ГОСТ 9550-81 — модуль упругости пластмасс при растяжении, сжатии и изгибе

ГОСТ 9550-81 «Пластмассы. Методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе» устанавливает три метода определения модуля упругости пластмасс. Стандарт не распространяется на ячеистые пластмассы и пленки.

Модуль упругости характеризует жесткость материала в области упругих деформаций. По ГОСТ 9550-81 его определяют не по одной точке диаграммы, а по отношению приращения напряжения к соответствующему приращению деформации. Общий принцип для трех методов одинаков, однако схема нагружения, оснастка и способ измерения деформации отличаются.

Что показывает модуль упругости

Чем выше модуль упругости, тем меньше материал деформируется при одинаковом уровне напряжения в упругой области. При этом модуль упругости и прочность — разные характеристики. Жесткий пластик с высоким модулем может разрушаться при небольшой деформации, а материал с меньшим модулем — значительно деформироваться до разрушения. Поэтому результаты определения модуля следует оценивать вместе с другими механическими характеристиками материала.

ГОСТ 9550-81 в обычном случае использует для расчета участок между относительными деформациями 0,1 и 0,3 %. Именно на этом небольшом участке особенно важна точность измерения перемещения образца.

Растяжение, сжатие и изгиб — три разных метода

Полученные при разных схемах значения нельзя автоматически считать взаимозаменяемыми. При растяжении образец удлиняется вдоль своей продольной оси. При сжатии уменьшается его высота или расстояние между точками измерительной базы. При изгибе напряженно-деформированное состояние сложнее: одна сторона образца растягивается, противоположная сжимается, а для расчета используют деформацию крайних волокон и прогиб.

Поэтому в протоколе корректнее указывать не просто «модуль упругости», а конкретную характеристику: модуль при растяжении, при сжатии или при изгибе.

Образцы и подготовка

Для испытания одной партии материала используют не менее трех образцов. Для анизотропных пластмасс это требование относится к каждому выбранному направлению. Форма и размеры образца зависят от выбранной схемы нагружения.

Сам ГОСТ 9550-81 содержит нормативные ссылки на старые редакции стандартов по растяжению, сжатию, изгибу и кондиционированию. При организации испытаний следует учитывать актуальную нормативную базу: сегодня действуют, в частности, ГОСТ 11262-2017 для растяжения, ГОСТ 4651-2014 для сжатия, ГОСТ 4648-2014 для статического изгиба и ГОСТ 12423-2013 для кондиционирования образцов.

Перед испытанием измеряют рабочие размеры образца. Поскольку геометрические параметры входят в расчет напряжения и модуля, ошибка измерения размеров непосредственно влияет на конечный результат.

Оборудование для определения модуля упругости

Основное оборудование — универсальная испытательная машина, обеспечивающая плавное нагружение с установленной скоростью и регистрацию силы. Но для определения модуля недостаточно только измерять нагрузку. Ключевая задача при определении модуля — точно измерить небольшое изменение размеров образца на расчетном участке. Поэтому требования к системе измерения деформации здесь особенно высоки. В зависимости от метода используют:

• экстензометр или другой измеритель продольной деформации;
• прибор для измерения изменения высоты или базы при сжатии;
• систему измерения прогиба при изгибе;
• соответствующие захваты, плиты или изгибную оснастку.

Особенно важен правильный выбор диапазона измерения силы и разрешающей способности системы измерения деформации.

Почему перемещение траверсы не всегда достаточно

Перемещение подвижной траверсы складывается не только из деформации образца. В него могут входить деформации рамы испытательной машины, захватов, соединений и другой оснастки.

При определении больших деформаций такой вклад иногда невелик относительно общего перемещения. Но модуль рассчитывают на очень небольшом участке, поэтому собственная податливость испытательной системы способна заметно изменить результат.

Для точного определения модуля предпочтительно измерять деформацию непосредственно на образце либо использовать измерительную систему с корректно учтенным влиянием машины и оснастки.

Модуль упругости при растяжении

Образец устанавливают в захваты соосно направлению приложения нагрузки. После закрепления настраивают прибор для измерения удлинения. ГОСТ 9550-81 предусматривает скорость деформации (1,0 ± 0,5) % в минуту. Нагружение обычно проводят до относительного удлинения 0,5 %, а для расчета модуля определяют значения нагрузки при удлинениях 0,1 и 0,3 %. Здесь особенно важны:

• отсутствие проскальзывания в захватах;
• соосность образца;
• надежная установка экстензометра;
• достаточная точность измерения малого удлинения.

Даже небольшое смещение образца в захватах может исказить начальный участок диаграммы.

Модуль упругости при сжатии

Образец устанавливают между опорными площадками так, чтобы направление действия силы совпадало с его продольной осью. Деформацию можно определять по изменению расстояния между площадками либо непосредственно по изменению измерительной базы на образце. Для прибора измерения деформации при сжатии ГОСТ устанавливает погрешность не более 0,002 мм. Скорость деформации также составляет (1,0 ± 0,5) % в минуту, а нагружение обычно продолжают до 0,5 % относительной деформации. Расчет ведут по значениям, соответствующим 0,1 и 0,3 %.

На результат особенно влияют параллельность плит, соосность образца и точность измерения изменения его высоты.

Модуль упругости при изгибе

Здесь ГОСТ 9550-81 предусматривает сразу две схемы:

• метод А — трехточечный изгиб;
• метод Б — четырехточечный изгиб.

При трехточечном изгибе образец нагружают одним наконечником посередине между опорами. При четырехточечной схеме нагрузка передается двумя наконечниками, расположенными в средней трети пролета. Выбор метода устанавливается нормативной документацией на конкретную продукцию.

Образец нагружают со скоростью, соответствующей деформации крайних волокон (1,0 ± 0,5) % в минуту, обычно до 0,5 %. Для определения модуля используют значения нагрузки и прогиба, соответствующие деформациям 0,1 и 0,3 %. Для этого метода особенно критичны:

• толщина образца;
• расстояние между опорами;
• положение нагружающих наконечников;
• измерение прогиба.

Ошибка в геометрии изгибной схемы непосредственно переходит в расчетный результат.

Почему точность измерения деформации здесь особенно важна

При испытании на прочность основной интерес часто представляет максимальная нагрузка. При определении модуля упругости ситуация другая: измерение проводится в начале диаграммы, где абсолютные перемещения очень малы. Поэтому на результат могут заметно влиять:

• разрешение измерителя деформации;
• неправильная установка экстензометра;
• люфт оснастки;
• проскальзывание образца;
• податливость испытательной машины;
• перекос при сжатии;
• неправильная установка опор при изгибе.

Если вместо деформации самого образца фактически измеряется перемещение всей силовой цепи, полученный результат может характеризовать уже не только материал, но и испытательную систему.

Как проходит испытание

1. Выбирают метод — растяжение, сжатие или изгиб.
2. Подготавливают и кондиционируют не менее трех образцов.
3. Измеряют размеры рабочей части.
4. Устанавливают необходимые захваты, плиты или изгибную оснастку.
5. Настраивают прибор измерения деформации или прогиба.
6. Устанавливают образец без перекоса.
7. Задают требуемую скорость деформации.
8. Нагружают образец и регистрируют силу и деформацию.
9. Определяют значения на расчетном участке и рассчитывают модуль.
10. Оформляют протокол испытания.

За результат принимают среднее арифметическое параллельных определений; стандарт также предусматривает оценку разброса результатов.

Когда результат стоит проверить

Поводом для проверки являются скачок или выраженная нелинейность в начале диаграммы, проскальзывание образца, перекос при сжатии, нестабильный контакт опор или люфт изгибной оснастки. Такие признаки могут быть связаны не со свойствами материала, а с установкой образца, выбором датчика, способом измерения перемещения или податливостью испытательной системы.

Поэтому при необычном значении модуля полезно проверить всю измерительную цепочку, а не только повторить испытание на новом образце.

Практические рекомендации

• Подбирайте датчик силы под рабочую нагрузку, а не только под максимальную силу машины.
• Для определения модуля предпочтительно измерять деформацию непосредственно на образце.
• Не смешивайте результаты растяжения, сжатия и изгиба.
• Для анизотропных пластмасс фиксируйте направление вырезки.
• При сжатии контролируйте соосность образца и параллельность плит.
• При изгибе точно устанавливайте расстояние между опорами и нагружающими элементами.
• Сравнивайте материалы при одинаковой схеме нагружения и условиях подготовки.

Часто задаваемые вопросы

Что определяет ГОСТ 9550-81? Модуль упругости пластмасс при растяжении, сжатии и изгибе.

Распространяется ли стандарт на полимерные пленки? Нет. ГОСТ 9550-81 не распространяется на пленки и ячеистые пластмассы.

Почему для модуля важен экстензометр? Потому что расчет выполняют по небольшому приращению деформации. Измерение непосредственно на образце уменьшает влияние перемещений испытательной машины и оснастки.

Можно ли напрямую сравнивать модуль при растяжении и изгибе? Такие значения не следует автоматически считать эквивалентными: они получены при разных схемах напряженно-деформированного состояния.

Подбор оборудования по ГОСТ 9550-81

Для определения модуля упругости необходимы универсальная испытательная машина, подходящий датчик силы, оснастка для выбранного метода и система измерения деформации.

Для растяжения применяют захваты и измеритель продольной деформации; для сжатия — опорные плиты и средство контроля изменения высоты или базы; для изгиба — трех- или четырехточечную оснастку и систему измерения прогиба.

Специалисты ООО «Эталон-Профит» помогут подобрать испытательную машину РКМ, РКМ svo, НИМ или X-PRO, экстензометр и необходимую оснастку для определения модуля упругости пластмасс по ГОСТ 9550-81.