ASTM D638: Испытание на растяжение пластмасс

Введение

Механические свойства материала необходимо знать в технике пластмасс и полимерной науке. Среди всех свойств материалов наиболее важным является прочность на разрыв, т.е. величина напряжения, которое может выдержать материал без разрушения при растяжении. ASTM D638, международно признанный стандарт Американского общества по испытаниям и материалам (ASTM), содержит метод испытания свойств пластмасс на растяжение в лабораторных условиях.

Что такое ASTM D638?

ASTM D638, или "Стандартный метод испытания свойств пластмасс при растяжении", описывает метод, тип образца и условия испытания для определения прочности при растяжении, удлинения при разрыве и модуля упругости термопластичных и термореактивных полимеров. Он применим к полужестким и жестким пластмассам и служит средством для сравнения продукции различных производителей или различных методов обработки.

Материал стандартизирован для обеспечения повторяемости испытаний на растяжение, минимизации скорости испытания, типа захвата и вариаций формы образца. ASTM D638 находит широкое применение и является основой для инженерного проектирования, выбора материалов и нормативной помощи.

Типы образцов и их подготовка

Спецификация ASTM D638 классифицирует пять типов образцов для испытаний (от типа I до типа V) в зависимости от размера. Чаще всего используются образцы типов I и IV:

Тип I: общая длина 165 мм, ширина тонкого участка 13 мм, толщина 3,2 мм. Чаще всего используется для общих испытаний на растяжение обычных пластмасс.

Тип IV: общая длина 115 мм, ширина тонкой части 6 мм, толщина 3 мм. При ограниченном наличии материала или в качестве базового исследования для сравнения.

Образцы могут быть изготовлены методом литья под давлением, компрессионного формования, экструзии или путем вырезания из пластин. Также необходимо обратить внимание на то, чтобы образцы не имели дефектов, т.е. пустот, царапин или неровностей на поверхности, поскольку они могут довольно сильно повлиять на результаты растяжения.

Процедура испытания

При испытании на растяжение образец помещается в универсальную испытательную машину (УИМ) и нагружается контролируемой одноосной растягивающей нагрузкой вплоть до разрушения. Некоторые из важных факторов, участвующих в этом процессе, следующие:

1. Выбор захвата: Образцы удерживаются пневматическими или механическими захватами. Захват не должен вызывать проскальзывания и не должен быть источником концентрации напряжений.

2. Скорость испытания: Скорость траверсы зависит от типа материала и толщины образца. Для образцов номинального типа I толщиной 3,2 мм скорость часто составляет 50 мм/мин. Скорость может влиять на измеряемое удлинение и прочность на разрыв в случае вязкоупругих пластмасс.

3. Условия кондиционирования: Образцы выдерживаются при относительной влажности 50% и температуре 23°C в течение минимум 40 часов в соответствии с ASTM D618, чтобы они были максимально стабильными в отношении содержания влаги и температуры.

Основные измеряемые свойства

Испытания по стандарту ASTM D638 включают некоторые из наиболее важных свойств материала:

Предел прочности при растяжении при текучести: Максимальное напряжение, которое выдерживает материал, прежде чем подвергнется необратимой деформации. Например, ПЭВП обычно растягивается при 20-30 МПа, в то время как поликарбонат (ПК) может растягиваться при 60-70 МПа.

Предел прочности при разрыве: Напряжение, при котором образец в конечном итоге разрушается. Хрупкие пластмассы, такие как полистирол, ломаются на пределе текучести или вблизи него, в то время как вязкие пластмассы, такие как полиэтилен, значительно растягиваются перед разрывом.

Удлинение при разрыве: Удлинение при разрыве в процентах. ПЭВП может иметь удлинение 400-600%, в то время как у полистирола оно составляет менее 5%.

Модуль упругости (модуль Юнга): Мера жесткости, определяемая по наклону первой линейной части кривой "напряжение-деформация". Например, модуль упругости полипропилена составляет около 1,5-2 ГПа, а ПВХ - до 3-3,5 ГПа.

Эти значения применяются инженерами для определения того, сможет ли материал выдержать эксплуатационные нагрузки без разрушения или необратимой деформации.

Области применения испытаний ASTM D638

1. Выбор инженерного материала

Проектировщики выбирают пластмассы для конструкционных элементов на основе данных ASTM D638. Например, при выборе материала для компонентов автомобиля, таких как внутренние панели, прочность на разрыв и удлинение определяют, является ли пластик ударопрочным и гибким без образования трещин.

2. Контроль качества изготовления

Производителипластмасс могут иногда тестировать партии, чтобы убедиться в постоянстве механических свойств. Изменение температуры экструзии, давления впрыска или скорости охлаждения отражается на свойствах при растяжении. ASTM D638 является общепринятым методом проверки соответствия материалов техническим условиям перед отправкой.

3. Исследования и разработки

При проведении НИОКР испытания на растяжение определяют влияние добавок, наполнителей или армирования в сырье. Например, добавление стекловолокна в полипропилен увеличивает прочность на разрыв с 30 МПа до более чем 80 МПа и снижает удлинение при разрыве в два раза. Стандарт ASTM D638 обеспечивает эффективное сравнение между составами.

4. Соответствие нормативным требованиям

Медицинские приборы, упаковки для пищевых продуктов и электронные компоненты часто требуют механических испытаний по ASTM D638 для соответствия стандартам ISO, FDA или ASTM. Полиэтиленовые трубки, одобренные FDA, являются одним из таких примеров, когда необходимо обеспечить однородность свойств при растяжении для безопасного использования в медицинских устройствах.

Заключение

ASTM D638 - это стандарт, определяющий испытания пластмасс на растяжение для определения их свойств. Обеспечивая достоверные процедуры испытаний, подготовки образцов и анализа, он позволяет инженерам и производителям принимать обоснованные решения по выбору материалов, разработке изделий и обеспечению качества. Стандарт обеспечивает стабильное и безопасное поведение пластмасс при механических нагрузках, начиная от автомобильных панелей и заканчивая медицинскими приборами. Дополнительную информацию можно получить в Stanford Advanced Materials (SAM).