ГОСТ 12021: температура изгиба под нагрузкой пластмасс и эбонита

Температура изгиба под нагрузкой показывает, при каком нагреве пластмасса перестаёт держать форму под небольшим постоянным усилием, и для деталей под нагрузкой это более точная граница, чем «рабочая температура» из рекламного листа.

Стандарт 2017 года построен на ISO 75-2 и знает три напряжения

По карточке стандарта ГОСТ 12021-2017 «Пластмассы и эбонит. Метод определения температуры изгиба под нагрузкой» действует, введён с 1 октября 2018 года взамен ГОСТ 12021-84 и содержит требования ISO 75-2:2013. Общие положения метода вынесены в ГОСТ 34371-2017, а ГОСТ 12021 задаёт режимы для пластмасс, включая наполненные и армированные волокном длиной не больше 7,5 мм, и для эбонита.

Режимы различаются изгибающим напряжением: А при 1,80 МПа, В при 0,45 МПа, С при 8,00 МПа. Режим А стандарт называет предпочтительным. Обозначают результат как Tf 1,8, Tf 0,45 или Tf 8,0. Ячеистые материалы и материалы, у которых температура при 0,45 МПа ниже 40 °C, в область применения не входят.

Брусок 80 × 10 × 4 мм лежит плашмя на пролёте 64 мм

Брусок для режима А тот же, что в большинстве механических методов: 80 × 10 × 4 мм с допусками ±2, ±0,2 и ±0,2 мм. Здесь важнее другое: опоры на расстоянии 64 ± 1 мм (допускается 100 ± 2 мм) и наконечник с радиусом 3,0 ± 0,2 мм, а по средней трети длины размеры не должны гулять больше 2 %. Пункт 6.4 требует минимум двух образцов, причём нагружать их надо с разных сторон: так гасят коробление, которое у литого бруска появляется при нагреве и без нагрузки.

Таблица 1 допускает и длинные бруски 110–120 мм толщиной 3,0–4,2 мм при формовании и 3,0–13,0 мм при механической обработке, шириной 9,8–15,0 мм, в том числе в положении на ребре. Для листовых материалов толщина образца обычно равна толщине листа, от 3 до 13 мм, рекомендуется 4–6 мм, и лист по толщине не срезают. Отжиг образцов допускается только по документу на материал или по соглашению сторон, потому что он обычно повышает результат.

Нагрузка на брусок составляет всего несколько ньютонов

Нагрузку считают по формуле F = 2σbh² / 3L. Для бруска 10 × 4 мм на пролёте 64 мм при режиме А получается 2 · 1,8 · 10 · 16 / 192 = 3,0 Н, то есть груз около 300 г вместе со стержнем. Режим В даёт 0,75 Н, режим С около 13,3 Н. Пункт 8.1 требует учесть массу нагружающего стержня и силу пружины индикатора, а отклонение нагрузки от расчётной допускает в пределах ±2,5 %.

Эти числа полезно держать рядом с реальной нагрузкой на деталь. Изгибающее напряжение 1,8 МПа намного меньше паспортной прочности при растяжении литого полиамида, 88 МПа. Если в детали под нагрузкой напряжения выше 1,8 МПа, она начнёт деформироваться при нагреве раньше, чем показывает Tf 1,8; ориентиром тогда служит режим С при 8 МПа, если изготовитель материала его приводит.

Брусок греют со скоростью 120 °C в час до прогиба 0,34 мм

Нагрев идёт в жидкости или в печи с принудительной циркуляцией воздуха со скоростью 120 ± 10 °C/ч, то есть 12 ± 1 °C каждые 6 минут. Начинают не выше 27 °C, допускается от 20 до 30 °C. Через 5 минут после нагружения индикатор прогиба обнуляют, затем греют и отмечают температуру, при которой прогиб достигает заданного значения. В качестве теплоносителя стандарт называет жидкий парафин, трансформаторное, глицериновое и силиконовое масла, если они не вызывают набухания и растрескивания образца.

Заданный прогиб соответствует приросту деформации изгиба 0,2 % и зависит от толщины бруска по таблице 2.

Повтор обязателен, если отдельные значения у аморфных пластмасс и эбонита различаются больше чем на 2 °C, а у полукристаллических больше чем на 5 °C. Стандарт прямо отмечает, что режимы лучше воспроизводятся на аморфных материалах.

Что такое температура изгиба под нагрузкой пластмассы?

Температура изгиба под нагрузкой пластмассы по ГОСТ 12021-2017, в паспортах HDT, это температура, при которой нагретый со скоростью 120 °C в час брусок на двух опорах прогибается на 0,34 мм при толщине 4 мм. Изгибающее напряжение задаёт режим: 1,80 МПа в режиме А, 0,45 МПа в режиме В, 8,00 МПа в режиме С. Для литого полиамида 6 по паспорту в режиме А это 80 °C.

Метод сравнивает только материалы с близкой жёсткостью

В разделе 1 есть оговорка, которую в паспортах не повторяют. Начальный прогиб под нагрузкой при комнатной температуре не измеряют, а отношение прироста деформации к начальной зависит от модуля упругости материала. Поэтому метод пригоден для сравнения пластмасс с близкими упругими свойствами при комнатной температуре. Полиамид с модулем около 3 600 МПа и сверхвысокомолекулярный полиэтилен с модулем 750 МПа по этой цифре сравнивают осторожно.

Модуль упругости при комнатной температуре удобно посмотреть в том же паспорте, а метод его определения описан в ГОСТ 9550. Если модули различаются в несколько раз, сравнение по температуре изгиба под нагрузкой дополняют проверкой жёсткости детали при рабочей температуре.

Три температуры в паспорте отвечают на разные вопросы

В паспорте полуфабриката обычно стоят три цифры: температура изгиба под нагрузкой, длительная допустимая температура на воздухе и температура плавления. Длительная допустимая температура, по примечанию изготовителя, отражает термоокислительное старение: после 20 000 часов прочность при растяжении падает примерно вдвое. О нагрузке она ничего не говорит.

Значения типичные для полуфабрикатов одного изготовителя и измерены по ISO 75. Различие между первой и второй колонкой и есть ответ на вопрос «до скольких градусов работает деталь». Без нагрузки, например у крышки или прокладки, ближе вторая цифра. Под нагрузкой, у втулки, направляющей, ролика, ближе первая, а при напряжениях выше 1,8 МПа граница ещё ниже.

Для втулки и ролика температуру считают от узла

Втулка скольжения нагревается трением, и её температура выше температуры цеха. Пример: цех при 35 °C, втулка из литого полиамида на валу, нагрев от трения условно 30 °C, итого около 65 °C. До Tf 1,8 для этого материала остаётся 15 °C, а при давлении в узле выше 1,8 МПа запас меньше. В таком узле разумно рассмотреть материал с более высокой температурой изгиба под нагрузкой или снизить давление увеличением длины втулки.

Для втулок и роликов из капролона есть ещё одна поправка: паспортные значения сняты на сухих образцах, а влага снижает жёсткость полиамида, и вместе с ней сдвигается поведение при нагреве. У ПА66 и ПА12 пределы другие, и их удобно сравнить по температуре эксплуатации полиамида разных марок. Для СВМПЭ низкая температура изгиба под нагрузкой объясняет, почему футеровка и скребки из него хорошо работают на износ при умеренной температуре и плохо держат нагрузку на горячем оборудовании.

Почему температура изгиба под нагрузкой ниже рабочей температуры из паспорта?

Температура изгиба под нагрузкой пластмассы часто ниже длительной рабочей температуры, потому что они измеряют разное. Первая показывает, при каком нагреве брусок прогибается под напряжением 1,8 МПа. Вторая показывает, при какой температуре материал на воздухе без нагрузки за 20 000 часов теряет примерно половину прочности. Для нагруженной детали из пластмассы ориентируются на первую.

Цифру в КП указывают с режимом, а пригодность детали проверяют в узле

Нагретая деталь под нагрузкой ведёт себя иначе, чем брусок в масляной бане: её держат при постоянной температуре сменами, и напряжение в ней своё. Поэтому годность детали к нагреву мы подтверждаем пробой в узле, а в КП записываем марку, паспорт изготовителя и режим А, В или С, в котором снята цифра. Протокол по ГОСТ 12021-2017 на образцах из той же заготовки возможен отдельной строкой, с указанием режима и теплоносителя.

Для подбора материала нагреваемой детали пришлите чертёж, температуру среды и самой детали, если её мерили, нагрузку или давление на поверхность, скорость скольжения для втулки и длительность нагрева. Из этих данных видно, с каким запасом работает материал по температуре изгиба под нагрузкой, и какие инженерные пластики подходят для механической обработки под ваш узел.