Ананьева Е.С., Ананьин С.В. Методы испытаний полимерных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. И.И. ПОЛЗУНОВА»

Е. С. Ананьева, С.В. Ананьин

Учебно-методическое пособие

Методы испытаний полимерных материалов

Барнаул 2007

УДК 620

Ананьева Е. С., Ананьин С.В. Методы испытаний полимерных материалов.

Учебно-методическое пособие для практических занятий и самостоятельной

работы студентов по курсам «Механика композиционных материалов» и

«Полимерные материалы» для студентов специальности 12.10

«Конструирование и производство изделий из композиционных материалов»/

Е.С. Ананьева; Алт. гос. техн. ун-т им.

И. И. Ползунова. – Барнаул: Изд – во

АлтГТУ, 2007. – 50 с.

Рассмотрены основные методы исследования механических,

теплофизических, оптических, электрических свойств полимерных материалов.

Подробно охарактеризованы особенности поведения материалов в зависимости

от структурной организации, применяемые приборы и приспособления в

соответствии с международными стандартами.

Рекомендовано студентам дневной формы обучения специальности

«Конструирование и производство

изделий из композиционных материалов» и

«Динамика прочности машин», а также студентам любой формы обучения,

занимающихся изучением свойств полимерных материалов.

Рассмотрено и

одобрено на заседании кафедры

физики и технологии

композиционных материалов.

Протокол № 5 от 10.11.2007 г.

Содержание

1 Механические испытания

1.1 Прочность, деформация и модуль упругости при растяжении ISO R527 (DIN

53455, DIN 53457, ASTM D638M

1.2 Прочность и модуль упругости при изгибе ISO 178 (DIN 53452, ASTM

D790)

1.3 Испытания на износостойкость на машине Табера ISO 3537 {DIN 52347.

ASTM D1044)

1.4 Сравнение методов ISO (Международной организации по стандартизации) и

ASTM (Американского общества по испытанию материалов)

2 Испытания на твердость

2.1 Сравнение твердостей по Бринеллю, Роквеллу и Шору

2.2 Твердость

по Бринеллю ISO 2039-1 (DIN 53456)

2.3 Твердость по Роквеллу ISO 2039-2

2.4 Твердость по Шору ISO 868 (DIN 53505, ASTM D2240)

3 Испытания на прочность при ударе

3.1 Понятие прочности при ударе

3.2 Интерпретация результатов испытаний на удар - сравнение методов ISO и

AST

3.3 Ударная прочность по Изоду ISO 180 (ASTM D256

3.4 Ударная прочность по Шарпи ISO 179 (ASTM D256)

4 Тепловые испытания

4.1 Теплостойкость по Вика ISO 306 (DIN 53460, ASTM D1525)

4.2 Деформационная теплостойкость и деформационная теплостойкость под

нагрузкой

ISO 75 (DIN 53461, ASTM D648)

4.3 Деформационная теплостойкость (HDT) и аморфные и

полукристаллические пластики

4.4 Вдавливание шарика ЕС335-1

4.5 Теплопроводность ASTM C177

4.6 Относительный теплопроводный индекс, RTI UL 746В

4.7 Коэффициент линейного теплового расширения ASTM D696, DIN 53752

5. Испытания на воспламеняемость

5.1 Общие сведения о воспламеняемости по стандарту UL94

5.2 Краткое описание классификационных категорий стандарта UL94

5.3 Категория UL94HB

5.4 Категория UL94V0, V1, V2

5.5 Категория UL94-5V

5.6 Индекс воспламеняемости при ограниченном содержании кислорода ISO

4589 (ASTM D 2863)

5.7 Испытания раскаленной

проволокой IEC 695-2-1

5.8 Испытания игольчатым пламенем IEC 695-2-2

6 Электрические испытания

6.1 Электрическая прочность диэлектрика IEC 243-1

6.2 Поверхностное удельное сопротивление IEC 93 (ASTM D257)

6.3 Объемное удельное сопротивление IEC 93 (ASTM D257)

6.4 Относительная диэлектрическая постоянная IEC 250

6.5 Коэффициент рассеяния IEC 250

6.6 Дугостойкость ASTM D495

6.7 Сравнительный индекс тренинга (Сравнительный индекс пробоя) IEC112

6.8 Испытания CTI

6.9 Испытания CTI-M

6.10 Категории PLC UL746A

7 Оптические испытания

7.1 Мутность и светопропускание (ASTM D1003)

7.2 Глянец (DIN 67530, ASTM D523)

7.3 Мутность и глянец

7.4 Коэффициент преломления DIN 53491, ASTMD542

8 Физические испытания

8.1 Плотность ISO 1183 (DIN 53479, ASTM D792)

8.2 Водопоглощение ISO 62 (ASTM D570)

9 Реологические испытания

9.1 Усадка при формовании ISO 2577 (ASTM D955)

9.2 Скорость течения расплава/Индекс расплава ISO 1133 (DIN 53735, ASTM D

1238)

9.3 Объемный расход расплава/Объемный индекс расплава ISO 1133 (DIN

53735, ASTM D 1238)

9.4 Вязкость расплава DIN 54811

9.5 Практическое применение характеристик MV, MFR/MFI, MVI в

производстве

1 Механические испытания

1.1 Прочность, деформация и модуль упругости при растяжении ISO R527

(DIN 53455, DIN 53457, ASTM D638M)

Основой для понимания свойств материала являются сведения о том, как

материал реагирует на любую нагрузку. Зная величину деформации,

создаваемой данной нагрузкой (напряжением), конструктор может предсказать

реакцию конкретного изделия на его рабочие условия. Зависимость

напряжений и деформаций при растяжении являются наиболее широко

публикуемыми механическими свойствами для сравнения материалов или

конструирования конкретных изделий.

Рисунок 1 -Универсальный образец для испытаний ISO R527

Скорости при испытаниях:

 Скорость А - 1 мм/мин - модуль растяжения.

 Скорость В - 5 мм/мин - диаграмма напряжений при растяжении для смол со

стекловолоконным наполнителем.

 Скорость С - 50 мм/мин - диаграмма напряжений при растяжении для смол

без наполнителя.

Зависимости напряжения-деформации при растяжении определяют

следующим образом. Образец, имеющий форму двойной лопатки, растягивают

с постоянной скоростью и регистрируют приложенную нагрузку и удлинение.

После этого вычисляют напряжения и деформации:

Рисунок 2- Лабораторная установка для проведения механических

испытаний

 Напряжение – отношение нагрузки к единице площади исходного

поперечного сечения, МПа

;

 Относительная деформация – отношение удлинения к исходной длине,

%100

⋅

−

Другими механическими свойствами, определяемыми по зависимости

напряжения деформации, являются:

• Модуль – отношение напряжения к деформации, МПа;

• Предел текучести – максимальное напряжение начала пластического

течения материала, МПа;

• Предел прочности – напряжение при разрушении, МПа;

• Разрушающая деформация – деформация при разрушении или

максимальное относительное удлинение, %;

Рисунок 3- Диаграмма напряжений – А - предел пропорциональност; В -

предел текучести; С - предел прочности; X - разрушение; 0-А - область предела

текучести, упругие свойства; после А - пластичные свойства.

1.2 Прочность и модуль упругости при изгибе ISO 178 (DIN 53452, ASTM

D790)

Прочность на изгиб является мерой, показывающей, насколько хорошо

материал сопротивляется изгибу, или "какова жесткость материала". В отличие

от нагрузки при растяжении, при испытаниях на изгиб все силы действуют в

одном направлении. Обыкновенный, свободно опертый стержень нагружается в

середине пролета: тем самым создается трехточечное нагружение.

Рисунок 4- Схема трехточечного нагружения

На стандартной машине для испытаний нагружающий наконечник давит на

образец с постоянной скоростью 2 мм/мин.

⋅

где P – разрушающая или максимальная нагрузка; l

– расстояние между

опорами; b – ширина образца; h – толщина образца.

Для вычисления модуля упругости при изгибе по зарегистрированным

данным строится кривая зависимости прогиба от нагрузки. Начиная от

исходной линейной части кривой, используют минимум пять значений

нагрузки и прогиба.

Модуль упругости при изгибе (отношение напряжения к деформации)

наиболее часто упоминают при ссылке на упругие свойства. Модуль упругости

при изгибе эквивалентен наклону линии, касательной к кривой

напряжения/деформации, в той части этой кривой, где пластик еще не

деформировался.

)(4

)(

VVhb

lPP

−⋅⋅⋅

⋅−

где P

– нагрузка при величине прогиба 0,0025l; P

– нагрузка при

величине прогиба 0,0075l; P

– P

– приращение нагрузки при увеличении

прогиба на 0,005l; b – ширина образца; h – толщина образца; V

– V

= 0,0075l –

0,0025l = 0,005l

Значения напряжений и модуля упругости при изгибе измеряются в МПа.

Рисунок 5 - Современная машина для испытания на изгиб

1.3 Испытания на износостойкость на машине Табера ISO 3537 {DIN 52347.

ASTM D1044)

При этих испытаниях измеряют величину потерь на истирание

посредством абразивного истирания образца на машине Табера. Образец

закрепляют на диске, вращающемся с частотой 60 об/мин. Силы, создаваемые

грузами, прижимают абразивные круги к образцу. После заданного числа

циклов испытания прекращают. Массу потерь на истирание определяют как

массу частиц, которые были удалены с образца: эту массу выражают в мг/1000

циклов. Абразивные круги фактически представляют собой точильные камни в

форме круга. Используются различные типы этих кругов.

Рисунок 6 - Испытания на износостойкость на машине Табера

1.4 Сравнение методов ISO (Международной организации по

стандартизации) и ASTM (Американского общества по испытанию

материалов)

Применение метода по стандарту ISO не только изменяет условия

испытаний и размеры испытательной оправки (по сравнению с методом

ASTM), но также требует стандартизованных конструкций пресс-формы и

условий формования в соответствии со стандартом ISO 294. Это может

привести к различиям в публикуемых значениях - не из-за изменения свойств

материала, а из-за изменения метода испытаний. По методу ASTM образец для

испытаний имеет толщину 3 мм, тогда как ISO выбрала образцы толщиной 4

мм.

2 Испытания на твердость

2.1 Сравнение твердостей по Бринеллю, Роквеллу и Шору

Испытание по Роквеллу определяет твердость пластиков после упругого

восстановления деформации образца при испытании. В этом заключается

отличие этого метода от испытаний на твердость по Бринеллю и Шору: при

этих испытаниях твердость определяют по глубине проникновения под

нагрузкой и, следовательно, исключают любое упругое восстановление

деформации материала. Поэтому значения по Роквеллу не могут быть

непосредственно соотнесены со значениями твердости по Бринеллю или Шору.

Диапазоны значений по шкалам А и D Шора могут быть сравнены с

диапазонами значений твердости по отпечаткам, полученным по методу

Бринелля. Однако линейной корреляции нет.

Рисунок 7 - Соотношение шкал твердости

2.2 Твердость по Бринеллю ISO 2039-1 (DIN 53456)

Полированный закаленный стальной шарик диаметром 5 мм вдавливают

в поверхность испытуемого образца (толщиной не менее 4 мм) с усилием 358

Н. Через 30 с после приложения нагрузки измеряют глубину отпечатка.

Твердость по Бринеллю (Н 358/30) равна отношению приложенной нагрузки к

площади поверхности отпечатка. Результат выражают в Н/мм