Механические свойства полимерных материалов. Учебное пособие

-значения определяемых показателей каждого образца и их среднее арифметическое;

-дата испытания и обозначение стандарта.

Работа №3. Определение ударной прочности

Цель работы: изучение принципа работы маятниковых копров и методикой определения ударной прочности.

Сущность метода заключается в испытании, при котором образец, лежащий на двух опорах, подвергается удару маятника, причем линия удара находится посередине между опорами, и состоит в определении ударной прочности образца, т.е. величины работы, затраченной на разрушение образца и отнесенной к площади его поперечного сечения. Испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 4647-80 на маятниковом копре.

Подготовка к испытаниям.

Применяют образцы трех типов в форме брусков, размеры которых приведены в табл. 4

Таблица 4. Размеры образцов для определения ударной прочности

Допускается использовать образец шириной 4 мм, толщиной 10 мм, длиной 80 мм, при расстоянии между опорами 70 мм. Для полиамидов допускается испытывать образец типа 2 при расстоянии между опорами 40 мм, если это указано в нормативно- технической документации на материал.

41

Для ячеистых пластмасс применяют образцы типов 1 и 3. При изготовлении образцов из листовых материалов и слоистых плит толщиной до 10,5 мм толщина образца должна быть равна толщине листа или плиты. Из листовых материалов и слоистых плит толщиной 1-5 мм изготовляют образцы типов 2 и 3, толщиной 5-10 мм - типа 1.

Образцы должны иметь гладкую ровную поверхность, без трещин, сколов и других видимых дефектов, образцы из ячеистых пластмасс, кроме того, должны быть без поверхностной пленки.

Выбирают маятниковый копер с соответствующим запасом энергии, чтобы на разрушение образца было израсходовано не менее 10 % и не более 80 % запаса энергии.

Плоскость качания маятника должна быть перпендикулярна оси образца, уложенного на опоры, и проходить в середине пролета между ними. Центр удара должен совпадать с центром тяжести маятника и лежать на середине ширины образца.

Перед испытанием измеряют ширину и толщину образца в его середине прибором с погрешностью измерения не более 0,02 мм. При испытании образцов, изготовленных литьем под давлением, допускается измерять размеры одного образцы из подлежащих испытанию.

Испытания проводят не менее чем на 10 образцах.

Испытания проводят при температуре (23 ± 2)°С и относительной влажности (50 ± 5) %, если в нормативно- технической документации на материал нет других указаний.

Порядок проведения испытания Рекомендуется ежедневно контролировать расстояние между

опорами и измерять угол взлета маятника при холостом ходе, для чего стрелку шкалы устанавливают в начальном положении и дают маятнику свободно падать из его верхнего положения.

42

Рис. 14. Положение образца при испытании на удельную ударную прочность

Для проведения испытания каждый образец кладут на две опоры, расположенные на нижней части маятникового копра, так чтобы удар приходился по широкой стороне. Маятник поднимают до верхнего положения и закрепляют его специальной защелкой. Стрелку на шкале или движок устанавливают на нуль, затем освобождают защелку и дают маятнику свободно падать. Маятник, падая, встречает в самой низкой точке падения образец, ударяет его своим краем, скошенным под углом 45° и имеющим закругление радиусом 3 мм (рис.14), разбивает образец и отклоняется в другую сторону на некоторую высоту.

При своем движении вверх маятник увлекает за собой либо подвижную стрелку, которая фиксирует на шкале угол подъема маятника в угловых градусах, либо движок, который непосредственно показывает работу в Н·м (кгс·см). После разрушения образца маятник останавливают и по шкале производят отсчет работы, затраченной на разрушение образца с точностью, равной половине цены деления соответствующей шкалы копра. Разность между высотой подъема маятника до и после проведения испытания показывает работу удара, необходимую для разрушения образца.

Так как удельная ударная прочность для различных пластических масс колеблется в очень широких пределах, к копру прилагаются маятники различной мощности: 1 (10), 4 (40), 5 (50) и в редких случаях 15 Дж (150 кгс·см). Поэтому перед испытанием

43

необходимо предварительно установить мощность маятника, пробным разбиванием образца, начиная с менее мощного.

Если же деления шкалы прибора даны в градусах, то работу Ак, Дж (кгс·см), затраченную на разрушение образца, вычисляют по формуле:

где g - вес маятника, Н (кгс);

l - длина маятника (расстояние от оси подвеса до центра тяжести), м (см);

α - угол зарядки маятника, град; β- угол подъема маятника после разрушения образца, град;

γ - угол подъема маятника при холостом ходе, град.

Обработка результатов Удельную ударную прочность ак, вычисляют по формуле:

где Ак – энергия удара, затраченная на разрушение образца, Дж (кгс·см)

S - площадь поперечного сечения образца, мм2 (см2); 103 – коэффициент перевода Дж/мм2 в кДж/м2.

За величину удельной ударной прочности принимают среднее арифметическое параллельных испытаний.

За результаты испытаний принимают среднее арифметическое всех определений.

Результаты испытаний заносят в протокол, который должен содержать следующие данные:

-наименование и марку материала;

-число образцов, взятых на испытания;

-форму и размеры образцов, условия их изготовления;

-значение показателя ак каждого образца;

-количество неразрушившихся образцов;

-среднее арифметическое значение определяемого показателя;

44

-наименование испытательной машины;

-дату испытания и номер ГОСТа.

Работа №4. Определение разрушающего напряжения при сдвиге (срезе)

Цель работы: изучение методики определения предела прочности на сдвиг (срез).

Сущность метода: состоит в определении наибольшей нагрузки, при которой происходит разрушение образца, и в расчете по ней предела прочности его на сдвиг.

Испытание проводят по ГОСТ 17302-71 на любой испытательной машине, обеспечивающей измерение нагрузки с погрешностью не более 1 % от измеряемой величины.

Испытание полимерных материалов на сдвиг (срез) проводится с целью установления предела прочности материала при сдвиге (срезе), необходимого для расчета шнек-винтов, ножей для резки изделий, а также для оценки прочности готовых изделий в процессе эксплуатации.

Подготовка к испытанию.

Для испытания применяют образцы в виде брусков прямоугольного сечения, указанных ниже размеров:

длина (l) - не менее 100,0 мм;

ширина (b) - 15,0±0,5 мм; толщина (h) - 10,0±0,5 мм.

Если невозможно изготовить образец соответствующих размеров, то допускается применять образцы со следующим соотношением толщины (h), ширины (b) и длины (l): h : b : l = 1,0 : 1,5 : не менее 10, при этом минимальная толщина образца должна быть 4,0 мм.

При необходимости испытания образцов, изготовленных из листового материала толщиной менее 4,0 мм, допускается применять образцы, состоящие из нескольких слоев с толщиной отдельного слоя не менее 2,0 мм, при этом должно быть обеспеченно плотное прилегание слоев.

45

Образцы не должны иметь вздутий, трещин, пузырей, раковин, сколов и других видимых дефектов.

Количество образцов, взятых для испытания должно быть не менее пяти.

Перед испытанием ширину и толщину образца измеряют с погрешностью не более 0,01 мм.

Приспособление для определения прочности на срез должно обеспечивать жесткое крепление образца по краям и срез средней части его по двум плоскостям. Кромки рабочих поверхностей ножа и опор не должны быть завалены и не должны иметь заусенцев. Длина ножа должна быть 15,0±0,5 мм при испытании образцов толщиной от 4,0 до 6,0 мм и 25,0±0,5 мм при испытании образцов толщиной от 6,0 до 10,0 мм. Ширина ножа должна быть не менее 16,0 мм. Рекомендуемое приспособление для определения прочности на срез показано на рис. 15. Для правильной установки приспособления с образцом по отношению к действующему усилию одна из площадок испытательной машины должна быть самоустанавливающейся.

Перед испытанием образец кондиционируют не менее 16 ч по ГОСТ 12423—66 при температуре (23±2)°С и относительной влажности (50±5)%.

Порядок проведения испытаний Расстояние между опорами приспособления устанавливают в

зависимости от толщины образца: для образцов толщиной от 4,0 до 6,0 мм расстояние между опорами должно быть равно (15,0±0,5) мм, а для образцов толщиной от 6,0 до 10,0 мм - (25,0±0,5) мм.

Скорость сближения ножа приспособления с образцом (V) в мм/мин вычисляют в зависимости от толщины образца по формуле:

V = 0,5 h t

где h - толщина образца, мм; t - время, равное 1 мин.

Рекомендуется при испытании образцов толщиной от 4,0 до 6,0 мм скорость сближения ножа приспособления с образцом устанавливать равной 2,0 мм/мин, а при испытании образцов толщиной от 6,0 до 10,0 мм - 4,0 мм/мин.

46

Образец устанавливают на опоры широкой стороной. Если образец подвергался механической обработке с одной стороны, то его кладут на опоры той стороной, которая не подвергалась механической обработке.

Затем образец вместе со сборкой помещают между плитами траверсы разрывной машины и подвергают действию возрастающей нагрузки до полного разрушения образца.

1

2

3

4

3

5

6

Рис. 15. Приспособление для определения прочности на срез. 1 - винт , 2 - нож , 3 - опоры , 4 - образец , 5 – опорная плита , 6 - корпус.

Опыты проводят либо с записью диаграммы "нагрузка- деформация", либо отмечают по шкале разрывной машины наибольшую нагрузку Fср, соответствующую моменту разрушения образца.

Обработка результатов

47

Расчет предела прочности при сдвиге (σср) МПа производится по следующей формуле:

Fср ,

2S МПа (кгс/см2),

где Fср – перерезывающая сила, Н (кгс);

S - рабочая площадь образца S=b·h, мм2 (см2).

За результат испытания принимают среднее арифметическое результатов параллельных определений, округленное до целого числа.

Результаты испытаний заносят в протокол, который должен содержать следующие данные:

-наименование и марку пластмассы;

-наименование предприятия-изготовителя;

-число образов, взятых для испытания;

-значение предела прочности при срезе каждого образца и - среднее арифметическое значение;

-наименование испытательной машины;

-условия кондиционирования и испытания;

-дату испытания и обозначение стандарта.

Работа №5. Определение разрешающего напряжения при изгибе

Цель работы: изучение принципа работы разрывной машины и методики определения разрушающего напряжения при статическом изгибе.

Сущность метода заключается в определении отношения изгибающего момента к моменту сопротивления поперечного сечения образца в момент разрушения для пластмасс, разрушающихся при испытании. Испытания проводят согласно ГОСТ 4648-71 на разрывных машинах, имеющих специальные приставки.

Подготовка к испытаниям.

Для испытания применяют стандартный образец размерами, мм: длина L не менее 80, ширина b=10±0,5, толщина h=4±0,2. Если невозможно изготовить образец с указанными размерами,

48

используют образцы, соотношение длины и толщины которых составляет L ³ 20·h, а ширина выбирается из табл. 5.

Таблица 5. Размеры образцов

Размеры, мм

Образцы должны иметь гладкую ровную поверхность без вздутий, сколов, трещин, раковин и других дефектов. Перед испытанием в средней трети длины образца замеряют ширину и толщину с точностью не менее 0,02 мм.

Перед испытанием образец кондиционируют не менее 16 ч по ГОСТ 12423-66 при температуре (23±2)°С и относительной влажности (50±5)%, измеряют его толщину и ширину в рабочей части не менее чем в трех точках и вычисляют площадь поперечного сечения образца. Образцы, у которых минимальное и максимальное значения толщины или ширины различаются более чем на 0,2 мм, не испытывают.

Порядок проведение испытания В зависимости от толщины образца расстояние между опорами

Lv (мм) устанавливают согласно соотношению Lv = 16h ± 0,5 . Образцы ставят на опоры широкой стороной. Устанавливают определенную скорость сближения нагружающего наконечника VH, мм/мин. В процессе нагружения образца нагрузку замеряют непрерывно или в момент определенного показателя.

Подбирают нажимную головку, а также опоры, соответствующие размерам испытуемого образца, и по шкале предметного стола устанавливают расстояние между опорами

(рис.16).

49

Рис. 16. Схема установки головки

F – нагрузка на образец, L- длина образца, Lv - расстояние между опорами,

r1- закругление давящей головки, r2 – радиус закругления опоры, h - толщина образца

Стойки, держащие опоры, должны быть приставлены к соответствующей метке. На опоры аппарата устанавливают нажимную головку, фиксируемую рифленым болтом, и рейку. Рычаг, перемещающий язычок рейки, поднимают в горизонтальное положение и фиксируют. Образец кладут на опоры так, чтобы его ось и продольная ось предметного стола были параллельны. На маятник ставят необходимые гири и шкалу переключают на соответствующий предел измерения. Включают двигатель, предметный стол перемещают вверх. Скорость приложения нагрузки регулируют вручную.

После разлома образца направление движения переключается для возвращения поршня в исходное положение. По ведомой стрелке отсчитывается разрушающее усилие.

Обработка результатов Разрушающее напряжение (σ ) в МПа (кгс/см2), при изгибе

вычисляют по формуле:

σ= M ,

W

где М - изгибающий момент, Н·мм (кгс·см); W - момент сопротивления сечения, мм3 (см3). Изгибающий момент определяют по формуле:

50