Прочность фторопласта: растяжение, сжатие и почему он течёт под нагрузкой

Фторопласт кажется прочным пластиком: его трудно порвать руками, он не крошится и не трескается от удара. Но у него есть особенность, которой нет у большинства конструкционных пластмасс: под постоянной нагрузкой он медленно течёт даже при комнатной температуре. Из-за этого паспортная прочность и допустимая нагрузка на деталь различаются в несколько раз.

ГОСТ 10007-80 нормирует прочность при растяжении по маркам

Таблица 2 ГОСТ 10007-80 задаёт для незакалённого образца прочность при разрыве и удлинение по маркам фторопласта-4. В первом издании стоял срок действия до 01.07.1996, но ограничение снято протоколом № 5-94 Межгосударственного совета по стандартизации (ИУС 11-12-94), и в издании 2005 года с изменениями № 1 и 2 марки и нормы те же, что видно по тексту стандарта. Нормы относятся к образцам из порошка, а прочность стержня или пластины подтверждает документ на заготовку.

Марку О стандарт рекомендует для изделий общего назначения и композиций, марку Т для толстостенных изделий и трубопроводов, и у неё самая низкая норма. Стержень первого сорта может быть сделан и из О, и из Т, а разница между ними почти в полтора раза. Для сравнения, конструкционные пластики вроде капролона или полиацеталя на растяжение держат 60–80 МПа, то есть в два-три раза больше. Удлинение у фторопласта при этом огромное: образец перед разрывом вытягивается в четыре раза.

Сжатие разрушает Ф-4 раньше, чем растяжение

Справочное приложение к ГОСТ 10007-80 приводит разрушающее напряжение при сжатии около 11,8 МПа и модуль при сжатии 686 МПа. Разрушение здесь условное: образец не раскалывается, а расплющивается, и за предел принимают заданную деформацию. Технические листы производителей дают ещё более приземлённую цифру: при сжатии на 1 % чистый PTFE держит всего 4–5 МПа по ASTM D695.

Отсюда практическое правило для неподвижных деталей. Пока давление на опорную поверхность заметно ниже 5 МПа, деталь из чистого Ф-4 работает спокойно; всё, что выше, переходит в область, где решает время под нагрузкой: это хладотекучесть фторопласта, и предел прочности её не описывает. Цифру давления поэтому считают ещё на эскизе, делением силы на опорную площадь.

На схеме те же числа: разрыв марки С 27 МПа, марки О 23 МПа, марки Т 15 МПа, композиция Ф4С15 высшего сорта 12,7 МПа по ТУ 6-05-1413-76, разрушающее при сжатии 11,8 МПа, напряжение при 1 % сжатия около 5 МПа.

Какая прочность у фторопласта Ф-4?

Фторопласт Ф-4 рвётся при 15–27 МПа: по ГОСТ 10007-80 норма для марки Т 15 МПа, для О 23 МПа, для ПН 25 МПа, для С 27 МПа, удлинение перед разрывом 280–350 %. Для сравнения, капролон и полиацеталь держат 60–80 МПа. При сжатии справочный предел Ф-4 около 11,8 МПа. В расчёт длительно нагруженной детали берут напряжение в несколько раз ниже этих чисел.

Наполнитель меняет прочность в обе стороны

Композиции фторопласта с углём, стекловолокном, графитом или бронзой на разрыв слабее чистого Ф-4. Пример из ТУ 6-05-1413-76: заготовки Ф4С15 высшего сорта должны иметь прочность при разрыве не меньше 12,7 МПа и удлинение не меньше 220 %, почти вдвое ниже, чем у марки О. Для Ф4К20 и Ф4К15М5 эти ТУ прочность вообще не нормируют.

Обратная сторона у композиций в посадке под нагрузкой: втулка или седло из Ф-4К20 держит форму под давлением, при котором чистый Ф-4 уже раздавлен. Поэтому среди марок фторопласта выбирают по виду нагрузки: растягивающая и изгибающая требуют чистого материала, постоянное сжатие требует наполненного.

Нагрев снижает прочность быстрее, чем кажется

Все числа таблицы относятся к +23 °C, а рабочий потолок фторопласта +260 °C. Справочный модуль Ф-4 при изгибе на морозе −60 °C втрое выше, чем при +20 °C, и с нагревом снижается дальше, а прочность ведёт себя так же. Болт из фторопласта, который при комнатной температуре держит затяжку неделю, в аппарате на +150 °C ослабнет за дни.

Для горячего узла допускаемую нагрузку берут из паспорта марки при рабочей температуре, а если её нет, снижают нагрузку и проверяют деталь пробой. Мороз, наоборот, делает фторопласт жёстче и прочнее, но вязкость при этом сохраняется: Ф-4 не становится хрупким и при −100 °C.

Расчёт по пределу прочности даёт ошибку в разы

Пример 1: болт М10 из фторопласта для химического аппарата. Площадь сечения по резьбе около 58 мм², при прочности 25 МПа он разорвётся при 58 × 25 ≈ 1 450 Н. Если затянуть его на половину этой силы, через сутки затяжка ослабнет из-за ползучести, и соединение начнёт сочиться. Для длительной нагрузки разумно ориентироваться на напряжение в 4–5 раз ниже предела, около 5–6 МПа, то есть на 300–350 Н на болт. Если этого мало, болт делают металлическим, а фторопласт оставляют на изоляции и защите.

Пример 2: трубка из Ф-4 Ø20 × 2 мм под внутренним давлением 1 МПа. Кольцевое напряжение σ = p · D / (2 · s) = 1 × 20 / 4 = 5 МПа. Это в пять раз ниже предела прочности, но на уровне, где фторопласт уже ползёт: за месяцы трубка раздуется. Поэтому фторопластовые трубки и футеровки под давлением ставят в металлическую оболочку, которая несёт нагрузку.

Почему лента ФУМ намного слабее стержня из фторопласта?

Лента ФУМ слабее стержня из фторопласта потому, что она неспечённая: частицы порошка только раскатаны в плёнку и не сплавлены. По ТУ 6-05-1388-86 её прочность при разрыве не меньше 6,86 МПа у ФУМ-1 высшего сорта и всего 2,94 МПа у ФУМ-3, против 23–27 МПа у спечённого Ф-4. Поэтому лента годится только для резьбы, а плоские прокладки и кольца делают из спечённого материала.

Нагрузку на деталь записывают в заявку цифрой

Самая частая строка в заявке на фторопластовую деталь: «Ф-4, по образцу». Силы, температуры и времени под нагрузкой в ней нет, и эти пробелы изготовитель закрывает своими допущениями о марке, наполнителе и запасе. Лучше, если их видно заранее.

В КП мы пишем отдельно: «нагрузка на деталь заказчиком не задана; принята марка Ф-4 сорт О для неподвижной детали при давлении до 3 МПа и +20…+80 °C; при большей нагрузке предлагается Ф-4К20». Так видно, что материал выбран под допущение, и его пересчитывают, если реальная нагрузка выше. Ресурс детали под длительной нагрузкой мы не обещаем без пробной партии.

Детали из Ф-4 точат с учётом ползучести заготовки

Кольца, втулки, шайбы и сёдла точат из стержней, втулок и пластин на участке механической обработки. Ползучесть влияет и на обработку: заготовку не зажимают сильно, чтобы она не деформировалась в патроне, а тонкие стенки точат с опорой. Готовые детали из фторопласта после обработки выдерживают перед контролем размеров, потому что материал ещё немного «отходит».

Для расчёта детали нужны чертёж или образец, нагрузка на деталь цифрой, рабочая температура, среда и количество. Если нагрузка больше 10 МПа постоянно или деталь держит герметичность опасной среды, выбор марки проходит отдельную техническую оценку.