Испытание ударной вязкости методом падающего груза

06.06.2015

В испытаниях методом падающего груза, образец в виде пластинки устанавливается на кольцевую опору и подвергается удару падающим бойком с изменяемой массой. Боек имеет полусферическую головку и падает с фиксированной высоты. По стандартной методике каждый образец подвергается только одному удару, после чего извлекается из прибора и визуально исследуется. Если разрушение не произошло, то массу бойка увеличивают на определенную величину и испытывают следующий образец. Если образец разрушился или произошел вязкий раздир, то масса должна быть уменьшена на определенную величину. Первые три опыта рассматриваются как «пристрелочные» и отбрасываются. За ударную вязкость по методу падающего груза принимают среднее значение из последующих, по меньшей мере 20, испытаний.
Описанный выше метод падающего груза по существу является испытанием листовых образцов полимера на предельную энергию разрушения и широко используется для испытания экструзионных УПС, АБС-пластиков и других упрочненных каучуком полимеров. Его целью является измерение энергии, как раз достаточной для разрушения 50 % образцов. Для этого необходимо очень большое число образцов, поэтому стандартная методика идет на компромисс для получения имеющих смысл результатов без затраты чрезмерных усилий. Эксперименты с листовыми образцами УПС и АБС-пластиков показали, что для выявления погрешностей и источников ошибок необходимо очень большое число экспериментов. Фиксируемое конечное значение ударной вязкости может быть увеличено или уменьшено на величину до 20 % просто путем изменения высоты падения груза, при которой был испытан первый образец.
Другой, более информативный способ испытаний по методу падающего груза (метод Probit) заключается в том, что определенное число образцов подвергают действию серии ударов с разной энергией и определяют долю разрушившихся образцов на каждом энергетическом уровне. Используя этот метод, Морис показал, что статистика разрушения образцов АБС-пластиков и ряда других полимеров соответствует распределению Гаусса. Между энергией удара и долей разрушившихся образцов, отложенной в шкале нормальной вероятности, существует линейная зависимость (рис. 10.7). В обычных же координатах зависимость имеет S-образную форму.
Метод Probit также требует большого числа образцов, однако дает возможность преодолеть многие проблемы, связанные со стандартным методом «ступенек» и является гораздо более информативным.
Испытание ударной вязкости методом падающего груза

В частности, он дает информацию об энергии удара, необходимой, чтобы вызвать разрушение небольшой части образцов, например 1 %, что представляет обычно больший интерес для потребителей листовых пластмасс, чем разрушение 50 % образцов.
Интересно отметить влияние температуры на поведение образцов при ударе (см. рис. 10.7). Энергия удара, вызывающего разрушение 50 % образцов АБС-пластика, мало меняется с температурой в пределах от -20 до 23 °C. Наоборот, энергия, необходимая для разрушения 1 % образцов очень чувствительна к изменению температуры в этом интервале. Таким образом, метод Probit обнаруживает важный аспект поведения полимеров при ударе, не нашедший отражения в стандартной методике «ступенек».
Упругая деформация круглой пластины — энергия хрупкого разрушения

Анализ деформирования круглой покоящейся на опорах пластины под действием центрально приложенной силы P аналогичен анализу деформирования прямоугольного бруска по трехточечной схеме. Анализ упругих напряжений, проделанный Тимошенко и Войновским-Кригером показал, что прогиб X в центре пластины толщиной W и радиусом r и максимальное напряжение σмакс описываются следующими уравнениями:
Испытание ударной вязкости методом падающего груза

Предполагая, что хрупкое разрушение происходит, при достижении максимальным напряжением критического значения (σмакc=σкр), нагрузку Prh при разрушении можно выразить через σкр (10.22). Выражение для ударной вязкости I имеет вид:
Испытание ударной вязкости методом падающего груза

Имеется явное сходство между уравнением (10.23) для хрупкого разрушения пластины и уравнением (10.17) для хрупкого разрушения бруска. Энергия, поглощаемая при ударе, в обоих случаях пропорциональна σкр2 и, следовательно, ξIкр, а также объему образца. Предсказывается линейная зависимость между ударной вязкостью в испытаниях по методу падающего груза и, толщиной образца.
Экспериментальные данные о зависимости ударной вязкости от толщины пластины

Влияние толщины образцов УПС, АБС-пластиков, полипропилена и ударопрочного полипропилена на ударную вязкость, определяемую по методу падающего груза, представлено на рис. 10.8. Ясно видна различная стойкость к разрушению УПС и АБС-пластиков, а также упрочняющее действие каучука на полипропилен. Ни для одного из этих материалов нет точно пропорциональной зависимости ударной вязкости от толщины образца. Для УПС и полипропилена зависимость почти линейна, но для более вязких полимеров — АБС-пластика и сополимера пропилена — угол наклона кривых с увеличением толщины образцов возрастает. При сравнении с прямоугольным бруском [уравнение (10.20)] можно ожидать, что соотношение такого типа будет выполняться для более вязких полимеров, таких, как АБС-пластики. Уравнение (10.23) применимо к хрупким материалам, в которых деформация носит чисто упругий характер, однако при комнатной температуре большинство упрочненных каучуком полимеров достаточно вязки и пластичны, чтобы вызвать некоторые отклонения от поведения, предсказанного теорией упругости. В настоящее время нет удовлетворительного количественного объяснения пластического разрушения образцов; без надреза в испытаниях на удар.
Испытание ударной вязкости методом падающего груза

Фольгированный лист

Интересный пример хрупкого разрушения при испытаниях, методом падающего груза наблюдается в случае фольгированных листов УПС. С целью улучшения глянцевитости поверхности на одну сторону листа УПС в процессе его экструзии наносится полистирольная фольга толщиной 25 мкм. Испытания фольгированных листов с покрытием, находящимся со стороны нанесения удара, показывают незначительное влияние покрытия на ударную вязкость. Полистирол претерпевает сжатие и не оказывает существенного влияния на вязкое разрушение листа УПС. Если же фольга прилегает к нижней, растягиваемой поверхности листа УПС, то ударная вязкость последнего значительно снижается. Тонкого слоя полистирола достаточно, чтобы вызвать хрупкое разрушение всего диска. Причина заключается в том, что крейзы формируются в полистироле уже при низких деформациях (менее 1 %) и разрастаются с образованием трещин, равных по длине толщине фольги. Эти трещины распространяются дальше от растянутой поверхности листа УПС через всю толщину деформированного образца. Поэтому влияние полистирольного покрытия эквивалентно нанесению на поверхность листа острых царапин.