Winner - декинг "премиум класса" по экономичной цене!
Главная страница / Статьи / Международные ( зарубежные ) методы испытаний полимерных материалов. Часть 1

Международные ( зарубежные ) методы испытаний полимерных материалов. Часть 1

Испытания свойств термопластичных древесно-полимерных композиционных материалов за рубежом проводят в соответствии с указанными ниже методами:

1. Механические испытания

  • Прочность и модуль упругости при изгибе ISO 178 (DIN 53452, ASTM D790)
  • Испытания на износостойкость на машине Табера ISO 3537 (DIN 52347, ASTM D1044)

2. Испытания на твердость

  • Сравнение твердостей по Бринеллю, Роквеллу и Шору
  • Твердость по Бринеллю ISO 2039-1 (DIN 53456)
  • Твердость по Роквеллу ISO 2039-2 - Твердость по Шору ISO 868 (DIN 53505, ASTM D2240)

3. Испытания на прочность при ударе

  • Понятие прочности при ударе
  • Интерпретация результатов испытаний на удар - сравнение методов ISO и ASTM
  • Ударная прочность по Изоду ISO 180 (ASTM D256)
  • Ударная прочность по Шарпи ISO 179 (ASTM D256)

4. Тепловые испытания

  • Теплостойкость по Вика ISO 306 (DIN 53460, ASTM D1525)
  • Деформационная теплостойкость и деформационная теплостойкость под нагрузкой ISO 75 (DIN 53461, ASTM D648)
  • Деформационная теплостойкость (HDT) и аморфные и полукристаллические пластики
  • Вдавливание шарика EC335-1
  • Теплопроводность ASTM C 177
  • Относительный теплопроводный индекс, RTI (UL 746B)
  • Коэффициент линейного теплового расширения ASTM D696, DIN 53752

5. Испытания на воспламеняемость

  • Общие сведения о воспламеняемости по стандарту UL94
  • Краткое описание классификационных категорий стандарта UL94
  • Категория UL94HB
  • Категория UL94V0, V1, V2
  • Категория UL94-5V
  • Воспламеняемость по стандарту CSA (CSA C22.2 № 0,6, испытание А)
  • Индекс воспламеняемости при ограниченном содержании кислорода ISO 4589 (ASTM D 2863)
  • Испытания расскаленной проволокой IEC 695-2-1
  • Испытания игольчатым пламенем IEC 695-2-2

6. Электрические испытания

  • Электрическая прочность диэлектрика IEC 243-1
  • Поверхностное удельное сопротивление IEC 93 (ASTM D257)
  • Объемное удельное сопротивление IEC 93 (ASTM D257)
  • Относительная диэлектрическая постоянная IEC 250
  • Коэффициент рассеяния IEC 250
  • Дугостойкость ASTM D495
  • Сравнительный индекс трекинга (Сравнительный индекс пробоя) IEC 112
  • Испытания CTI-M
  • Категории PLC (UL746A)

7. Оптические испытания

  • Мутность и светопропускание ASTM D1003
  • Глянец DIN 67530, ASTM D523
  • Мутность и глянец
  • Коэффициент преломления DIN 53491, ASTM D542

8. Физические испытания

  • Плотность ISO 1183 (DIN 53479, ASTM D792)
  • Водопоглощение ISO 62 (ASTM D570)

9. Реологические испытания

  • Усадка при формовании ISO 2577 (ASTM D955)
  • Скорость течения расплава/Индекс расплава ISO 1133 (DIN 53735, ASTM D 1238)
  • Объемный расход расплава/Объемный индекс расплава ISO 1133 (DIN 53735, ASTM D 1238)
  • Вязкость расплава DIN 54811
  • Практическое применение характеристик MV, MFR/MFI, MVI в производстве

1. Механические испытания

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.

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.
Универсальный образец для испытаний Лабораторна установка для проведени механических испытаний
Рис. 1: Универсальный образец для испытаний ISO R527 Рис. 1a: Лабораторная установка для проведения механических испытаний

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:

Напряжение: Нагрузка/единица площади исходного поперечного сечения, МПа
Деформация: (Удлинение/исходная длина) х 100%

Другими механическими свойствами, определяемыми по зависимости напряжения деформации, являются:

Модуль: Напряжение/деформация, МПа
Предел текучести: Макс. напряжение начала пластического течения материала, МПа
Предел прочности: Напряжение при разрушении, МПа
Разрушающая деформация: Деформация при разрушении или макс. относительное удлинение, %
Предел пропорциональности: Точка начала нелинейности
Модуль упругости: Модуль ниже предела пропорциональности, МПа
Диаграмма напря жений
  • А: Предел пропорциональности.
  • B: Предел текучести.
  • С: Предел прочности.
  • Х: Разрушение.
  • 0-А: Область предела текучести, упругие свойства.
  • После А: Пластичные свойства.
Рис. 2: Диаграмма напряжений  

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". Обыкновенный, свободно опертый стержень нагружается в середине пролета: тем самым создается трехточечное нагружение. На стандартной машине для испытаний нагружающий наконечник давит на образец с постоянной скоростью 2 мм/мин.

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.

Значения напряжений и модуля упругости при изгибе измеряются в МПа.

Испытания на изгиб Флексометр
Рис. 3: Испытания на изгиб Рис. 3а: Современная установка для испытаний на изгиб: "Флексометр"

Испытания на износостойкость на машине Табера ISO 3537 (DIN 52347, ASTM D1044)

Испытани на износостойкость на машине Табера

Рис. 4: Испытания на износостойкость на машине Табера

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.


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

Сравнение твердостей по Бринеллю, Роквеллу и Шору

Соотношение шкал твердости

Рис. 5: Соотношение шкал твердости

Испытание по Роквеллу определяет твердость пластиков росле упрогого 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 A и D Шора могут быть сравнены с диапазонами значений твердости по отпечаткам, полученным по методу Бринелля. Однако линейной корреляции нет.

Твердость по Бринеллю ISO 2039-1 (DIN 53456)

Определение твердости по Бринеллю

Рис. 6: Определение твердости по Бринеллю

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 расчитывается как "приложенная нагрузка", деленная на "площадь поверхности отпечатка". Результат выражают в Н/мм2


Твердость по Роквеллу ISO 2039-2

Число твердости по Роквеллу непосредственно относится к твердости отпечптка на пластике: чем выше это число, тем тверже материал. Вследствии небольшого перекрытия шкал твердостей по Роквеллу для одного и того же материала можно получит два разных числа по двум разным шкалам, причем оба эти числа могут быть технически правильными

Определение твердости по Роквеллу

Рис. 7: Определение твердости по Роквеллу

Индентор, представляющий собой полированный закаленный стальной шарик, вдавливают в поверхность испытуемого образца. Диаметр шарика зависит от применяемой шкалы Роквелла. Образец нагружают "малой нагрузкой", затем "основной нагрузкой", после чего снова той же "малой нагрузкой". Фактическое измерение основано на общей глубине проникновения, эта глубина вычисляется как общая глубина после снятия основной нагрузки минус упругое восстановление после снятия основной нагрузки и минус глубина проникновения при малой нагрузке. Число твердости по Роквеллу вычисляется как "130 минус глубина внедрения в единицах по 0,002 мм".

Портативный тестер твердости по Роквеллу Лабораторный тестер твердости по Роквеллу

Рис. 7a: Портативный тестер твердости по Роквеллу

Рис. 7b: Лабораторный тестер твердости по Роквеллу

Числа твердости по Роквеллу должны находиться в пределах от 50 до 115. Значения, выходящие за эти пределы, считаются неточными: измерение необходимо повторить еще раз, используя следующую более жесткую шкалу. Шкалы возрастают по жесткости от R через L до М (с увеличением твердости материала). Нагрузки и диаметрв инденторов более подробно указаны в таблице.

Шкала твердости Малая нагрузка, Н Основная нагрузка, Н Диаметр шарика индентора Роквелла, мм
R 98,07 588,4 12,7
L 98,07 588,4 6,35
М 98,07 980,7 6,35

Если для более мягкого материала требуется менее жесткая шкала, чем шкала R, то определение твердости по Роквеллу не подходит. Тогда можно использовать метод определения твердости по Шору (ISO 868), который применяется для низкомодульных материалов.

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

Значениями твердости по Шору являются показания шкалы, полученные в результате проникновения в пластик определеного стального стержня. Эта твердость определяется склероскопами двух типов, оба из которых имеют калиброванные пружины для приложения нагрузки к индентору. Склероскоп А применяется для более мягких материалов, а склероскоп D - для более твердых.

Определение твердости по Шору Инденторы дл склероскопов

Рис. 8: Определение твердости по Шору

Рис. 9: Инденторы для склероскопов

Значения твердостей по Шору изменяются:

  • от 10 до 90 для склероскопа Шора типа А - мягкие материалы,
  • от 20 до 90 для склероскопа Шора типа D - твердые материалы.

Если измеренные значения >90А, то материал слишком тверд, и должен применяться склероскоп D.

Если измеренные значения <20D, то материал слишком мягок, и должен применяться склероскоп А.

Не существует никакой простой зависимости между твердостью, измеренной с помощью этого метода испытаний, и другими основными свойствами испытуемого материала.

3. Испытания на прочность при ударе

Понятие прочности при ударе

При стандартных испытаниях, например, испытаниях на растяжение и изгиб, материал поглощает энергию медленно. Реально материалы очень часто быстро поглощают энергию приложенного усилия, например, усилия от падающих предметов, ударов, столкновений, падений и т.д. Целью испытаний на прочность при ударе является имитация таких условий.

Для исследования свойств определенных образцов при заданных ударных напряжениях и для оценки хрупкости или ударной вязкости образцов применяются методы Изода и Шарпи. Результаты испытаний по этим методам не должны ипользоваться как источник данных для проектных расчетов компонентов. Информация о типовых свойствах материала может быть получена посредством испытания разных типов испытуемых образцов, приготовленных в различных условиях, с изменением радиуса надреза и температуры испытаний.

Испытания по обоим методам проводятся на ударном маятниковом копре. Образец зажимают в тисках, а маятниковый копер с закаленной стальной ударной поверхностью определенного радиуса отпускают с заданной высоты, что вызывает срез образца от резкой нагрузки. Остаточная энергия маятникого копра поднимает его вверх. Разность высоты падения и высоты возврата определяет энергию, затраченную на разрушение испытуемого образца. Эти испытания могут проводиться при комнатной температуре либо при пониженных температурах для определения хладноломкости. Испытуемые образцы могут быть разными по типу и размерам надрезов.

Результаты испытаний на удар падающим грузом, например, по методу Гарднера или изогнутой плитой, зависят от геометрии падающего груза и опоры. Их можно использовать только для определения относительного ранжирования материалов. Результаты испытаний на удар не могут считаться абсолютными, кроме случаев, когда геометрия испытательного оборудования и образца соответствуют требованиям конечного применения. Можно ожидать, что относительное ранжирование материалов по двум методом испытаний будет совпадать, если характер разрушения и скорости удара одинаковы.

Интерпретация результатов испытаний на удар - сравнение методов ISO и ASTM

Ударные характеристики могут в большой степени зависеть от толщины образца и ориентации молекул. Разные толщины образцов, используемых в методах ISO и ASTM, могут весьма значительно повлиять на значения прочности при ударе. Изменение толщины с 3 мм на 4 мм может даже привести к переходу характера разрушения от вязкого к хрупкому из-за влияния молекулярной массы и толщины образца с надрезом при использовании метода Изода, как это продемонстрировано для поликарбонатных смол. На материалы, уже показывающие хрупкий характер разрушения при толщине 3 мм, например, материалы с минеральными и стекловолоконными наполнителями, изменение толщины образца не влияет. Такими же свойствами обладают материалы с модифицирующими добавками, увеличивающими ударную прочность.

Вли ние толщины и молекул рной массы образца с надрезом на результаты ударных испытаний поликарбонатных смол по Изоду

Рис. 10: Влияние толщины и молекулярной массы образца с надрезом на результаты ударных испытаний поликарбонатных смол по Изоду

Необходимо четко представлять, что:

  • изменились не материалы, а только методы испытаний;
  • упомянутый переход от вязкого разрушения к хрупкому играет незначительную роль в реальной действительности: конструируемые изделия в преобладающем большинстве имеют толщину 3 мм и менее

Ударная прочность по Изоду ISO 180 (ASTM D256)

Испытания образцов с надрезом на ударную прочность по Изоду стали стандартным методом для сравнения ударной прочности пластиков. Однако результаты этого метода испытаний мало соответствуют реакции формованного изделия на удар в реальной обстановке. Из-за разной чувствительности материалов к надрезу этот метод испытаний позволяет отбраковывать некоторые материалы. Несмотря на то, что результаты этих испытаний часто запрашивались как значимые меры ударной прочности, эти испытания проявляют тенденцию к измерению чувствительности материала к надрезу, а не к способности пластика выдерживать удар. Результаты этих испытаний широко используются как справочные для сравнения ударных вязкостей материалов. Испытания образцов с надрезом на ударную прочность по Изоду лучше всего применимы для определения ударной прочности изделий, имеющих много острых углов, например ребер, пересекающихся стенок и других мест концентрации напряжений. При испытаниях на ударную прочность по Изоду образцов без надреза, применяется та же геометрия нагружения, за исключением того, что образец не имеет надреза (или зажат в тисках в перевернутом положении). Испытания этого типа всегда дают более высокие результаты по сравнению с испытаниями образцов с надрезом по Изоду из-за отсутствия места концентрации напряжений.

Ударной прочностью образцов с надрезом по методу Изода является энергия удара, затраченная на разрушение надрезанного образца, деленная на исходную площадь поперечного сечения образца в месте надреза. Эту прочность выражают в килоджоулях на квадратный метр: кДж/м2. Образец вертикально зажимают в тисках ударного копра.

Обозначения ISO отражают тип образца и тип надреза:

  • ISO 180/1A обозначает тип образца 1 и тип надреза А. Как можно увидеть на рисунке ниже, образец типа 1 имеет длину 80 мм, высоту 10 мм и толщину 4 мм.
  • ISO 180/1O обозначает тот же образец 1, но зажатый в перевернутом положении (указываемый как "ненадрезанный").

Образцы, используемые по методу ASTM, имеют подобные размеры: тот же радиус скругления у основания надреза и ту же высоту, но отличабтся по длине - 63,5 мм и, что более важно, по толщине - 3,2 мм.

Результаты испытаний по ISO определяют как энергию удара в джоулях, затраченную на разрушение испытуемого образца, деленную на площадь поперечного сечения образца в месте надреза. Результат выражают в килоджоулях на квадратный метр: кДж/м2.

Результаты испытаний по методу ASTM определяют как энергию удара в джоулях, деленную на длину надреза (т.е. толщину образца). Их выражают в джоулях на метр: Дж/м. Практический коэффициент пересчета равен 10: т.е. 100 Дж/м равно приблизительно 10 кДж/м2.

Разная толщина образцов может отразиться на различных интерпретациях "ударной прочности", как показано отдельно.

Образцы дл измерени ударной прочности

Рис. 11: Образцы для измерения ударной прочности

Метод измерени ударной прочности по Изоду Лабораторный прибор дл измерени ударной прочности по Изоду

Рис. 12: Метод измерения ударной прочности по Изоду

Рис. 12a: Лабораторный прибор для измерения ударной прочности по Изоду

Ударная прочность по Шарпи ISO 179 (ASTM D256)

Основным отличием методов Шарпи и Изода является способ установки испытуемого образца. При испытании по методу Шарпи образец не зажимают, а свободно устанавливают на опору в горизонтальном положении.

Обозначения ISO отражают тип образца и тип надреза:

  • ISO 179/1C обозначает образц типа 2 и надрез типа CI;
  • ISO 179/2D обозначает обозначает образц типа 2, но ненадрезанный.

Основным отличием методов Шарпи и Изода является способ установки испытуемого образца. При испытании по методу Шарпи образец не зажимают, а свободно устанавливают на опору в горизонтальном положении.

Метод измерени ударной прочности по Шарпи и прибор дл ее измерени

Рис. 13: Метод измерения ударной прочности по Шарпи и прибор для ее измерения

Образцы, используемые по методу DIN 53453, имеют подобные размеры. Результаты по обоим методам ISO и DIN апределяются как энергия удара в джоулях, поглощенная испытуемым образцом, деленная на площадь поперечного сечения образца в месте надреза. Эти результаты выражаются в килоджоулях на квадратный метр: кДж/м2.

Автор статьи: Абушенко Александр Викторович