ГОСТ 9550: модуль упругости пластмасс и как его сравнивать

Модуль упругости отвечает на вопрос о прогибе и зазорах, а прочность о разрушении, и для большинства пластмассовых деталей первым ограничением оказывается именно прогиб.

Стандарт действует с 1982 года и охватывает три вида нагружения

По карточке каталога стандартов ГОСТ 9550-81 «Пластмассы. Методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе» действует, введён 1 июля 1982 года взамен ГОСТ 9550-71 и соответствует СТ СЭВ 2345-80. По тексту стандарта ограничение срока действия снято протоколом Межгосударственного совета № 5-94. Стандарт не распространяется на ячеистые пластмассы и плёнки.

Модуль упругости приложение к стандарту определяет как меру жёсткости материала, сопротивления развитию упругих деформаций: отношение приращения напряжения к приращению деформации. Для всех трёх видов нагружения это приращение берут между деформациями 0,1 и 0,3 %.

Модуль при растяжении считают по двум точкам кривой

Для растяжения стандарт берёт образцы и аппаратуру по ГОСТ 11262-80, не меньше трёх образцов от партии. Скорость деформации (1,0 ± 0,5) % в минуту, удлинение меряют с погрешностью не больше 0,002 мм. Образцы кондиционируют не меньше 16 часов, испытывают при (23 ± 2) °C и влажности (50 ± 5) %, если документ на материал не задаёт других условий.

Образец нагружают до удлинения 0,5 %, записывают диаграмму и снимают нагрузки F1 и F2 при удлинениях 0,1 и 0,3 %. Модуль Eр = (F2 − F1) · l0 / (A0 · (Δl2 − Δl1)), где l0 расчётная длина, A0 начальное сечение. Если образец ломается раньше 0,5 %, нагружение ведут до меньшей деформации по документу на материал.

Модуль при сжатии требует опоры для тонких образцов

Для сжатия образцы берут по ГОСТ 4651-82, базу измерения делают не меньше 10 мм и не больше 2/3 высоты образца. Если изделие тоньше 5 мм, испытывают пластины 80 × 10 мм (для армированных пластмасс шириной 15 мм) в приспособлении, которое не даёт образцу выпучиться. Скорость деформации та же, около 1 % в минуту, нагружение до 0,5 %.

Модуль при сжатии нужен для деталей, которые работают под давлением: седел, опорных шайб, прокладок из пластика. Для фторопласта, который ползёт под нагрузкой, мгновенный модуль при сжатии показывает только начальную осадку, а длительную оценивают отдельно.

Модуль при изгибе определяют по трём или четырём точкам

Для изгиба стандарт ссылается на образцы и аппаратуру ГОСТ 4648-71 и даёт два метода. В методе А нагрузка приложена посередине пролёта, это трёхточечный изгиб. В методе Б две нагрузки приложены в третях пролёта, это четырёхточечная схема, при которой средняя треть образца изгибается чистым моментом. Пролёт устанавливают от 15 до 17 толщин образца, деформацию крайних волокон доводят до 0,5 %, модуль считают по прогибам при деформации 0,1 и 0,3 %.

Метод выбирают в документе на материал. Модуль при изгибе по приложению к стандарту лишь приблизительно соответствует модулю при растяжении, и в паспортах материалов обе цифры часто стоят рядом и различаются.

Паспорт даёт модуль при растяжении и при изгибе отдельно

Столбики диаграммы показывают верхнее значение модуля из паспорта каждого материала, и рядом стоит вторая цифра, если паспорт её даёт. Капролон Ertalon 6 PLA: 3 600 МПа при растяжении, 3 280 при изгибе. Полиацеталь Ertacetal C: 3 000 и 2 660. PVDF Kynar: при изгибе от 1 379 до 2 310 по марке. TIVAR 1000: 750 при растяжении, около 600 при изгибе (87 тыс. psi по ASTM D790). Фторопласт-4: при изгибе от 460,9 до 833,6 при +20 °C по справочному приложению ГОСТ 10007-80. Цифры служат ориентиром для марок общего назначения, а материал детали фиксируется в КП.

Отношение двух модулей у капролона 0,91, у полиацеталя 0,89. Это значит, что «3 280» в одном паспорте и «3 600» в другом могут описывать один и тот же капролон. Прежде чем выбирать материал по жёсткости, в паспорте ищут слова «при растяжении» или «при изгибе» и состояние образца: паспорт Ertalon 6 PLA указывает сухие образцы из стержней 40–60 мм при +23 °C, а кондиционированный полиамид заметно мягче.

Пример расчёта показывает цену модуля в прогибе

Пластина шириной 50 мм и толщиной 10 мм лежит на опорах с пролётом 200 мм, посередине нагрузка 100 Н. Прогиб f = FL³ / (48EI), момент инерции сечения I = bh³ / 12 = 50 · 1000 / 12 ≈ 4 170 мм⁴. Пример: при E = 3 000 МПа, как у литого полиамида, f = 100 · 8 000 000 / (48 · 3 000 · 4 170) ≈ 1,3 мм. При E = 750 МПа, как у СВМПЭ, прогиб около 5,3 мм. При E = 500 МПа, как у фторопласта при +20 °C, около 8 мм.

Расчёт сделан в упругом приближении для кратковременной нагрузки при комнатной температуре. Под постоянной нагрузкой пластмасса ползёт, и прогиб со временем растёт, у фторопласта и полиэтилена особенно заметно. Поэтому модуль из паспорта даёт нижнюю оценку прогиба, а не окончательное значение.

Как сравнивать модуль упругости разных пластмасс?

Модуль упругости разных пластмасс сравнивают только при одинаковом виде нагружения, растяжении или изгибе, одинаковом участке деформации и одинаковом состоянии образца. ГОСТ 9550-81 берёт наклон между 0,1 и 0,3 %, ГОСТ 4648-2014 и ГОСТ 11262-2017 между 0,05 и 0,25 %. Для полиамида важно, сухой образец или кондиционированный: влага снижает модуль. Разницу в 10 % между паспортами считают различием методов, пока не доказано обратное.

Старые ссылки стандарта указывают на заменённые документы

ГОСТ 9550-81 ссылается на ГОСТ 11262-80 и ГОСТ 4648-71, которые заменены ГОСТ 11262-2017 и ГОСТ 4648-2014. Старый ГОСТ 4648-71 восстановлен с 2016 года только для продукции по государственному оборонному заказу. Новые стандарты определяют модуль по своим правилам: ГОСТ 4648-2014 по пункту 9.3 считает модуль при изгибе между деформациями 0,05 и 0,25 % и отмечает, что у вязкоупругих материалов, полиэтилена, полипропилена и влажного полиамида, модуль заметно зависит от предварительной нагрузки.

Отсюда практическое правило для протоколов. Если документ на материал требует модуль по ГОСТ 9550-81, протокол должен ссылаться на него и указывать участок 0,1–0,3 %. Модуль по новому стандарту для того же материала может отличаться, особенно у пластмасс с нелинейной кривой. Растяжение по новой редакции описывает ГОСТ 11262-2017.

Какая скорость испытания нужна для модуля упругости по ГОСТ 9550?

Модуль упругости по ГОСТ 9550-81 снимают медленно: скорость деформации образца держат в пределах (1,0 ± 0,5) % в минуту для всех трёх видов нагружения, то есть образец проходит рабочий участок 0,1–0,3 % примерно за 12 секунд. При изгибе скорость движения наконечника пересчитывают из этой величины через пролёт и толщину образца. Нагружение заканчивают на 0,5 %, если образец не сломался раньше.

Жёсткость детали не обещают по чужому паспорту

Модуль из паспорта получен на образце при +23 °C за минуты. Деталь работает при другой температуре, во влажном цехе, под длительной нагрузкой. Фторопласт-4 по ГОСТ 10007-80 при −60 °C в 3 раза жёстче, чем при +20 °C, а при нагреве жёсткость любой пластмассы падает. Поэтому в КП модуль материала идёт с пометкой «по данным изготовителя материала», а прогиб детали в узле мы не гарантируем без проверки на образце или пробной детали.

Для расчёта нужны чертёж или эскиз, схема нагружения, нагрузка и её длительность, допустимый прогиб, температура. По этим данным выбирают материал среди инженерных пластиков, а если узлу нужна химическая стойкость, среди деталей из PTFE с учётом его малого модуля. Для резиновых деталей жёсткость оценивают иначе, через твёрдость и напряжение при удлинении, и связь этих величин показывает модуль упругости резины.