Испытание на прочность с помощью заостренного груза

Ударные испытания с помощью заостренного груза, падающего на образец в форме диска или пластинки, широко используются в полимерной промышленности для определения «практического» сопротивления разрушению жестких термопластичных смесей. Эти методы имеют преимущество простоты эксперимента, но их трудно анализировать математически. Фактически, они являются скорее формализованным испытанием изделия, чем измерением базовых свойств материала. В этом отношении они представляют резкий контраст измерениям методами механики разрушения. Они предназначены для воспроизведения реального поведения литых деталей при ударном нагружении.
Образцы обычно готовятся в форме дисков толщиной около 3 мм и диаметром 100 мм, которые либо просто устанавливаются на опорное кольцо с плоской торцевой поверхностью, либо зажимаются между двумя кольцами. Ударная нагрузка прилагается в центр диска. Падающий стержень в настоящее время почти всегда снабжен устройствами для записи кривой сила-прогиб для каждого образца, данные с которых поступают в компьютер для дальнейшей обработки. Головка груза — цилиндрический стержень с полусферической вершиной диаметром примерно 20 мм. Груз устанавливается в картридже, который может двигаться между двумя вертикальными направляющими. Кинетическую энергию бойка можно изменять, добавляя в картридж дополнительный груз или изменяя высоту падения. Можно проводить температурные измерения, устанавливая предварительно подготовленный образец в машину для испытаний и осуществляя тест в пределах 5 с.
При ударном испытании в образце возникает сложный рисунок напряжений. В центре диска, как раз ниже точки удара, нижняя поверхность диска получает круговое растяжение, и напряжения здесь наибольшие. Эта небольшая зона, выпуклая с нижней стороны диска, окружена двумя другими хорошо определяемыми областями: локальным высокодеформированным кольцом материала, в котором кривизна выпуклости находится сверху, и оставшаяся часть диска, в которой материал находится под действием невысоких изгибных и растягивающих напряжений. Проявление сложного рисунка напряжений наиболее ясно происходит при хрупком разрушении диска. При сборке разбитого образца можно видеть, что некоторые трещины разбегаются радиально от точки удара в центре, а другие образуют круговые дорожки вокруг центральной точки (рис. 21.6). Круговые трещины возникают в тех местах, где впадина от действия бойка производит сильный изгибный момент и высокий уровень внеплоскостной кривизны.
Истинно хрупкое поведение наблюдается в таких полимерах, как полистирол (ПС) и сополимер стирол-акрилонитрил, относящихся к термопластам с очень высокими напряжениями течения. Эти полимеры показывают в испытаниях с заостренным стержнем обязательно линейную кривую сила-прогиб, и в разбитых образцах нет признаков пластичности. Смеси, при создании которых предусмотрено течение перед разрушением, обычно оказываются скорее полухрупкиими, чем полностью хрупкими даже при низких температурах. При исследовании поведения АБС в испытаниях с заостренным стержнем Казираги с сотр. наблюдали вызванное напряжением побеление поверхности ниже точки удара при температурах до -80 °C. При этой температуре кривые сила-прогиб были в основном линейными, оканчивающимися резким падением при разрушении диска. При повышении температуры размер побелевшей зоны течения и максимальная нагрузка на образце соответственно возрастают. Кривая сила-прогиб поворачивается вверх, когда главная часть зажатого диска начинает деформироваться, и ее жесткость, таким образом, возрастает. Энергия разрушения растет с температурой по мере увеличения максимального напряжения и прогиба, но по-прежнему остается возможность хрупкого конечного разрушения (рис. 21.6), потому что предел текучести при двухосном растяжении высок, а деформация при разрыве невелика. При этих условиях мелкие трещины могут ускоряться до своих предельных скоростей (порядка 500 м-с1). и энергии разрушения поэтому невелики.

При еще более высоких температурах пластичные (tough) смеси, такие как АБС, становятся полностью пластичными (ductile). Течение и интенсивная пластическая вытяжка происходят как в центральной зоне, где полимер входит контакт с бойком, так и в окружающей области высокого напряжения (рис. 21.7). Ударная головка действует, во многих отношениях, как формующий инструмент, производящий белое полусферическое углубление в центре диска. Большое количество энергии поглощается до того, как наиболее деформированный участок зоны течения на конце ударника разрушается разрывом. В этот момент ударная головка проникает в диск, но разрыв локализован, и быстрого распространения трещины, которое имеет место при низких температурах, в этом случае не происходит (рис. 21.6).
Зависимость сила-прогиб пластичного термопласта, подвергнутого ударному испытанию с падающим заостренным стержнем, моделировалась Ниммером в рамках подхода конечных элементов. Деформационное поведение полимера представлялось кривой напряжение-деформация, разделенной на три участка: линейноупругое растяжение, определяемое модулем Юнга E1; вытяжка при постоянном напряжении до степени вытяжки λ; деформационное упрочнение, представляемое линейным процессом с эффективным модулем E3. Используя эту модель и конкретные величины для E1, λ и E3, Ниммер сумел получить приблизительное согласие с экспериментальными кривыми сила-прогиб.
Усложняющий фактор, который не был включен в анализ Ниммера, — это эффект внутреннего нагрева в высокодеформированной зоне течения вокруг полусферического конца стержня. Быстрая, сильная вытяжка в этой области сопровождается выделением энергии, достаточной для того, чтобы центральная область диска нагрелась настолько, что к ней невозможно прикоснуться, то есть когда материал реагирует пластично, то процесс далек от изотермического. Основным фактором в этом нагреве является высвобождение упругой энергии из периферической части диска, когда центральная часть начинает течь и размягчаться. Среди других факторов — фрикционный нагрев при растяжении полимера в контакте с ударником, передача тепла в металлическую ударную головку и изменение скорости диссипации энергии при увеличении температуры и деформации в зоне течения. Построение полной модели поведения пластичного полимера в испытании с падающим заостренным стержнем, очевидно, потребует больших усилий как для определения основных взаимосвязей, необходимых для описания поведения полимера в диапазоне температур и распределения деформаций, так и для внесения этих данных в программу метода конечных элементов.

Большинство пользователей теста с падающим заостренным стержнем не заинтересованы в получении столь глубокого знания о поведении образца. Их целью является оценка материала в выражениях ожидаемых функциональных свойств в стандартных приложениях — в автомобильной, упаковочной и других отраслях промышленности, — где необходимо хорошее универсальное сопротивление удару, но последствия разрушения не столь серьезны, чтобы применять очень строгие критерии механики разрушения. Этот тест не предоставляет количественной информации, которую можно было бы использовать в инженерных расчетах, но он выявляет возможные проблемы хрупкого или низкоэнергетичного разрушения в отсутствии острого надреза значительного размера.
Чтобы проявлять высокую прочность в испытании с заостренным стержнем, материал должен быть способен к достижению высоких двухосных деформаций и к деформационному упрочнению, чтобы предотвращать избыточное истончение в области точки удара так, чтобы зона течения распространялась. Полипропилены и найлоны, упрочненные каучуком, которые могут достигать высоких деформаций в испытаниях на растяжение, дают хорошие примеры такого поведения. Будучи равными в остальном, упрочненные найлоны проявляют более высокую ударную энергию, чем упрочненные полипропилены, потому что они имеют более высокие напряжения течения. Однако если оба материала испытывают сильную вытяжку вокруг ударной головки, то различие в поглощении энергии может быть несущественным на практике. Для потребителей, по-видимому, более важным является температурный переход между полухрупким и пластичным поведением.
Во всех тестах с заостренным стержнем уровень поглощения энергии сильно зависит от анизотропии испытуемого образца Из-за того, что площадь под ударником находится под равномерным двухосным натяжением, расщепление всегда будет происходить в наиболее слабом направлении. Этот эффект особенно явно выражен, когда испытуемые диски приготовлены литьем под давлением. Высокие уровни ориентации цепей в поверхностных областях отливки могут приводить к заметному уменьшению ударной энергии.
Другим фактором, который может вызвать охрупчивание пластичного листа, является наличие хрупкого поверхностного слоя, в котором при изгибе могут возникать острые трещины. Охрупчивание такого рода может возникать из-за хранения вне помещения или из-за нанесения хрупкого поверхностного покрытия в виде красочного слоя, пленки ламината или металлического покрытия. Как говорилось ранее, степень, с которой эти виды модификации поверхности влияют на поведение при разрушении, зависит от сопротивления подповерхностного материала действию коротких, острых, распространяющихся трещин. Преимущество теста с падающим заостренным стержнем — преимущество, которое он делит со стандартными ударными тестами Шарпи и Изода, но не с тестами механики разрушения образцов с надрезом — состоит в том, что он предоставляет простой способ изучения поверхностного охрупчивания и методов противодействия охрупчиванию путем использования модифицирующих добавок.