Ударная вязкость пластмасс

Ударная вязкость — важная механическая характеристика пластмасс и полимерных материалов, позволяющая оценить их способность сопротивляться разрушению при кратковременной ударной нагрузке. Материал, показывающий высокую прочность при растяжении или изгибе, не обязательно обладает высокой стойкостью к ударному воздействию. Поэтому испытания пластмасс на ударную вязкость применяются при разработке новых материалов, входном контроле, сравнении различных марок и партий сырья, а также при контроле качества готовой продукции. Наиболее распространенными методами определения ударной вязкости пластмасс являются испытания по Шарпи и Изоду. В обоих случаях образец разрушается ударом маятника, однако способы его установки и схемы нагружения существенно различаются.

Что показывает ударная вязкость пластмасс

Во время испытания маятник копра поднимают в исходное положение, после чего он совершает свободное движение и наносит удар по образцу. Часть первоначальной потенциальной энергии маятника расходуется на деформирование и разрушение образца. По изменению энергии маятника определяется работа, затраченная на разрушение, а затем рассчитываются соответствующие характеристики материала. Испытания на ударную вязкость позволяют оценивать:

• сопротивление пластмассы ударному разрушению;
• склонность материала к хрупкому или более вязкому поведению;
• различия между отдельными марками и партиями пластмасс;
• влияние наполнителей и модифицирующих добавок;
• влияние температуры и условий эксплуатации;
• чувствительность материала к концентраторам напряжений.

Ударные испытания особенно важны для пластмассовых деталей и изделий, которые при эксплуатации могут подвергаться падениям, ударам, столкновениям и другим кратковременным динамическим воздействиям.

Ударная вязкость и прочность при растяжении — в чем разница

Испытание на растяжение и определение ударной вязкости характеризуют разные стороны механического поведения пластмассы. При испытании пластмасс на растяжение нагрузка увеличивается контролируемо и сравнительно плавно. Испытательная машина регистрирует усилие, перемещение и деформацию образца. При ударном испытании воздействие происходит за короткий промежуток времени и характеризуется высокой скоростью нагружения. Поэтому один и тот же материал может обладать высокой прочностью при статическом или квазистатическом растяжении и одновременно быть чувствительным к ударному разрушению. Для комплексной оценки пластмассы результаты ударных испытаний целесообразно рассматривать совместно с характеристиками прочности, деформации, модуля упругости и другими механическими показателями.

Испытание пластмасс на ударную вязкость по Шарпи

Определение ударной вязкости пластмасс по методу Шарпи проводят в соответствии с ГОСТ 4647-2015 «Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Шарпи». Стандарт предусматривает испытания пластмасс на образцах с надрезом и без надреза. При испытании по Шарпи образец располагают горизонтально на двух опорах. Маятник наносит удар в установленной точке между опорами. При использовании образца с надрезом его положение относительно направления удара определяется требованиями применяемой методики. По результатам испытания определяют работу разрушения и рассчитывают ударную вязкость пластмассы. Схема Шарпи позволяет оценивать поведение материала при двухопорном ударном изгибе и широко применяется при контроле конструкционных пластмасс и полимерных композитов.

Испытание пластмасс на ударную вязкость по Изоду

Метод Изода установлен ГОСТ 19109-2017 «Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Изоду». Главное отличие от метода Шарпи заключается в способе установки образца. При испытании по Изоду образец закрепляется консольно: один его конец фиксируется в зажиме копра, а по свободной части наносится удар маятником. Стандарт предусматривает применение различных типов образцов и надрезов в зависимости от испытываемого материала и условий проведения испытания. Метод Изода применяется для жестких термопластов, реактопластов, наполненных и армированных полимерных материалов, листовых материалов и ряда полимерных композитов.

Шарпи и Изод: основные различия

Методы Шарпи и Изода предназначены для исследования сопротивления материала ударному разрушению, однако условия испытаний различаются.

Также могут различаться геометрия образцов, тип и положение надреза, параметры маятника и способы расчета результатов. Поэтому значения ударной вязкости, полученные по Шарпи и Изоду, не следует рассматривать как взаимозаменяемые. При указании результата необходимо учитывать использованный метод и условия испытания.

Образцы для испытаний пластмасс на ударную вязкость

Качество подготовки образцов существенно влияет на достоверность результатов. Форма и размеры образца устанавливаются применяемым нормативным документом. В зависимости от метода и задачи испытания используют образцы с надрезом или без надреза. Образцы могут быть изготовлены формованием либо получены механической обработкой из листового материала или готового изделия. При подготовке контролируют:

• длину, ширину и толщину образца;
• геометрию надреза;
• глубину надреза;
• радиус вершины надреза;
• качество поверхности;
• отсутствие случайных повреждений;
• условия предварительного кондиционирования.

Зачем нужен надрез на образце

Надрез представляет собой искусственно созданный концентратор напряжений. При ударе напряжения концентрируются в его вершине, благодаря чему создаются воспроизводимые условия для начала разрушения образца. Испытание с надрезом позволяет оценить чувствительность пластмассы к локальным дефектам и концентраторам напряжений. Для ряда полимерных материалов разница между результатами испытаний образцов с надрезом и без надреза может быть значительной. Поэтому геометрия, глубина и качество надреза должны строго соответствовать требованиям используемой методики. При необходимости для подготовки образцов применяется специализированное оборудование для нанесения концентраторов.

Как проводится испытание на маятниковом копре

Для определения ударной вязкости используется маятниковый копер.  Для получения сопоставимых результатов необходимо соблюдать одинаковые условия подготовки образцов, температуру испытания, положение надреза и параметры ударного маятника. Общий порядок испытания включает следующие операции:

1. Определяют применяемый метод — Шарпи или Изод.
2. Подбирают маятник с требуемым запасом потенциальной энергии.
3. Проверяют состояние оборудования и установленной оснастки.
4. Подготавливают образец требуемых размеров.
5. При необходимости наносят надрез.
6. Устанавливают образец на опоры или закрепляют в зажиме.
7. Маятник переводят в исходное положение.
8. Выполняют удар и разрушение образца.
9. Регистрируют работу удара.
10. Рассчитывают ударную вязкость в соответствии с требованиями используемого стандарта.

Как выбрать энергию маятника

Запас потенциальной энергии маятника должен соответствовать ожидаемой энергии разрушения испытываемого материала. Использование маятника со значительно большей энергией, чем требуется для разрушения образца, не является преимуществом и может отрицательно влиять на качество измерения. Одновременно недостаточная энергия маятника может не обеспечить требуемое разрушение образца. Поэтому при выборе маятникового копра учитывают диапазон измерений, характеристики исследуемых пластмасс и требования применяемой нормативной документации. Если в лаборатории испытываются материалы с существенно различающейся ударной прочностью, целесообразно использовать оборудование с возможностью применения сменных маятников различной энергии.

Маятниковые копры серии РКМ-К для испытаний пластмасс

Для испытаний пластмасс на ударную вязкость ООО «Эталон-Профит» производит и поставляет маятниковые копры серии РКМ-К. Для метода Шарпи применяются настольные копры серии РКМ-К 5/50, предназначенные для испытаний пластмасс на двухопорный ударный изгиб. В зависимости от исполнения могут использоваться маятники с различным запасом потенциальной энергии, что позволяет подобрать рабочий диапазон под исследуемый материал. Для определения ударной вязкости пластмасс по методу Изода применяются копры серии РКМ-К 5,5/22, рассчитанные на консольную схему закрепления образца.

Копры серии РКМ-К могут комплектоваться дополнительным оборудованием и средствами регистрации результатов, в том числе программно-техническим комплексом с фирменным программным обеспечением Prof IT-K. Выбор конкретной модификации определяется методом испытаний, необходимым диапазоном энергии и задачами испытательной лаборатории.

На что обратить внимание при выборе маятникового копра

При выборе копра для испытаний пластмасс необходимо учитывать:

• метод испытания — Шарпи или Изод;
• требуемый диапазон энергии;
• виды исследуемых пластмасс;
• форму и размеры образцов;
• испытания с надрезом или без надреза;
• набор сменных маятников;
• конструкцию опор и зажимов;
• способ взведения маятника;
• способ регистрации и обработки результатов;
• требования действующих стандартов;
• необходимость защитного ограждения и дополнительной комплектации.

Правильно подобранный диапазон оборудования особенно важен при работе с пластмассами, поскольку энергия разрушения различных полимерных материалов может значительно отличаться.

Влияние температуры на ударную вязкость пластмасс

Температура оказывает существенное влияние на характер разрушения многих полимерных материалов. При понижении температуры пластмасса может становиться более жесткой и склонной к хрупкому разрушению. При повышении температуры, наоборот, может возрастать способность материала к деформированию. Поэтому при сравнении результатов необходимо учитывать температуру, при которой находился образец перед испытанием и непосредственно в момент проведения испытания. Для оценки свойств материала в заданных условиях эксплуатации могут использоваться предварительное температурное кондиционирование образцов и специализированные системы температурных испытаний. Влияние повышенных и пониженных температур на механические свойства пластмасс будет рассмотрено отдельно в следующей статье данного тематического блока.

Комплексный контроль свойств пластмасс

Ударная вязкость является одной из характеристик, используемых при комплексной оценке полимерных материалов. Дополнительно могут определяться:

• показатель текучести расплава (ПТР);
• прочность пластмасс при растяжении;
• относительное удлинение;
• модуль упругости;
• характеристики при сжатии и изгибе;
• свойства при повышенных и пониженных температурах;
• другие механические и технологические характеристики.

Для определения ПТР применяются экструзионные пластомеры. Квазистатические испытания пластмасс проводят на универсальных испытательных машинах серий РКМ, РКМ SVO, X-PRO и НИМ, комплектуемых соответствующими захватами, приспособлениями и экстензометрами. Для определения ударной вязкости применяются специализированные маятниковые копры серии РКМ-К. Совместное применение различных методов позволяет оценивать как технологические свойства полимерного материала, так и его поведение при статическом и динамическом механическом воздействии.

Заключение

Ударная вязкость характеризует способность пластмассы сопротивляться разрушению при кратковременной динамической нагрузке и является важным показателем при оценке эксплуатационных свойств материала. Для определения ударной вязкости пластмасс широко применяются методы Шарпи и Изода. При методе Шарпи образец располагается на двух опорах, при методе Изода используется консольная схема закрепления. Поэтому результаты, полученные разными методами, необходимо оценивать с учетом применяемого стандарта и условий испытания. Достоверность результата зависит от подготовки образцов, качества надреза, температуры, правильного выбора энергии маятника и технических характеристик оборудования. Для испытаний пластмасс по методам Шарпи и Изода ООО «Эталон-Профит» производит и поставляет маятниковые копры серии РКМ-К, комплектация и диапазон которых подбираются под используемую методику и задачи конкретной испытательной лаборатории.