Ударная вязкость пластика

06.06.2015

Ударная вязкость часто является решающим фактором при выборе материала. Многие пластмассы, обладающие ценными свойствами, оказываются непригодными для применения в машиностроении и других областях только потому, что под действием ударной нагрузки имеют тенденцию к хрупкому разрушению. Проблема особенно важна для материалов, которые считают пластичными на основании испытаний на растяжение с низкой или средней скоростью деформации. Вероятность их хрупкого разрушения особенно высока в том случае, если концентрация напряжений обусловлена конструктивными особенностями изделий или наличием царапин и других дефектов. Конструктор всегда должен помнить о возможности хрупкого разрушения под действием ударной нагрузки.
Были разработаны многочисленные виды испытаний на удар. Левер и Рыс описывают около 15 различных методов, однако список можно продолжить. Это обилие методов испытаний свидетельствует о трудности сопоставления результатов стандартных испытаний с эксплуатационными качествами. В испытаниях всех видов измеряется энергия, поглощаемая при изломе стандартного образца стандартным ударником. Методы испытания можно разделить на две группы:
1) методы ограниченной энергии, в которых энергия удара ударника обеспечивает разрушение определенной доли образцов;
2) методы избыточной энергии, при которых кинетическая энергия ударника значительно выше, чем необходимая для разрушения образцов.
Испытания методом падающего груза относятся к первой группе, а испытания по Шарпи, Изоду и на ударное растяжение — ко второй. Эти четыре метода включены в официальные стандарты ASTM, BS, DIN, ISO и поэтому используются чаще других испытаний на удар.
Стандартные испытания на удар легко и быстро выполняются и очень широко применяются. Их основным недостатком является отсутствие способа сопоставления измеряемой энергии ударного разрушения с эксплуатационными характеристиками. По этой причине в промышленности часто предпочитают полагаться на испытания непосредственно изделий, несмотря на их высокую стоимость. По-видимому, стандартные испытания на удар следует рассматривать не как источник количественных данных, характеризующих стойкость к разрушению, а как методы классификации материалов по их ударной вязкости. Ho даже в этом аспекте существуют серьезные аномалии, так как испытания на образцах различной геометрии часто дают различную градацию материалов по их качеству.
Большинство проблем возникает вследствие того, что ударная вязкость (или более точно поглощаемая при ударе энергия) является составной величиной, в которую входят значения энергии, поглощаемой на разных стадиях процесса разрушения. Поглощение энергии происходит при упругом и вязко-упругом деформировании образца в начальный момент удара, при локальной пластической деформации перед началом разрушения и наконец при деформировании материала вокруг вершины распространяющейся трещины. Изменение геометрических размеров образца приводит к изменению относительных вкладов энергий этих стадий процесса разрушения в общее значение энергии. В испытаниях образцов с острым надрезом по сути дела измеряется устойчивость к распространению трещин, в то время как в испытаниях образцов без надреза большее значение приобретает пластичность материала до инициирования трещины. Эти два типа испытаний не всегда позволяют выстроить материалы в одинаковый ряд по показателям ударной вязкости.
К проблеме влияния геометрии образца на его свойства в испытаниях на удар можно подойти различными путями. Ценная информация может быть получена при систематическом изменении глубины и радиуса надреза с использованием измерительного устройства, позволяющего снимать кривую усилие—деформация в процессе удара. Измерения при разных температурах позволяют обнаружить переход вязкость—хрупкость и часто могут быть использованы в качестве альтернативы вместо изменения остроты надреза. Визуальное наблюдение поверхности разрушения слишком мало используется при интерпретации измерений энергии удара. Наконец, анализ результатов испытаний на удар в терминах механики разрушения позволяет решить многие проблемы, касающиеся влияния геометрии образца на поглощаемую энергию.