Ударная вязкость

Ударная вязкость – показатель, характеризующий сопротивление полимеров ударным нагрузкам. Оценивается она работой на разрушение при ударе и отнесённой к единице поверхности. Зависит ударная вязкость от природы материала, скорости нагружения, температуры.

Определение величины ударной вязкости стандартизовано.

Метод определения ударной вязкости испытанием на двухопорный ударный изгиб (ГОСТ 4647) заключается в разрушении установленного горизонтально на двух опорах образца, резким ударом поперёк образца (рис. 10). Такой метод часто называют методом Шарпи, а полученные значения – ударной вязкостью по Шарпи. Образцы для испытаний имеют прямоугольную форму с размерами 10х15х120 мм или 4х6х50х мм. В случае испытаний материалов с высокой пластичностью ударную вязкость определяют на образцах таких же размеров с надрезом прямоугольной формы, сделанным примерно на 1/3 его поперечного сечения. Испытания проводятся на маятниковом копре (рис. 11).

Молотообразный груз маятника определённой массы в свободном падении ударяет своим ножом по образцу, разрушает его и по инерции продолжает движение, взлетая на какую-то высоту. Эта высота измеряется и по величине затраченной на разрушение образца энергии вычисляется работа разрушения. Эта работа, выраженная в кДж/м², служит показателем величины ударной вязкости.

Метод испытаний на ударную вязкость по Шарпи имеет свои достоинства и недостатки. Он удобен для хрупких материалов, но ударопрочные термопласты при испытаниях зачастую не разрушаются, а протаскиваются грузом сквозь опоры. Этот недостаток в меньшей мере присущ методу определения ударной вязкости по Изоду. ГОСТ 19109 именует этот способ «Метод испытания на ударный изгиб консольно-закреплённого образца по Изоду». Здесь изменена схема закрепления образца, форма ножа маятника, размеры образца, форма надреза образца. На рис. 12 приведена схема определения ударной вязкости по Изоду. Измерение ударной вязкости проводится аналогично методу Шарпи. Результаты измерений ударной вязкости по методам Шарпи и Изода несколько расходятся между собой по значениям, но коррелируются по порядку. В таблице 4 приведены значения ударных вязкостей некоторых материалов, полученные по обеим методам.

Помимо двух рассмотренных стандартизован (ГОСТ 14235) ещё один – метод определения ударной вязкости на приборе типа Динстат. Он, в принципе, мало отличается от метода Изода, но использует образцы меньшего размера, которые можно изготовить механическими способами из листовых пластмасс.

1.2.5. Твёрдость

Твёрдость – сопротивление поверхностных слоёв материала местным деформациям. Под твёрдостью пластмасс обычно понимают их способность сопротивляться внедрению других тел (контртел). От ударной вязкости, с которой она имеет некоторое внешнее сходство, твёрдость отличается тем, что выражает сопротивление материала не быстрому удару, а медленному внедрению в него контртела. Оценивается твёрдость величиной сопротивления вдавливанию в поверхность пластика контртела (индентора) из более твёрдого материала.

 

Таблица 4. Значения ударной вязкости по Шарпи и Изоду

Полимер	Ударная вязкость, кДж/м2
по Шарпи	по Изоду
Полистирол	1,4 – 2,0	1,5 – 2,0
Поливинилхлорид	2 – 10	2,0 - 16
Полиметилметакрилат		2,0 – 3,0
Ударопрочный полистирол	5 - 35	3,0 – 4,5
Полиамид 6	5 - 10	5,5 - 16
ПЭНД	До 150	До 108
Полипропилен	33 – 80	До 100
Стеклопластик на основе феноло-формальдегидной смолы		До 150

Имеется три группы методов определения твёрдости:

- методы, в которых определяется сопротивление материала внедрению индентора;

- методы склерометрии, в которых измеряется сопротивление материала царапанию острым наконечником из другого материала;

- методы, в которых измеряется упругое восстановление материала или коэффициент отскока.

Известны и методы определения твердости, являющиеся комбинацией методов разных групп.

Методы, в которых измеряется глубина внедрения индентора под действием нагрузки в упругие тела, которыми являются пластмассы, фактически дают значения модуля упругости. Но величина этого модуля, как и другие показатели механических свойств полимеров, не являются константами, характеризующими материал. Все они зависят от условий испытаний. Попытками максимально освободиться от таких влияний, приблизить показатель твёрдости к некоей объективной характеристике, объясняется создание большого числа методик определения.

На практике наиболее широко используются несколько методов определения твёрдости, использующих общую схему испытаний, но различающихся формой используемых инденторов, продолжительностью приложения нагрузок и их величинам. В большинстве стран Европы и в США в поверхность материала вдавливается шарик (твёрдость по Бринеллю и твёрдость по Роквелу) или четырёхгранная пирамида (метод Виккерса). При экспресс-испытаниях используется метод Шора с индентором в виде затуплённой иглы (усечённого конуса). В России стандартизованы два метода: метод Бринелля и метод Роквела, но каждый из них имеет варианты, специализированные для определённых типов материалов.

ГОСТ 4670 стандартизует метод определения твёрдости пластмасс и эбонита вдавливанием шарика под действием заданной нагрузкой. Сущность метода заключается во вдавливании стального шарика диаметром 5 мм под действием заданной нагрузки в поверхность испытуемого образца. Нагрузка выбирается из предписаных стандартом величин такой, чтобы обеспечить глубину внедрения шарика на 0,15 – 0,35 мм. Нагрузка прикладывается плавно в течение 2 – 3 с и после её достижения выдерживается в течение 30 с. Через 30 с измеряется глубина внедрения шарика в материал. Значение твёрдости в МПа рассчитывается как частное от деления приложенной к шарику нагрузки на величину сферической поверхности отпечатка за установленный период приложения нагрузки:

H = ,

Где: p – нагрузка на шарик, Н

d – диаметр шарика, мм

h – глубина внедрения шарика, мм

0,21 и 0,04 – коэффициенты приведения нагрузки к глубине внедрения 0,25 мм.

Другой из стандартизованных методов определения твёрдости по Бринеллю (ГОСТ 13323) устанавливает не величину нагрузки, а фиксированное значение глубины вдавливания шарика (0,3 мм). Тем самым удается избежать получения для одного материала нескольких значений твёрдости при использовании разных нагрузок.

Твёрдость по Роквеллу определяется по изменению глубины внедрения за цикл: приложение предварительной нагрузки – приложение основной нагрузки – снятие основной нагрузки – выдержка под предварительной нагрузкой – измерение глубины отпечатка.

В методе стандарта ASTM D 785 критерием служит высота упругого отскока стального шарика, падающего на материал с определённой высоты, Чем больше величина упругого отскока, тем выше условная твёрдость материала.

Результаты испытаний разными методами различаются между собой не только величиной показателей. Они даже не всегда одинаково располагают материалы по возрастанию или убыванию их твёрдости. Поэтому сравнительная оценка твёрдости разных веществ должна производиться только по результатам, полученным каким-то одним способом.