результат особенно влияют:

• размеры и качество образца;
• геометрия надреза;
• остаточное сечение под надрезом;
• случайные повреждения поверхности;
• условия кондиционирования;
• температура испытания;
• направление вырезки;
• ориентация образца;
• расстояние между опорами;
• энергия установленного маятника;
• положение надреза относительно бойка.

Поэтому при неожиданном результате недостаточно просто повторить удар на новом образце. Следует проверить всю последовательность: подготовку серии, геометрию надрезов, параметры копра и правильность установки.

Расчет ударной вязкости

В основе расчета лежит энергия, поглощенная при разрушении образца. Для ненадрезанного образца учитывают исходную площадь поперечного сечения. Для надрезанного — фактическое сечение в зоне надреза. Это еще раз объясняет, почему точность измерения образца критична: одна и та же зарегистрированная энергия при различном рабочем сечении соответствует разной ударной вязкости.

За результат серии принимают среднее значение выполненных испытаний. При необходимости дополнительно оценивают разброс результатов. Для корректного сравнения материалов нужно сохранять одинаковыми тип образца, форму надреза, способ его изготовления, условия кондиционирования, направление удара и используемый диапазон маятника.

Испытание по Шарпи и Изоду — не одно и то же

Оба метода применяют для оценки поведения пластмасс при ударном нагружении, но схема испытания различается.

При Шарпи образец свободно располагается на двух опорах, а удар наносится между ними.

При Изоде образец консольно закрепляют одним концом и ударяют по его свободной части.

Поэтому различаются не только положение образца, но и используемая оснастка и ударные маятники. Для метода Изода «Эталон-Профит» выпускает отдельные настольные копры РКМ-К 5,5/22, которые представлены в общей категории маятниковых копров РКМ-К.

Практические рекомендации

• При выборе копра ориентируйтесь на ожидаемую энергию разрушения материалов, а не только на максимальную энергию оборудования.
• Для лаборатории с широким ассортиментом пластмасс полезна возможность использовать несколько сменных маятников.
• При испытании образцов с надрезом особенно тщательно контролируйте глубину и геометрию концентратора, а также остаточное сечение.
• Не объединяйте в одну сравнительную серию результаты, если изменились размеры образца, форма надреза, направление вырезки или условия кондиционирования.
• Для армированных и слоистых пластмасс обязательно фиксируйте ориентацию материала относительно направления удара.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли испытывать пластмассы по Шарпи без надреза? Да. Метод предусматривает испытание как надрезанных, так и ненадрезанных образцов.

Зачем нужен надрез? Он создает контролируемый концентратор напряжений и позволяет оценить чувствительность материала к развитию разрушения из локальной зоны.

Как выбрать маятник? По ожидаемой энергии разрушения образца. Испытание должно проходить в рабочей части энергетического диапазона маятника.

Можно ли сравнивать результаты, полученные разными маятниками? ГОСТ 4647-2015 не рекомендует сопоставлять результаты, полученные при разных запасах энергии маятника. Для сравнительной серии условия испытания следует сохранять одинаковыми.

Чем Шарпи отличается от Изода? Главное различие — схема установки образца. При Шарпи он опирается на две опоры, при Изоде закрепляется консольно.

Оборудование «Эталон-Профит» для испытаний по ГОСТ 4647-2015

Для испытаний пластмасс по методу Шарпи предназначены настольные маятниковые копры РКМ-К 5/50. Линейка перекрывает диапазон от малых энергий разрушения до испытаний более прочных пластмасс и композиционных материалов. Возможность использовать сменные маятники позволяет подобрать рабочий диапазон под конкретный материал, а не проводить все испытания одним маятником максимальной энергии.

Серия РКМ-К внесена в Государственный реестр средств измерений РФ под № 83544-21. Срок действия утверждения типа продлен до 2031 года — подробнее об этом в новости о продлении утверждения типа маятниковых копров РКМ-К.

Для более широкого понимания возможностей оборудования полезен также материал об испытаниях пластмасс и применяемом испытательном оборудовании.

Специалисты ООО «Эталон-Профит» помогут подобрать маятниковый копер РКМ-К, необходимый набор маятников и комплектацию с учетом материала, размеров образцов и предполагаемого диапазона энергии разрушения.