Испытания пластмасс при повышенных и пониженных температурах

Механические свойства пластмасс заметно зависят от температуры. Материал, который при комнатных условиях обладает достаточной прочностью и пластичностью, при охлаждении может стать более жестким и хрупким, а при нагреве — сильнее деформироваться и раньше терять несущую способность. Поэтому для изделий, работающих на открытом воздухе, в холодильном оборудовании, автомобилях, электротехнической продукции и других условиях с изменяющейся температурой, испытаний только при нормальных условиях часто недостаточно. Температурные испытания позволяют определить, как меняются прочность, относительное удлинение, модуль упругости, деформационные характеристики и характер разрушения пластмассы при заданной температуре. Для этого универсальную испытательную машину дополняют температурной камерой, в которой образец выдерживается и нагружается непосредственно в контролируемой среде.

Почему температура влияет на свойства пластмасс

При охлаждении пластмасса, как правило, становится жестче, а ее способность к значительной деформации может снижаться. При нагреве, напротив, возможно уменьшение жесткости, увеличение деформации и изменение прочности. Степень этих изменений зависит от типа полимера, состава, наполнителей, технологии изготовления и состояния образца. Поэтому два материала с близкими характеристиками при +23 °C при отрицательной или повышенной температуре могут вести себя по-разному. Именно поэтому при выборе пластмассы для работы в заданном климатическом или технологическом диапазоне важно оценивать не только характеристики при нормальной температуре, но и их изменение при охлаждении или нагреве.

Какие испытания проводят при заданной температуре

Наиболее распространенный вариант — испытание пластмасс на растяжение. В зависимости от методики определяют прочность при растяжении, относительное удлинение, напряжение при заданной деформации, модуль упругости и другие характеристики. Температурные камеры могут применяться также при испытаниях на сжатие, изгиб, сдвиг и других видах механического нагружения, если это предусмотрено методикой и конструкцией испытательного комплекса. Системы СКС и СКС-М предназначены именно для совместной работы с испытательными машинами при таких видах испытаний. Для определения свойств пластмасс при растяжении применяются, в частности, ГОСТ 11262-2017 и стандарты серии ISO 527. Действующая ISO 527-1:2019 устанавливает общие принципы определения свойств пластмасс и пластмассовых композитов при растяжении в заданных условиях.

Подготовка образцов

При температурных испытаниях появляется дополнительный этап — термостатирование или криостатирование образца. После установки внутри камеры образец выдерживают при заданной температуре в течение времени, установленного применяемой методикой. Важно учитывать, что достижение требуемой температуры воздуха внутри камеры еще не всегда означает, что сам образец полностью прогрелся или охладился. Поэтому перед началом нагружения необходимо обеспечить требуемое температурное состояние испытываемого материала. При серийных испытаниях следует соблюдать одинаковые условия установки, выдержки и нагружения всех образцов. Это повышает сопоставимость полученных результатов.

Испытания пластмасс при пониженных температурах

При охлаждении пластмасса может становиться менее пластичной и более чувствительной к локальным напряжениям. Для материалов и изделий, работающих зимой, в холодильном оборудовании или холодном климате, изменение механических свойств может иметь существенное значение. Испытание начинают после выхода камеры и образца на установленный температурный режим. Образец нагружают непосредственно внутри температурной камеры, поэтому захваты, тяги и измерительные устройства должны соответствовать температуре испытания и геометрии образца. Для умеренного диапазона отрицательных температур может применяться система температурных испытаний СКС-М производства ООО «Эталон-Профит». Она интегрируется с разрывными и универсальными испытательными машинами и предназначена для криостатирования и термостатирования образцов непосредственно при механических испытаниях. СКС-М выпускается в исполнениях с диапазонами от −30 до +20 °C и от −30 до +100 °C. Охлаждение камеры и образцов осуществляется фреоновой системой по замкнутому контуру, а в исполнении с нагревом применяется электрический нагрев. Такой принцип особенно удобен при проведении повторяющихся серий испытаний в пределах рабочего диапазона системы.

Испытания пластмасс при повышенных температурах

При повышении температуры у пластмасс может снижаться жесткость, увеличиваться деформация и изменяться прочность. Такие испытания актуальны для деталей, работающих рядом с источниками тепла, в автомобильной и электротехнической технике и других нагретых средах. Образец устанавливают в захватах, температурную камеру выводят на требуемый режим, выдерживают образец, после чего начинают механическое нагружение. Температура должна поддерживаться непосредственно в рабочей зоне образца. Для широкого диапазона повышенных и пониженных температур применяются системы температурных испытаний СКС. В линейке «Эталон-Профит» представлены исполнения СКС −80/300 с диапазоном от −80 до +300 °C и СКС −150/350 с диапазоном от −150 до +350 °C. Для охлаждения используется азот, для нагрева — электрические нагревательные элементы.

СКС или СКС-М — что выбрать

Обе системы создают контролируемую температурную среду непосредственно в зоне механического испытания, но отличаются рабочим диапазоном и принципом охлаждения. При выборе следует учитывать не только минимальную и максимальную температуру, но и количество испытаний, размеры рабочей зоны, тип испытательной машины, габариты образцов и требования применяемой методики.

• СКС-М рациональна, когда нижняя температура испытания находится примерно в пределах −30 °C. Фреоновая система охлаждения работает по замкнутому контуру и удобна при многократных повторяющихся испытаниях;
• СКС выбирают, когда требуется более глубокое охлаждение или значительно более широкий температурный диапазон. В зависимости от исполнения система позволяет проводить испытания при температурах до −150 °C при охлаждении и до +350 °C при нагреве.

Испытательная машина и оснастка

Температурная камера создает необходимые условия вокруг образца, а силовое нагружение выполняет универсальная испытательная машина. Для таких задач могут применяться электромеханические испытательные машины серий РКМ, РКМ SVO, X-PRO и НИМ производства ООО «Эталон-Профит». Конкретную модель выбирают по диапазону измерения силы, рабочему ходу, размерам образца и виду испытания. Машины различных серий предназначены для испытаний материалов на растяжение, сжатие и изгиб, а X-PRO предусматривает работу в том числе с температурными камерами и печами.

При комплектации необходимо учитывать размеры температурной камеры относительно рабочего пространства машины, расстояние между колоннами и траверсами, конструкцию захватов и способ ввода тяг внутрь камеры. Для размещения оснастки в температурной зоне могут использоваться специализированные вводные тяги. Если деформация измеряется непосредственно на образце, экстензометр также должен соответствовать температурному режиму испытания. При проектировании системы СКС-М отдельно учитываются совместимость с экстензометрами, материал и размеры вводных тяг, теплоизоляция и защита испытательной машины от образования конденсата.

Как проводится температурное испытание

Сначала на испытательную машину устанавливают необходимые захваты и измерительные устройства, затем закрепляют образец и переводят температурную камеру в рабочую зону. После достижения заданной температуры образец выдерживают необходимое время. Далее выполняют испытание по установленной программе — например, растяжение с заданной скоростью перемещения траверсы. В процессе регистрируют силу, перемещение, деформацию и другие предусмотренные методикой параметры. Если испытания проводят при нескольких температурах, полученные результаты сравнивают между собой и оценивают изменение механических характеристик материала в зависимости от температурного режима.

Что влияет на точность результата

На результат температурных испытаний могут влиять недостаточная выдержка образца, неоднородность температуры в рабочей зоне, изменение режима при открывании камеры, проскальзывание образца в захватах и применение измерительных устройств вне допустимого температурного диапазона. Для сравнения серий образцов необходимо сохранять сопоставимыми форму и размеры образцов, скорость нагружения, положение в захватах и последовательность подготовки. Поэтому температурную камеру, испытательную машину, захваты, тяги и средства измерения следует рассматривать как единый испытательный комплекс. При проектировании систем СКС и СКС-М взаимная совместимость этих компонентов учитывается непосредственно при подборе оборудования.

Температурные испытания в комплексном контроле пластмасс

Температурные испытания дополняют другие методы контроля пластмасс. Показатель текучести расплава (ПТР) характеризует технологические свойства термопласта, испытание на растяжение позволяет оценить прочностные и деформационные характеристики, а испытание на ударную вязкость по Шарпи или Изоду — способность материала сопротивляться динамическому разрушению. Испытания при повышенных и пониженных температурах добавляют еще один важный параметр — стабильность механических свойств при изменении условий окружающей среды. В результате лаборатория получает более полное представление о поведении пластмассы и может оценивать ее пригодность для конкретных условий эксплуатации.

Заключение

Испытания пластмасс при повышенных и пониженных температурах необходимы, когда свойства материала требуется оценить не только при нормальных условиях, но и в реальном диапазоне эксплуатации изделия. Для таких испытаний формируют комплекс из универсальной испытательной машины, температурной камеры, соответствующих захватов и, при необходимости, экстензометра. Системы СКС и СКС-М позволяют создавать заданную температурную среду непосредственно в зоне нагружения, а выбор конкретного исполнения определяется температурным диапазоном, методикой испытания, геометрией образцов и характеристиками испытательной машины.