литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

Значения ударной прочности по Изоду зависят от очень большого числа парамет­ ров, связанных с технологическими особенностями производства изделия и спосо­ бами получения надреза. Можно отлить образец прямо с «надрезом», то есть в форме аналогичной контрольному образцу с механическим надрезом. Но такой образец, как правило, дает более высокие значения прочности, чем образцы, изготовленные механической обработкой, что связано с поверхностными эффектами [13]. Преиму­ щество образца, отлитого с надрезом, заключается в том, что края надреза получают­ ся сглаженными. Толщина контрольного образца также является важным параметром при испытании на ударную прочность; толщина влияет на количество микропор в об­ разце. Кроме того, для некоторых марок материалов ударная прочность возрастает с увеличением толщины образца до критического значения, т. к. происходит измене­ ние механизма разрушения — от пластического к хрупкому. Также наблюдалось зна­ чительное уменьшение ударной прочности в случае превышения критического значе­ ния толщины образца [5,12].

Испытание по Шарпи

Испытание по Шарпи — это испытание на удар на маятниковом копре, аналогич­ ное испытанию по Изоду, но вместо консольного закрепления контрольные образцы устанавливаются на две опоры вблизи торцов, после чего ударом в среднюю часть образца между опорами ударит маятниковый копер [5-7].

Ударное (скоростное) растяжение

Испытания на ударное растяжение является способом испытания образцов на ударную прочность, но в отличие от испытаний по Изоду и Шарпи здесь использует­ ся небольшой образец в форме «двойной лопатки», который подвергается растягива­ ющему напряжению вдоль одной оси.

Площадь под кривой, отражающей зависимость напряжения от деформации

Площадь под кривой, отражающей зависимость напряжения от деформации, яв­ ляется характеристикой ударной вязкости материала при определенной скорости растяжения, что было показано ранее (рис. 3.14).

В случае, когда пластмассовые образцы испытываются при высоких скоростях де­ формирования (то есть когда они подвергаются таким скоростям растяжения, которые близки к удару), площадь под зависимостью напряжения от деформации (то есть удар­ ная вязкость) характеризует сопротивление удару. Величина ударной вязкости измеря­ ется либо по площади под зависимостью напряжения от деформации до предела текуче­ сти, либо с учетом площади под всей этой зависимостью вплоть до разрушения материала.

Испытание на удар падающим грузом

Второй наиболее часто встречающейся группой методов испытания на удар явля­ ется падение стрелы или копра с определенной высоты и ударяющих по образцу в форме диска, закрепленного в специальном держателе (рис. 3.10). В некоторых слу­ чаях это испытание используется для оценки ударных характеристик готовых изде­ лий. Простейшим методом испытаний падающим грузом считается использование копров с полусферическими головками для оценки усилия или энергии, необходи­ мой для разрушения образца при падении с заданной высоты (в этом случае началь­ ная скорость при ударе остается постоянной).

Ударное воздействие на хрупкий материал

Рис. 3.42. Типичная схема испытания па удар падающим грузом для хрупких и эластичных материалов

Вболее сложных случаях тестирования на удар используются специальные копры

истрелы. В измерительной установке с использованием метода падения применяют­ ся как тензодатчики, так и датчики перемещения, чтобы получить данные об ударной нагрузке и деформациях в процессе воздействия копра на образец (рис. 3.42 [6]).

3.6. Усталостные свойства

Знание усталостных свойств материала необходимо при конструировании изде­ лий, подвергающихся многократному или циклическому воздействию нагрузки.

К таким изделиям относятся шестерни, головки фиксаторов или другие компо­ ненты, находящиеся иод периодическим воздействием нагрузок или деформации. В изделиях, испытывающих циклические ударные воздействия и обладающих низ­ кими усталостными свойствами, могут развиваться микротрещины или другие де­ фекты, которые со временем понижают прочность материала и приводят к его воз­ можному разрушению [5-7, 12]. Тесты на усталость обычно проводятся путем приложения к отлитому образцу переменного напряжения одинакового по абсолют­ ной величине, но разного направления, или между нулевым и максимальным поло­ жительным или отрицательным значениями. Тесты обычно проводятся на изгиб, скручивание или растяжение при заданной частоте, температуре и амплитуде нагруз­ ки. Напряжение, при котором материал будет разрушаться от усталости, уменьшается

206 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

и минимальные температуры, которым подвергаются изделия в условиях эксплуата­ ции. Большинство полимерных материалов становятся хрупкими в диапазоне низ­ ких температур и размягчаются выше определенного значения температуры. Конст­ рукторы должны найти (или получить экспериментально) данные о механических свойствах в диапазоне температур, соответствующего условиям эксплуатации. Термо­ механическое поведение пластмассы наиболее удобно описывать с помощью зависи­ мостей модуля жесткости от температуры. Аморфные полимеры имеют зависимости модуля жесткости от температуры, аналогичные кривой, приведенной на рис. 3.44.

Стеклообраз­ ное состояние

Рис. 3.44. Зависимость модуля от температуры для аморфного полимера

Аморфные полимеры размягчаются постепенно по мере возрастания температуры и фактически не имеют четкой температуры плавления (из-за того, что молекулы полимера распределены хаотично). При низких температурах аморфные полимеры являются жесткими и стеклообразными. В области критической температуры или, если говорить более точно, выше узкого температурного диапазона, аморфные поли­ меры становятся эластичными. Эту температуру называют температурой стеклова­ ния, Г • она связана со значительным увеличением подвижности сегментов полимерных цепочек. При температурах выше Г полимерный материал становится высокоэластическим и остается таким вплоть до достаточно высоких температур, при которых мате­ риал переходит в жидкое состояние (то есть при температурах переработки).

Термины «низкая» и «высокая» температура означают диапазоны температур от­ носительно температуры стеклования. Такие жесткие аморфные полимеры, как ПС или ПК, имеют значения Г значительно выше комнатной температуры, поэтому при комнатной температуре они являются жесткими. При повышенных температурах предпочтительней использовать ПК, так как его температура стеклования Г = 150 °С, то есть выше, чем у ПС (100-105 °С ) [ 14]. С другой стороны, аморфные эластомеры (иногда слабосшитые) находятся в эластичном состоянии при комнатной температу­ ре, так как их значения Г находятся ниже комнатной температуры.

Температурная зависимость модуля жесткости таких кристаллизующихся полиме­ ров, как ПА или ПП, сильно отличается от аморфных полимеров типа ПС. В отличие от аморфных полимеров, кристаллизующиеся полимеры имеют достаточно определенную

Рис. 3.45. Температурная зависимость модуля для аморфных и частично кристаллических полимеров

температуру плавления, Тт (или температурный диапазон плавления), которая связана с фазовым переходом из твердого кристаллического состояния в аморфный расплав. Здесь следует заметить, что подобные материалы являются частично кристаллическими — в них одновременно присутствуют аморфные и кристаллические области. Крис­ таллические области полимера остаются относительно жесткими до температуры плавления, аморфные сохраняют жесткое состояние до температуры стеклования. У многих частично кристаллических полимеров значение температуры стеклования ниже комнатной температуры, а температуры плавления намного выше. Например, ПЭВП имеет Г ниже -60 °С, а Тт около 137 °С. Материал остается в жестком состоя­ нии при температуре намного выше этого значения Т , что определяет его высокую устойчивость к ударным нагрузкам при низких температурах, но высокую ползу­ честь при температурах выше Т' Частично кристаллические полимеры, обладающие высокой степенью кристалличности, остаются весьма жесткими при температурах, близких к температурам плавления, что дает возможность использовать их в широком температурном диапазоне. Добавление наполнителей или армирование полимерного материала приводит к увеличению модуля жесткости при данной температуре, но, как правило, не изменяет областей температурных переходов (то есть Т или Тп1). Во многих случаях влияние температуры на механические свойства пластмасс анало­ гичны воздействию временного фактора. С качественной точки зрения короткие вре­ мена воздействия (или высокие скорости деформирования) аналогичны влиянию низ­ ких температур, а длительные воздействия (низкие скорости деформирования) — высоких температур [6,14]. Диаграммы зависимости напряжения от деформации на рис. 3.46, полученные при одном и том же значении скорости деформирования, но при разных температурах, аналогичны зависимостям напряжения от деформации, приве­ денных на рис. 3.11, полученных при различных скоростях деформирования.

При низких температурах или высоких скоростях деформирования полимер­ ный материал становится более твердым и хрупким, а при более низких скоро­ стях деформирования или высоких температурах — более пластичным. Подобная

210 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Целью испытания термостойкости является определение значения температуры, при которой полимер достигает определенного значения модуля при изгибе (971 МПа при 1,82 МПа изгибающего напряжения). Однако при таком испытании не может быть выявлен характер зависимости модуля жесткости от температуры (испытание дает только одно значение модуля). Поэтому такое испытание применяется исклю­ чительно для первоначального отбора материала и не должно быть использовано для окончательного принятия решения [5,7].

К одной из разновидностей испытания деформационной термостойкости под на­ грузкой относится измерение температуры размягчения по Вика. В отличие от испы­ таний на изгиб, испытание по Вика (установка показана на рис. 3.48) состоит в из­ мерении температуры, при которой слабо нагруженный плоский штырь проникает вглубь образца на определенную величину. Цель такого эксперимента состоит в уста­ новлении возможности нагретого материала выдерживать нагрузки в течение корот­ кого периода времени при контакте с другими объектами [6, 7]. Это испытание обычно используется для моделирования процесса литья в целях определения мини­ мального значения температуры, при которой отливка может быть извлечена из фор­ мы. Велика вероятность того, что толкатели будут деформировать изделие, если оно будет извлекаться при температурах выше температуры по Вика. Оба результата тес­ тов по Вика и определение температуры прогибания под нагрузкой могут быть ис­ пользованы в качестве приблизительной оценки способности термопласта противо­ стоять деформациям и короблению при повышенных температурах.

3.7.3. Коэффициент линейного теплового расширения (КЛТР)

Как и большинство других материалов, пластмассы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении, то есть имеют положительный КЛТР. По сравнению со многими другими материалами, полимерные материалы имеют относительно высо­ кие значения КЛТР, но эти значения сильно различаются. Изменения объема, связан­ ные с заданными изменениями температуры (или давления) характеризуют кривые на PVT-диаграмме, аналогичные кривым, приведенным на рис. 2.60 а, Ь. Тем не менее при конструировании изделия именно КЛТР используется наиболее часто. Значения КЛТР чаще всего измеряются напрямую (а не вычисляются из PVT-диаграмм), так как отливки могут не обладать изотропными свойствами. Величина КЛТР определя­ ется как отношение изменения линейного размера к начальной величине этого разме­ ра при изменении температуры на один градус. Величины КТЛР имеют размерность в 1/°С, или см/см °С. Последние единицы измерения более предпочтительны, так как они указывают на то, что рассматривается именно коэффициент линейного, а не объем­ ного теплового расширения. Величина КЛТР для отливок может изменяться суще­ ственно в направлении вдоль и поперек потока, особенно у полимерных материалов, армированных волокнами. Ориентированные волокна ограничивают изменения раз­ меров в направлении вдоль потока (стекловолокно, например, обладает очень низким КЛТР). В направлении поперек потока КЛТР может возрастать из-за изменения истинного объема. КЛТР меняются с изменением температуры и могут считаться постоянными в очень малом температурном диапазоне. Значительные изменения

(возрастание) величины КЛТР наблюдаются, при температурах близких к темпера­ турным переходам (Г или Тт). Это особенно важно для кристаллизующихся полиме­ ров, часто использующихся при температурах, близких к температуре стеклования.

Типичные значения КЛТР для различных полимерных материалов приведены в табл. 3.2 [6, 7]. При конструировании изделий, которые в дальнейшем будут соби­ раться из нескольких деталей, желательно использовать материалы, имеющие близ­ кие по величине значения КЛТР.

Большие трудности возникают при конструировании изделий, состоящих как из полимерных, так и из металлических деталей, поскольку КЛТР пластмасс, как пра­ вило, значительно выше, чем у металлов. Конструкции изделий, содержащих пласт­ массовые и металлические детали, должны иметь отверстия или прорези с зазорами, чтобы компенсировать изменение размеров в диапазоне температур эксплуатации.

3.7.4. Старение при повышенных температурах

Под воздействием высоких температур в течение продолжительного периода вре­ мени во многих случаях пластмассы становятся хрупкими или теряют окраску. Из­ менения свойств материала может произойти из-за удаления добавок, например, пластификатора или химических изменений, таких как окисление. Термическая ста­ бильность полимера оценивается с помощью помещения ряда отлитых образцов в пе­ чи с заданной температурой (обычно это производится при повышенной температуре для ускорения тестирования) в течение длительного периода времени. Образцы

212 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕ'.'

периодически извлекаются из печи для оценки их свойств. Извлеченные из печи образцы изучают визуально и оценивают их физические, механические, электриче­ ские, оптические, химические и др. свойства. Результаты испытаний затем пред­ ставляют в виде графиков, указывающих изменение свойств во времени при указан­ ной температуре старения. Такой тип испытаний позволяет оценить термическую стабильность в конкретных условиях, связанных с условиями испытания.

3.7.5. Горючесть

Горючестью называют параметр, характеризующий поведение материала в усло­ виях возгорания. Горючесть материала важно учитывать не только в изделиях, свя­ занных с электрооборудованием, но также в тех случаях, когда изделия из пластмас­ сы используются в замкнутом пространстве, например, в жилой комнате, где могут находиться как источники открытого пламени, так и обогрева. Некоторые из наибо­ лее признанных методов испытания измеряют воспламеняемость, дымообразование и температуру возгорания [6]. Многие производители материалов предлагают устой­ чивые к воспламенению марки материалов, которые либо сами по себе обладают устойчивостью к горению, либо подобное свойство обеспечивается введением в ма­ териал соответствующих добавок. Но даже устойчивые к воспламенению марки ма­ териалов могут быстро гореть при соответствующих условиях связанных с доступом кислорода [5].

Испытание UL 94 обычно используется для классификации или присвоения рей­ тинга материала с точки зрения его способности к воспламенению. В зависимости от результатов тестирования материалам могут быть присвоены следующие классы вос­ пламеняемости V-0, V-l, V-2,5V или НВ. Основу системы классификации формирует способность образцов поддерживать горение после прекращения воздействия откры­ того пламени. Материалам, которые быстро гаснут и не разбрызгивают горящих час­ тиц, присваивается более высокий рейтинг. Рейтинг присваивается в зависимости от толщины материала (1,6 или 3,2 мм), что может помочь конструкторам в подборе толщины стенок изделий [6]. Однако при конструировании необходимо учитывать, что горючесть зависит не только от толщины, но и от геометрии изделия. Рейтинг « V-0» означает самую огнестойкую марку, а рейтинг «//В» — наименее огнестойкую. Рейтинг, полученный на основе второго теста, добавляется к первому, если материал: проходит первый тест успешно. Комбинация V-0 и 5 V определяет наивысший рей­ тинг UL 94, а ИВ является самым низким [5]. Поскольку шкала рейтинга воспламеня­ емости UL весьма мала, результаты подобных тестов не всегда точно отражают свой­ ства изделий в реальных условиях возгорания [5].

Кдругим тестам на воспламеняемость относятся:

1.Тест на определение ограниченного кислородного индекса, который определя­ ется как минимальное количество кислорода, выраженное в процентах от объе­ ма смеси кислорода и азота, поддерживающей горение материала при комнат­ ной температуре.

2.Тест на задымление, по которому определяют плотность дыма, возникающего в процессе горения [5].