Стандартные методы механических испытаний электро­изоляционных материалов

В задачу стандартных основных механических испытаний электроизо­ля­ционных материалов входит определение предела прочности при растяже­нии _р, сжатии _с, изгибе _и, удельной ударной вязкости _у и твердости Т.

Определение прочности при растяжении и сжатии

Если к образцу с поперечным сечением S приложить плавно возрас­таю­щую нагрузку Р, то напряжение в материале будет возрастать до опреде­лен­ной величины.

Дальнейшее увеличение нагрузки при­водит к разрушению образца. Ве­личину прочности _р в этом случае определяют как отношение предельного значения нагрузки Р_р (кГ), при которой произошел разрыв, к площади попе­речного сечения образ­ца S (см²):

Одновременно можно определить относительное удлинение испы­туе­мого материала

где l - абсолютное удлинение образца в момент, предшествующий разрыву; l_р - длина образца в момент разрыва; l - длина образца до приложения нагрузки.

Предел прочности _c при сжатии образца (в виде ку­ба или цилиндра, вы­сота ко­торого равна диаметру или несколько больше диаметра, чтобы не было продольного изгиба), разрушаемого плавно возра­стающим сжимающим уси­лием, определяется следующим образом

где Р_c - разрушающая нагрузка при статическом сжатии, кГ; F - поперечное се­чение образца, cм², измеренное перед приложе­нием нагрузки.

Для проведения испытаний на разрыв и сжатие применяют спе­циальные устройства (разрывные машины, испытательные прессы, динамометры). Раз­рывная машина имеет зажимы, в которых закрепляется испытуе­мый образец, подвергающийся действию постепенно возрастающей нагрузки; ма­шина снаб­жена устройствами для изме­рения действующего на образец усилия и для из­мерения деформации образца. Более совершенные машины снабжаются уст­рой­ством, автоматически вычерчивающим гра­фик зависимости деформа­ции образца от величины действующего на образец усилия вплоть до момента раз­рушения образца.

На рисунке изображены отечественные разрывные машины, изготавливаемыми заводом «Точприбор».

ИР50405	ИР5047-50

Для испытаний материалов применяют­ся разрывные машины самых раз­личных размеров, рассчитанные на нагрузки от нескольких граммов (на­при­мер, динамо­метры для определения прочности волокон) и до многих тонн. Так, раз­рывная машина отечественного произ­водства типа РМ-50 рассчитана на уси­лия, действующие на образец, от 2,5 до 50 кГ, РМ-500 - от 20 до 500 кГ, ИМЧР - до 4000 кГ и ИМ12А - до 12 000 кГ. Разрывные машины могут иметь привод ручной или от электродвигателя; электропривод предпочти­тельнее, так как он дает возможность плавно, без рывков, повышать нагрузку с опреде­ленной ско­ростью.

Испытанию растяжением подвергается изолированная и неизолирован­ная металлическая проволока, образцы полимерных электроизоляционных ма­териалов, а также отрезки кабелей в целом. Эти испытания регламентированы в следующих ГОСТах: 3241-80, 10446-80, 12182.0-80, 15634.1-70, 25018-81, 7855-84, 270-75, 269-66.

Максимальное усилие машины не должно превышать пятикратного уси­лия растягивания испытуемого образца. Предельные усилия машин при испы­тании обмоточных проводов в определенных диапазонах их диаметров регла­мен­тированы в стандартах.

При испытаниях регламентированы скорость растяжения образца, тем­пе­ратура и влажность окружающей среды. Образец должен быть закреплен на разрывной машине любым спо­собом, обеспечивающим надежность закрепле­ния. При раз­рушении образца вблизи места закрепления в зажимах ис­пытание считается недействительным. Расстояние между ме­стами закрепления, как пра­вило, должно быть не менее 200 мм (кроме случаев, оговоренных специ­ально).

На рисунке схематически изображено устройство небольшой разрывной машины с ручным приводом.

1 - груз; 2 - длинное плечо рычага; 3 - рукоятка маховика; 4 - конические зубчатые шестерни; 5 - вин­товой вал; 6 - нижний зажим; 7 - верхний зажим; 8 - испытуемый образец; 9 - сектор; 10 - собачка; 11 - секторная зубчатая рейка; 12 - шкала усилий (неподвижная); 13 - указатель усилия; 14 - шкала уд­линений (подвижная); 15 - ука­затель удлинения; 16 - зубчатый сектор; 17 - зубчатая рейка.

Груз 1 крепится на длинном плече 5 неравноплечного рычага, могущего поворачиваться вокруг оси в верхней части станины машины. При вращении маховика с рукояткой 15 усилие через пару конических зубчатых шестерен 16 и вертикальный винтовой вал 14 передается на укрепленный в зажимах 11 и 13 испытуемый образец 12. Верхний зажим подвешен к гибкой цепи, другой ко­нец которой прикреплен к секторообразному короткому плечу 8 рычага. По мере увеличения нагрузки (при вращении рукоятки 15) рычаг постепенно по­ворачивается, причем момент груза 1, уравновешивающий момент нагрузки на образец, увеличивается. В момент разрыва образца груз 1 не перемещается в исходное положение благодаря тому, что собачка 3, прикрепленная к длин­ному плечу 5 рычага, упирается в зубец секторной зубчатой рейки 4 на верх­ней по­верхности неподвижной шкалы 17 и рычаг остается в том же положе­нии, в ко­тором он был в момент разрыва образца. Усилие, действующее на образец, в любое время отмечается по шкале 17 указателем 2, связанным с длинным пле­чом 5 рычага; как уже сказано, после разрыва образца рычаг ос­тается непод­вижным и отсчет разрушающего усилия делается по шкале 17.

Груз 1 может быть сменным; в этом случае одна и та же разрывная ма­шина при различных грузах может использоваться для испытаний на различ­ные зна­чения наибольшего растягивающего усилия; соответственно при от­счете по шкале 17 меняется масштаб.

Удлинение образца отсчитывается по второй секторной шкале 6; эта шкала крепится к длинному плечу 5 рычага и поворачивается вместе с ним. Указатель 7 подвижной шкалы 6 с помощью зубчатого сектора 9 и зубчатой рейки 10 свя­зан с нижним зажимом 13.

Для испытаний на сжатие применяются специальные прессы. Применя­ются также универсальные машины, предназначенные для производства раз­личных видов механических испытаний. При от­сутствии таких машин испыта­ние на сжатие производится на обыч­ной разрывной машине, которая обору­ду­ется соответствующими дополнительными приспособлениями. Так, на ри­сунке схемати­чески изображено приспособление (реверсор), с помощью ко­торого на разрывной машине производится испытание на сжатие.

Стальные пластины 1, 2, 3 и 4 соединены двумя парами болтов а и б; болты а жестко соединяют между собой пластины 1 и 3, свободно проходя че­рез отверстия в пластине 2, а болты б, свободно проходя через отверстия в пла­стине 3 жестко соединяют между собой пластины 2 и 4. Таким образом, при креплении пластин 1 и 4 в зажимах разрыв­ной машины образец О между пла­стинами 2 и 3 может быть испы­тан на сжатие.

Важно отметить, что в отличие, например, от металлов, у кото­рых зна­че­ния _р, _с, а также предел прочности на изгиб _и одного порядка, у некото­рых электроизоляционных материалов (стекло, керамические материалы) пре­дел прочности при сжатии значительно больше, чем при растяжении или из­гибе. Поэтому в ряде случаев при испытании на сжатие может потребоваться более мощная ма­шина, чем при испытании того же материала на разрыв.

Образцы для испытаний на разрыв и сжатие должны иметь вполне оп­ре­деленную форму и размеры, предписываемые стандар­тами на испытание соот­ветствующих материалов. Для испытаний тонколистовых материалов (бу­маг, картона, пленок, тканей, лакотканей и т.п.) изготовляют образцы в виде поло­сок. Так, например, для испытания на разрыв бумаг берут образцы в виде по­ло­сок ши­риной 15 мм, а для испытания картона - в виде полосок шириной 50 мм. Эти образцы, как и образцы нитей, лент и проводов, укреп­ляют в обыч­ных за­жимах разрывной машины, которые делаются рифлеными для предот­вращения выскальзывания из них образца, если требуется, между об­разцом и зажимом помещается мягкая про­кладка. Образец должен разры­ваться между зажимами; опыты, при которых образец разрушается в месте выхода из за­жима, не могут считаться надежными. Следует тщательно избе­гать перекоса при креплении образцов. Образцы бумаг, пленок и т.п. выре­зают из материала на гильотинных ножницах, аналогичных применяемым для обрезки фотосним­ков.

При испытании на разрыв бумаг, ориенти­рованных пленок и дру­гих ани­зотропных листо­вых материалов следует обращать большое внимание на вы­резку образцов по отношению к длине рулона: так, образцы бумаги, выре­зан­ные вдоль рулона, имеют прочность на разрыв более высокую, чем выре­зан­ные поперек рулона, зато последние дают большое относительное удлинение.

Для бумаг и некоторых других материалов иногда определяется так на­зываемая разрывная длина L, т.е. наибольшая длина сво­бодно подвешенной за верхний конец полоски данного материала (имеющей неизменное по всей длине поперечное сечение), которая может еще выдержать собственную тя­жесть. Величина L связана с пределом прочности при растяжении _р и плот­ностью материала  соотношением

Практически удобно рассчитать величину L в метрах при испыта­нии на разрыв, используя величины разрушающего усилия Р_р [кГ] и определив также вес Q (в килограммах) полоски материала длиной (между зажимами) l [м]:

Если определен вес g в граммах одного квадратного метра бумаги, то

где b - ширина полоски, мм.

В ряде случаев предусматриваются специальные формы образ­цов

Так, образцы пластмасс для испытания на разрыв должны изготов­ляться (с точностью размеров до +5%) в виде восьмерок. Образцы в виде восьмерок с шей­кой посредине применяют­ся также при испытании слоистых пластиков, резин, керамических материалов, цемента и т.п.; форма и размеры этих образ­цов предусматриваются соответствующими стандартами. В случае испы­тания образцов, изображенных на данном рисунке, величину _р вычис­ляют делением разрушающего усилия при разрыве на наимень­шую площадь поперечного се­чения образца (в середине шейки), измеренную до приложения к образцу на­грузки. Так, для образца площадь наименьшего сечения равна, оче­видно, 10  6 мм = 60 мм² = 0,6 см².

Для испытания на сжатие обычно берут образцы в виде куба или цилин­дра, высота которого равна диаметру или несколько больше его. Например, стандартный образец пластмасс для испы­тания на сжатие - это цилиндр диа­метром 10 мм и высотой 15 мм, а образцы слоистых пластиков - параллелепи­педы высотой 15 мм (слоистые пластики менее 15 мм испытывать на сжатие не принято), с основанием 10  10 мм.

Помимо испытания на сжатие (поперек слоев), слоистые пластики ино­гда испытываются также на раскалывание; для этой цели в торец пла­стины (вдоль слоев) вдавливают клин определенной формы и отмечают уси­лие, при котором клин расколет материал.

Трубчатые материалы (намотанные изделия и т.п.) испытывают на раз­рыв гидравлическим давлением. Схема испытания трубки на разрыв гидрав­лическим давлением показана ниже.

1 - образец трубки; 2 и 3 - зажимы; 4 - насос; 5 - бак с маслом; 6 - манометр.

Образец 1 трубки, длиной 300 ÷ 400 мм закрепляется в зажимах 2 и 3; по­сле этого с помощью насоса 4 внутрь образца подается масло из бака 5; давле­ние масла, измеряемое манометром 6, повышается со скоро­стью 20÷25 атм/сек. Предел прочности в кГ/см² при растяжении материала трубки

где р - давление (по манометру), при котором разрушился обра­зец, aтм (или кГ/см²); d и D - внутренний и внешний диаметр трубки, см.

Прочность на статический и ударный изгиб

Статический изгиб. Прочность материалов при изгибе, как уже было от­мечено, за­висит от скорости нарастания нагрузки. Поэтому определяют пре­дел прочности, как при статическом, так и при динамическом (удар­ном) из­гибе.

1 – стержень с наконечником; 2 – образец; 3 – опора; 4 - основание

Предел прочности при изгибе _и (в кГ/см²) определяется для бруска пря­моугольного сечения, свободно лежащего на двух опорах, причем плавно воз­рас­тающая нагрузка прилагается в середине пролета:

где Р_и - разрушающая нагрузка при статическом изгибе, кГ; l - длина про­лета между опорами, см; b - ширина бруска, см; t - вы­сота бру­ска, см.

Испытания на статический изгиб производят на тех же разрывных ма­ши­нах и прессах, которые применяют при определении прочности на разрыв и сжатие. Образцы материалов для испыта­ний на изгиб могут быть различной формы и размеров.

Испытание на изгиб пластмасс производится на стандартных брусках длиной 120 мм с поперечным сечением 15 × 10 мм. При испытании рас­стояние между опорами берется равным 100 мм. В этом случае размеры на рисунке та­кие: b = 1,5 см; h = 1,0 см; l = 10 см; края опор должны быть закруг­лены радиу­сом 1 мм, а торец стержня, передающего изгибающее усилие, - радиусом 100 мм.

При испытании листовых и слоистых материалов толщиной ме­нее 10 мм образцы для испытания на статический изгиб берутся тол­щиной, соответст­вующей фактической толщине листа, и шириной 15 ± 0,2 мм; прочие данные приведены в таблице.

Толщина об­разца, мм	Длина об­разца, мм	Рас­стояние ме­жду опорами, мм	Радиус закругления на­конеч­ника, пере­дающего на обра­зец нагрузку, мм
1 ÷ 2 2,01 ÷ 4 4,01 ÷ 6 6,01 ÷ 8 8,01 ÷ 10	35 ± 0,5 35 ± 1,5 80 ± 2 100 ± 2 120 ± 2	20 ± 0,3 40 ± 0,3 60 ± 0,5 80 ± 0,5 100 ± 0,5	2 4 6 8 10

Трубчатые материалы испытываются на изгиб согласно следующей схеме.

По концам трубки и в центральную ее часть забиваются пробки. Стер­жень, передающий изгибающее усилие, должен иметь радиус закругления 15 мм; расстояние между опорами берется равным восьмикратному внешнему диаметру трубки. Нагрузка увеличивается со скоростью 250 кГ/мин. Предел прочности при изгибе материала трубки вычис­ляют в кГ/см² по формуле:

где Р_и - разрушающее усилие, кГ; l - расстояние между опо­рами, см; D и d - внешний и внутренний диаметр трубки, см.

В стандартах рекомендуется проводить механические испытания на пяти образцах, но для получения более надежных данных лучше всего подвергать испытанию не менее десяти образцов.

Ударный изгиб. Испытание на ударную вязкость проводят маятниковым копром типа Шарпи по ГОСТ 4647-69.

На рисунке показан современный копер Шарпи марки ИО5003

Устройство копра Шарпи и положе­ние бойка относи­тельно образца в момент удара показано на рисунке.

1 - маятник; 2 - грань бойка; 3 - ось маятника; 4 - испытуемый об­разец.

Тяжелый маятник 1, имеющий боек 2 в виде клина с углом при вер­шине 45°, закругленного радиусом 3 мм, может ка­чаться на оси 3. Центр тяжести ма­ятника совпадает с серединой бойка. Маятник поднима­ется в исходное по­ло­жение (показано сплошными линиями) и удерживается в этом положении фик­сатором. В нижней части траектории маятника кладется обра­зец испытуе­мого материала 4. Для пластмасс обра­зец должен иметь вид прямоугольного бруска размерами 120×15×10 мм, та­кого же, как при испытании пластмасс на статиче­ский изгиб. Расстояние между концами опор для образца равно 70 мм; углы опор закруг­ляются ра­диусом 3 мм. При освобождении фиксатора маят­ник па­дает из исходного положения, переламывает образец и подни­мается до поло­жения, показанного пунктиром. Взаимное положе­ние образца и бойка маят­ника в момент удара показано на рисунке, где дан разрез бойка плоско­стью, перпендикулярной продольной оси маятника.

Величина, характеризующая прочность материала по отноше­нию к удар­ному изгибу (удельная ударная вязкость материала, в кГ/см²), находится деле­нием затраченной на излом образца энер­гии маятника на поперечное се­чение образца:

где G - вес маятника, кГ; h₁ - высота центра тяжести маятника в ис­ходном по­ложении, см; h₂ - высота взлета центра тяжести ма­ятника после излома об­разца, см; F - площадь поперечного сече­ния образца (для стан­дартного бруска F = 1,5 см²).

Копры для испытания пластмасс и подобных им материалов вы­полня­ются с запасом энергии маятника Gh₁ = 10 или 40 кГсм (часто делают смен­ные маятники). При определенном исходном по­ложении маятника величина обычно находится по отме­ченному на шкале углу  взлета маят­ника после излома образца с помощью таблиц, прилагаемых к прибору.

Чем меньше _у, тем более хрупок испытуемый материал. Для весьма эла­стичных материалов способ определения удельной удар­ной вязкости не­приме­ним, так как образец изгибается и сбивается с места маятником, не пе­реламы­ваясь.