ГОСТ 4648: прочность пластмасс при изгибе и выбор материала для детали

Прочность при изгибе в паспорте пластмассы показывает, хорошо ли сделан материал, но не говорит, сколько выдержит конкретная планка в вашем узле.

Стандарт действует с 2015 года и построен на ISO 178

По карточке каталога ГОСТ 4648-2014 «Пластмассы. Метод испытания на статический изгиб» действует, введён 1 марта 2015 года взамен ГОСТ 4648-71 и содержит требования ISO 178:2010. Поправки 2016, 2019 и 2021 годов касаются перечня стран, принявших стандарт. Старый ГОСТ 4648-71 по той же базе восстановлен с 1 марта 2016 года только для продукции по государственному оборонному заказу.

Метод применяют к термопластам для формования и экструзии, в том числе наполненным и упрочнённым, к жёстким термопластичным листам и термореактивным материалам. Жёсткими стандарт называет пластмассы с модулем упругости при изгибе или растяжении больше 700 МПа. Для мягких и вязкоэластичных материалов изгиб, по пункту 1.7, менее пригоден, чем для жёстких и хрупких.

Рекомендуемый образец 80 × 10 × 4 мм лежит на пролёте 64 мм

Рекомендуемый образец по пункту 6.1.2 имеет длину 80 ± 2 мм, ширину 10,0 ± 0,2 мм и толщину 4,0 ± 0,2 мм. Толщина в средней трети не должна отличаться от средней больше чем на 2 %, ширина на 3 %. Пролёт считают по формуле L = 16h, для рекомендуемого образца он равен 64 мм. Радиус нагружающего наконечника 5 мм, радиус опор 5 мм для образцов толще 3 мм и 2 мм для более тонких.

Если рекомендуемый образец сделать нельзя, ширину выбирают по таблице 2 стандарта в зависимости от толщины.

Для толстого листа образец срезают до нужной толщины только с одной стороны и при испытании кладут на опоры необработанной стороной. Образцы, толщина которых отличается от средней в партии больше чем на 2 %, отбраковывают.

Метод А идёт на одной скорости, метод Б на двух

Модуль упругости определяют при скорости деформации около 1 %/мин, для рекомендуемого образца это 2 мм/мин. Метод А продолжает испытание на той же скорости до конца. Метод Б после участка модуля переходит на скорость 5 или 50 %/мин, то есть 10 или 100 мм/мин для рекомендуемого образца: 10 мм/мин берут для материалов, которые разрушаются без выраженного максимума нагрузки, 100 мм/мин для остальных. Для контроля качества стандарт рекомендует 10 мм/мин.

Скорость заметно меняет результат. Приложение А стандарта приводит пример для ASA: при скорости траверсы 2, 10 и 100 мм/мин максимальное напряжение составило 87, 92 и 102 МПа, а модуль почти не изменился. У полибутилентерефталата с 30 % стекловолокна максимальное напряжение выросло со 212 до 238 МПа. Разница в 10–17 % между паспортами одного материала может объясняться только скоростью.

Из одной кривой получают три разных напряжения

Стандарт различает изгибающее напряжение при разрушении σfB, при максимальной нагрузке σfM и при заданном прогибе σfc. Заданный прогиб по пункту 3.7 равен 1,5 толщины образца, а при пролёте 16h он соответствует относительной деформации 3,5 %. Третий показатель нужен для пластичных материалов, которые не ломаются и не дают максимума до этой деформации: образец просто гнётся.

Пункт 9.1 даёт формулу σ = 3FL / (2bh²): напряжение растёт линейно с пролётом и обратно квадрату толщины. Обратный счёт полезен при приёмке. Пример: брусок 10 × 4 мм на опорах 64 мм нагружен посередине силой F; при F = 150 Н получается 3 · 150 · 64 / (2 · 10 · 16) = 90 МПа. Значит, брусок капролона ПА 6 сорта А при прогибе 6 мм, то есть 1,5 толщины, должен держать не меньше 150 Н: изготовитель нормирует для этой марки напряжение в этой точке не ниже 90 МПа, а нормы остальных марок связаны с ТУ на капролон. Если тот же брусок сделать толщиной 3 мм, при той же силе напряжение вырастет почти в 1,8 раза.

Паспорта сравнивают по одинаковому показателю

Почему у двух полиамидов шестого типа 121 и 90 МПа? Первая цифра у Ertalon 6 PLA снята как максимум кривой на брусках 4 × 10 × 80 мм при 2 мм/мин и пролёте 64 мм, вторая у капролона задана как нижняя граница партии в точке прогиба 1,5 толщины, где кривая ещё не дошла до максимума. Материалы близки, различаются точки и смысл цифр: типичное значение против гарантированного минимума.

Что такое прочность пластмассы при изгибе по ГОСТ 4648?

Прочность пластмассы при изгибе по ГОСТ 4648-2014 означает изгибающее напряжение, которое возникает на растянутой стороне бруска при трёхточечном изгибе в момент максимальной нагрузки или разрушения. Его считают по формуле σ = 3FL / (2bh²), где F нагрузка, L пролёт, b ширина, h толщина образца. Если образец не ломается до прогиба 1,5 толщины, указывают напряжение при этом прогибе.

Почему прочность при изгибе нельзя брать для расчёта детали?

Прочность при изгибе по ГОСТ 4648-2014 нельзя брать для расчёта детали, потому что стандарт в пункте 1.6 относит результаты к контролю качества пластмасс. Испытание длится минуты при +23 °C на бруске 4 мм, а деталь годами работает под нагрузкой, при нагреве и влажности, и пластмасса ползёт. Формулы метода, кроме того, точны только при линейной зависимости напряжения от деформации и малых прогибах.

Изгиб показывает, как материал ведёт себя в планке и рычаге

Для детали, которая работает на изгиб, полезнее модуль упругости при изгибе, чем прочность: прогиб планки пропорционален обратной величине модуля, и при выборе материала его оценивают первым. Модуль по ГОСТ 4648-2014 считают по наклону кривой между деформациями 0,05 и 0,25 %, и он, по примечанию к пункту 3.11, лишь приблизительно равен модулю Юнга. Старый метод ГОСТ 9550-81 берёт для модуля другой участок кривой, от 0,1 до 0,3 %, и это нужно учитывать при сравнении старых и новых протоколов.

Для текстолита, стеклотекстолита и гетинакса прочность при изгибе входит в нормы стандартов на листы, и по ней удобно сравнивать марки. Например, у текстолита по ГОСТ 5-78 напряжение при изгибе нормировано в пределах 108–152 МПа в зависимости от марки. У термопластов норма на изгиб встречается реже, чаще изготовитель приводит её только как справочную.

Протокол на изгиб читают по одиннадцати строкам

В протоколе по разделу 11 сначала ищут три строки, без которых цифру не с чем сравнить: пролёт, метод А или Б со скоростью и поверхность, на которую давил наконечник. Затем смотрят, как и откуда сделаны образцы: литьём или вырезкой, из листа какой толщины, вдоль или поперёк. Остальное (марка и изготовитель материала, кондиционирование, точность машины, число образцов, средние значения и разброс) нужно для прослеживаемости партии.

Для детали, вырезанной из толстого блока, особенно важны две строки: направление вырезки и обработанная сторона. Литые блоки и экструзионные стержни анизотропны, и образцы поперёк и вдоль оси дают разные цифры. Если в протоколе этих строк нет, сравнивать его с паспортом другого поставщика бессмысленно.

Испытание из партии заказывают отдельной строкой

Для изгибаемой детали лучшая проверка стендовая: пробную планку или рычаг ставят на опоры как в узле, нагружают рабочей силой и меряют прогиб сразу и через сутки, чтобы увидеть ползучесть. Такая проверка дешевле спора о паспортных цифрах. В КП её оговаривают отдельно, а без неё несущую способность детали мы не указываем, оставляя в документе только марку и паспорт материала со ссылкой на его изготовителя. Для материала из той же заготовки можно добавить и растяжение образцов по ГОСТ 11262.

Для расчёта детали из пластмассы нужны чертёж, схема нагружения, нагрузка и её длительность, температура и влажность в цехе, допустимый прогиб. По этим данным выбирают материал из инженерных пластиков или капролон, а деталь изготавливают механической обработкой из листа или стержня.