ИСПЫТАНИЯ НА СТАТИЧЕСКИЙ ИЗГИБ

Прочностью при статическом изгибе называют способность материала сопротивляться действию изгибающей нагрузки до определенного предела, после чего разрушается образец. Сущ­ность метода испытания на статический изгиб при кратковре­менном приложении нагрузки (ГОСТ 4648—71) состоит в опре­делении:

1) разрушающего напряжения в МПа при изгибе, как отно­шения изгибающего момента к моменту сопротивления попереч­ного сечения образца, и прогиб в момент разрушения в мм (для пластмасс, разрушающихся при испытании);

2) изгибающего напряжения в МПа при заданной величине прогиба, равной 1,5 толщины об­разца (для пластмасс, не разру­шающихся при изгибе);

3) максимального напряже­ния в МПа при изгибе для пласт­масс, у которых нагрузка прохо­дит через максимум при заданной величине прогиба или до дости­жения этой величины.

Максимальное напряжение при изгибе определяют в момент достижения первого максимума нагрузки.

Испытание производится на любой испытательной машине (например, разрывной машине типа РПУ-1), позволяющей осу­ществлять испытание на изгиб и производить измерение нагрузки с точностью до 1% от величины измеряемой нагрузки. В конст­рукции испытательной машины должна быть учтена возмож­ность изменять скорость движения подвижной головки машины, а также расстояние между опорами. Середина пролета между опорами должна совпадать с осью наконечника, передающего нагрузку. Радиус наконечника R₁ должен быть равен 5±0,1 мм, а края опор должны иметь закругления радиуса R₂ = 2+0,1 мм (рис. 60).

Испытания на статический изгиб проводят на стандартных образцах, изготовленных из испытуемого материала. Образцы из листов, плит, стержней и других подобных материалов изго­тавливают механической обработкой; образцы из сыпучих тер­мопластов— литьем под давлением; из сыпучих реактопластов — прессованием. Во всех случаях, когда необходимо изготовлять образцы для испытаний прессованием или литьем под давлени­ем, режимы прессования и литья для различных видов пластмасс должны соответствовать установленным стандартам или техническим условиям на данные материалы. Стандартный образец должен иметь следующие размеры в миллиметрах: длина L— не менее 80; ширина b— 10±0,5; толщина h— 4±2. Если невоз­можно изготовить образец с указанными размерами, применяют образцы с соотношением длины и толщины в пределах L≥20h, а ширину образца bвыбирают в зависимости от его толщины:

Техника определения. Перед испытанием замеряют толщину и ширину образцов в средней части с точностью до 0,05 мм и вычисляют площади поперечного сечения. Испытания проводят при комнатной температуре. При проведении испыта­ния брусок широкой стороной свободно укладывают на две опоры (см. рис. 60), расстояние между которыми устанавлива­ют согласно соотношению L= 16h±0,5. К середине образца при­лагают под прямым углом изгибающую силу, создаваемую при­бором. Скорость приложения нагрузки к образцу определяют скоростью движения подвижной головки машины, которая при испытании должна быть 2±0,5 мм/мин. В момент разрушения образца на циферблате прибора фиксируют величину прогиба в миллиметрах (стрела прогиба) и изгибающую нагрузку в ки­лограммах. Испытания проводятся на пяти образцах, из всех определений берут среднее значение.

Изгибающее напряжение в МПа вычисляют по формуле

где М — изгибающий момент, Н·мм; w— момент сопротивления сечения образца, мм³.

Изгибающий момент М вычисляют по формуле

где F— нагрузка, Н; L — расстояние между опорами, мм.

Момент сопротивления образца w (в мм³) вычисляют по формуле

где b— ширина образца, мм; h — толщина образца, мм. Отсюда

Модуль упругости — мера жесткости материала, характери­зующаяся сопротивлением развитию упругих деформаций и рав­ная отношению приращения напряжения к соответствующему приращению относительной деформации. В зависимости от вида напряжения различают модуль упругости при растяжении, сжа­тии и изгибе (ГОСТ 9550—81).

Модуль упругости при изгибе определяют на образцах тех же размеров и используя ту же испытательную машину, что и при

определении изгибающего напряжения. Машина должна обес­печивать скорость сближения нагружающего наконечника н опор, соответствующую скорости деформации образца (1,0± ±0,5) % в минуту, а прогибомер должен обеспечивать измерение с погрешностью не более 0,01 мм. Количество образцов должно быть не менее трех.

Испытания проводят по трехточечной и четырехточечной схе­ме. При нагружении по трехточечной схеме испытуемый обра­зец нагружают наконечником в середине расстояния между опо­рами (рис. 61). Прогиб измеряют в середине расстояния между опорами. Величину прогиба оценивают по величине перемеще­ния подвижной части нагружающего устройства.

При нагружении по четырехточечной схеме испытуемый об­разец нагружают парой наконечников, расположенных в средней трети расстояния между опорами. Величину прогиба определяют в соответствии с рис. 62.

Техника определения. На пробных образцах осущест­вляют установку и настройку прибора, замеряют толщину об­разца и расстояние между опорами. Нагружение осуществляют до величины относительной деформации крайних волокон, рав­ной 0,5%.

Относительную деформацию крайних волокон εвычисляют:

Трехточечную схему

четырехточечную схему  

где z— значение прогиба, мм; h. — толщина образца, мм; L₀— расстояние между опорами, мм.

Графическую запись нагрузки и деформации производят в масштабе: 100—150 мм на диаграмме должно соответствовать 0,4% относительной деформации крайних волокон. По диаграмме определяют значение нагрузки и прогиба, соответствующее зна­чениям относительной деформации крайних волокон 0,1 и 0,3 %.

Модуль упругости при изгибе Е_изг(в МПа) вычисляют для трехточечной схемы

для четырехточечной схемы

где L₀— расстояние между опорами, мм; F₂— нагрузка при от­носительной деформации крайних волокон 0,3%, Н; F₁— нагруз­ка при относительной деформации крайних волокон 0,1 % Н; Ь — ширина образца, мм; h— толщина образца, мм; z₂ — прогиб об­разца, соответствующий относительной деформации крайних во­локон 0,3%, мм; z₁— прогиб образца, соответствующий относи­тельной деформации крайних волокон 0,1%, мм.

ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ

При испытании по ГОСТ 11262—80 проводят растяжение ис­пытуемого образца с установленной скоростью деформирования, при которой определяют следующие показатели.

1. Предел текучести при растяжении σ_рт (МПа) — растяги­вающаяся нагрузка, при которой образец удлиняется без су­щественного увеличения нагрузки. Нагрузку, определяющую пре­дел текучести, измеряют в первый момент роста удлинения или в момент образования на образце «шейки». Для определения на­пряжения растягивающую нагрузку σ_рт относят к площади пер­воначального поперечного сечения образца A₀.

2. Прочность при условном пределе текучести σ_рту (МПа) — отношение растягивающей нагрузки F_ртупри относительном уд­линении 0,2% (условном пределе текучести) к площади перво­начального поперечного сечения образца А₀. Условный предел текучести определяют в тех случаях, когда испытуемый обра­зец не имеет предела текучести.

3. Прочность при разрыве, или разрушающее напряжение при растяжении σ_рр (МПа), — отношение нагрузки F_pp, при которой разрушился образец, к площади первоначального попе­речного сечения образца А₀.

4. Прочность при растяжении σ_рм (МПа) —отношение мак­симальной нагрузки F_рм, которую выдерживает образец при рас­тяжении, к площади первоначального поперечного сечения об­разца А₀.

5. Относительное удлинение при максимальной нагрузке ε_рт в процентах — отношение приращения расчетной длины образ­ца∆h_от, измеренного в момент

достижения максимальной на­грузки F_ртк начальной рас­четной длине образца l₀.

6. Относительное удлинение при разрывеε_pp(%)—отно­шение приращения расчетной длины образца ∆l_ОР, измерен­ного в момент разрыва, к начальной расчетной дли­не l₀.

Испытания можно прово­дить на разрывной машине ти­па РПУ-1 или любой другой, позволяющей измерять величи­ну нагрузки с точностью до 1 % от измеряемой величины. Испытания проводят при ско­рости раздвижения захватов машины, предусмотренной ГОСТом и ТУ на материал.

Образцы для испытания большинства материалов (тер­мореактивные, термопластичные, слоистые) изготавливаются формованием или механиче­ской обработкой специальных заготовок. В зависимости от вида испытаний образцы имеют различную форму и размеры (табл. 12).

Испытания проводят на пяти образцах. Перед испытанием замеряют толщину и ширину образца в его рабочей части и вычисляют площадь поперечного сечения. Измерение ведут не менее чем в трех местах с точностью до 0,01 мм. На образцы наносят необходимые метки в соответствии с табл. 12 и рис. 63.

 Образцы закрепляют в зажимы испытательной машины по мет­кам, определяющим положение кромок зажимов таким образом, чтобы продольные оси зажимов и ось образца совпадали между собой и направлением движения подвижного зажима. Зажимы равномерно затягивают, так чтобы исключалось скольжение образца в процессе испытания, но при этом не происходило его разрушения в месте закрепления.

Предел текучести при растяжении σ_рт, прочность при услов­ном пределе текучести σ_рту, прочность при разрыве σ_рр, проч­ность при растяжении σ_рм (МПа) вычисляют по формулам:

где F_рт— растягивающая нагрузка при достижении предела те­кучести; F_рту — нагрузка при достижении условного предела те­кучести; F_рр — нагрузка, при которой образец разрушился; F_рт— максимальная нагрузка, которую выдерживает образец, в процес­се растяжения; А₀— площадь первоначального поперечного сече­ния образца, мм².

Относительное удлинение, соответствующее пределу текуче­сти ε_рт, и относительное удлинение при разрыве ε_рр (%) вычисля­ют по формулам:

где∆l_от — приращение расчетной длины образца в момент дости­жения предела текучести, мм; ∆l_ор — приращение расчетной дли­ны образца в момент разрыва, мм; l_о — начальная расчетная длина образца, мм.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ

Определение твердости является самым распространенным из механических испытаний пластмасс. Под твердостью подра­зумевают способность материала сопротивляться сосредоточен­ному на его поверхности напряжению. Обычно твердость опре­деляют вдавливанием стального шарика под действием задан­ной нагрузки в поверхность испытуемого образца (ГОСТ 4670 — 77). Твердость оценивают, относя силу, под действием которой вдавливается шарик, к размеру отпечатка, образовавшегося при вдавливании.

Испытание проводят на приборе ТП-1, разработанном Инсти­тутом физики АН СССР для измерения твердости различных видов пластмасс. Испытывают образцы пластмасс в виде брус­ков или пластин, а также изделия из пластмасс. Размеры об­разцов или изделий должны быть достаточными, чтобы можно было определять твердость в нескольких точках поверхности. При этом расстояние между краями отпечатков шарика и края­ми образца должно быть не менее 5 мм. Образцы для испытания могут быть изготовлены формованием или механической обра­боткой. Толщина образцов должна быть в пределах 4 — 10 мм.

При испытании стальной шарик диаметром 5±0,1 мм под усилием 5 Н вдавливается в образец в течение 60 с. Твердость выражают в МПа.

Техника определения. Для испытания берут шесть образцов. На каждом образце делается не менее двух опреде­лений. Испытуемый образец кладут на стол прибора и под дей­ствием предварительного усилия шарик вводят в соприкоснове­ние с поверхностью образца. После этого индикатор, отсчиты­вающий величину вдавливания, устанавливают на нуль. Шарик вдавливают в материал под действием основной силы в течение 30 с, затем отсчитывают глубину отпечатка 1г. Основная сила должна иметь одно из следующих значений: 49, 132, 358, 961 Н. Для выбора основной силы проводят предварительное испыта­ние материала. Под действием одной из указанных сил вдавли­вают шарик в материал в течение 60 с на глубину 0,13 — 0,36 мм. Глубина вдавливания шарика к моменту истечения 60 с должна быть постоянной.

Твердость H, определяемую по глубине вдавливания шарика при заданной основной силе в МПа, вычисляют по формуле

где F— нагрузка на шарик, Н; 5 — диаметр шарика, мм; Н — максимальная глубина вдавливания, мм.

За результат испытания принимают среднее арифметическое пяти определений.

ГЛАВА 12 ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ПЛАСТМАСС

Наиболее важными теплофизическими характеристиками по­лимерных материалов являются тепло- и морозостойкость. Они определяют верхнюю и нижнюю допустимые температуры при­менения того или иного материала. От температурных условий зависят физико-механические свойства полимеров: при высокой температуре полимер переходит в высокоэластичное или вязкотекучее состояние, а при переохлаждении — в стеклообразное. Таким образом, при испытаниях на теплостойкость и морозостой­кость определяют температуру перехода полимерного материала из высокоэластического состояния в вязкотекучее и стеклообразное.

Для испытания теплостойкости чаще используют методы Мартенса и Вика. Этими методами теплостойкость определяют как способность полимерного материала противостоять механи­ческим воздействиям при повышенных температурах.

ТЕПЛОСТОЙКОСТЬ ПО МАРТЕНСУ

Сущность способа по ГОСТ 21341—75 состоит в том, что испытуемый образец подвергается действию изгибающего уси­лия 5 МПа при постепенном и медленном нагревании. Темпера­туру при которой испытуемый образец согнется на определен­ную 'величину (6 мм по шкале прибора) или сломается, фикси­руют как теплостойкость данного материала. Теплостойкость по Мартенсу показывает, при какой максимальной температуре мо­гут эксплуатироваться изделия, выполненные из испытуемого материала, без существенного изменения их физико-механиче­ских свойств.

Образцы для испытаний на теплостойкость имеют форму и размеры стандартных брусков (120±2) X (15±0,2) X (Ю± ±0,2) мм, которые изготавливают формованием или механиче­ской обработкой.

Техника определения. Определение теплостойкости производится в аппарате Мартенса, схема которого приведена на рис. 64. Стандартный брусок 7 закрепляют строго вертикаль­но нижним концом в зажиме 8, а верхним концом в зажиме Ь. Верхний конец имеет рычаг 4, на который надет груз 3, пере­двигающийся по рычагу. Перед испытанием груз устанавливают так чтобы образец испытывал изгибающее напряжение, равное 5 МПа. Расстояние l₁(см) от оси испытуемого образца, укреп­ленного на приборе, до центра тяжести подвижного груза 3 для создания необходимого изгибающего напряжения в 5 МПа определяют по формуле

где σ— заданное напряжение изгиба, равное 5 МПа; m — масса рычага без подвижного груза; т₁— масса подвижного груза; m₂—масса указателя деформации;l — расстояние от оси образца до центра тяжести подвижного груза;l₂ —расстояние от оси образца до точки опоры указате­ля; b— ширина образца; h— толщина образца.

Для приборов, снабженных автоматической сигнализацией, величины m₂ и l₂ не учитываются, так как указатель деформации заменен контактной пластинкой. Нагревательный шкаф 5, в ко­тором устанавливается прибор Мартенса, обогревается с таким расчетом, чтобы температура повышалась равномерно со ско­ростью не более 50°С в 1 ч.

Под действием температуры и груза 3 брусок изгибается, и рычаг 4 с указателем / начинает постепенно опускаться. Темпе­ратура, при которой указатель / опустится на 6 мм по шкале 2 или образец разрушится, фиксируется как температура, харак­теризующая теплостойкость материала по Мартенсу. Испытания проводят на трех образцах и выводят средний температурный показатель.