ГОСТ 19109: ударная вязкость пластмасс по Изоду

Цифра по Изоду в паспорте пластика помогает отсеять хрупкий материал, но спорить о разнице в одну-две единицы между поставщиками бесполезно: такой разброс укладывается в погрешность метода.

ГОСТ 19109-2017 заменил редакцию 1984 года и модифицирует ISO 180

По карточке стандарта ГОСТ 19109-2017 «Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Изоду» действует, введён с 1 октября 2018 года взамен ГОСТ 19109-84 и содержит требования ISO 180:2000 со степенью соответствия MOD. Он охватывает жёсткие термопласты для литья и экструзии, жёсткие листы, формовочные реактопласты, армированные волокном пластики, препреги и жидкокристаллические полимеры.

Ячеистые материалы пункт 1.4 исключает, а для материалов с длинным волокном образцы с надрезом обычно не применяют. Пункт 1.7 не рекомендует метод для инженерных расчётов: цифра служит для сравнения и контроля. Там же сказано, что о типичном поведении материала больше говорят серии испытаний при разных температурах, скоростях маятника, радиусах надреза и толщинах.

Образец зажимают консолью, удар приходится по стороне надреза

По Изоду брусок стоит вертикально в тисках копра, нижняя часть зажата, верхняя свободна. Пункт 7.5 требует, чтобы плоскость через вершину надреза совпадала с верхней плоскостью зажима, а надрез смотрел на маятник. Маятник бьёт по свободному концу на заданном расстоянии от надреза, и трещина растёт от его вершины. Это главное отличие от удара по Шарпи, где образец свободно лежит на двух опорах.

Пункт 5.1.2 отдельно говорит об усилии зажима: некоторые пластмассы к нему чувствительны, и тогда усилие задают динамометрическим ключом или пневматическим приспособлением и вносят в протокол. Для исследований допускается «перевёрнутый образец» с надрезом в сторону от маятника. Результаты в такой схеме с обычными не сравнивают.

Рекомендуемый образец 80 × 10 × 4 мм несёт надрез А или В

Таблица 1 задаёт брусок длиной 80 ± 2 мм, шириной 10,0 ± 0,2 мм и толщиной 4,0 ± 0,2 мм. Надрез типа А имеет радиус вершины 0,25 ± 0,05 мм, тип В радиус 1,00 ± 0,05 мм, а ширина под надрезом в обоих случаях 8,0 ± 0,2 мм. Рекомендован надрез А; чтобы узнать чувствительность материала к надрезу, испытывают оба типа. На некоторых копрах длину допускается симметрично укоротить до 63,5 мм.

Таблица 2 допускает ещё четыре типа образцов: три длиной 63,5 мм с толщиной 12,7 мм и шириной 3,2, 6,4 или 12,7 мм и брусок длиной 80 мм с толщиной 10 мм и шириной 4 мм. Размеры 63,5 и 12,7 мм соответствуют дюймовым 2,5 и 0,5 дюйма, на таких брусках испытывают по американской методике. Из листа толще 12,7 мм образцы обрабатывают до 12,7 мм, а из листа тоньше 3,2 мм допускается собирать пакет в несколько слоёв.

Энергию считают на сечение под надрезом и округляют до двух цифр

Протокол по Изоду проверяют обратным счётом. Ширина под надрезом 8,0 мм на толщину 4,0 мм дают 32 мм², и значение в кДж/м², умноженное на 0,032, возвращает энергию в джоулях, которую маятник отдал образцу. Пример: в протоколе 6,1 кДж/м² по ISO 180/A, значит, образец забрал около 0,195 Дж. Пункт 7.3 требует, чтобы это было от 10 до 80 % запаса маятника, то есть маятник от 0,25 до 1,95 Дж. Если в протоколе стоит маятник 2,75 Дж, образец взял около 7 % энергии, и цифру стоит переиспытать на более лёгком маятнике.

Вторая проверка касается числа образцов и разброса. Без указаний документа на материал их должно быть не меньше десяти, пять допускаются при коэффициенте вариации меньше 5 %. Результат округляют до двух значащих цифр, поэтому запись «6,137 кДж/м²» говорит скорее о небрежном оформлении, чем о точности. Строка о кондиционировании нужна обязательно: без указаний документа образцы выдерживают не меньше 16 часов при 23 °C и 50 % влажности, а для образцов с надрезом время отсчитывают от нанесения надреза.

Что показывает ударная вязкость по Изоду?

Ударная вязкость по Изоду по ГОСТ 19109-2017 показывает энергию, которую консольно зажатый брусок 80 × 10 × 4 мм поглощает при разрушении ударом маятника, отнесённую к сечению под надрезом, в кДж/м². Испытание идёт при 23 °C после кондиционирования не меньше 16 часов. По цифре сравнивают марки и партии на хрупкость, а прочность детали по ней не рассчитывают.

Разброс между лабораториями достигает 70 % от среднего

Приложение А стандарта приводит круговые испытания шести лабораторий на трёх материалах с образцами из одного источника. Предел повторяемости r показывает, насколько могут разойтись два результата в одной лаборатории, предел воспроизводимости R показывает то же для разных лабораторий, оба с вероятностью около 95 %.

Вывод для снабжения простой. Если паспорт одного поставщика даёт полиамиду 5 кДж/м², а другого 7 кДж/м², по ударной вязкости материалы неразличимы: разница меньше R для хрупких марок. Различие становится значимым, когда цифры отличаются в разы или когда меняется тип излома. Сам стандарт оговаривает, что эти значения не годятся для отбраковки материала и показывают лишь порядок прецизионности.

Паспорт по ASTM D256 даёт джоули на метр ширины

Американские паспорта пишут ударную вязкость по Изоду по ASTM D256 в ft·lb/in или J/m: энергия отнесена к ширине образца, а не к площади сечения. Один ft·lb/in равен примерно 53,4 J/m. В кДж/м² эту цифру без оговорок не переводят: образцы другого размера, другая глубина надреза.

Значения в таблице типичные и сравнимы между собой только внутри одного метода. Соотношение показательно: полиацеталь по Изоду с надрезом вязче литого полиамида в сухом состоянии примерно в 2,5 раза, а фторопласт не боится удара, зато проседает под постоянной нагрузкой.

Буквы C, H, P и N меняют смысл цифры

Пункт 7.7 различает полное разрушение C, шарнирное H, частичное P и отсутствие разрушения N, когда образец лишь изгибается и выскакивает из зажима. Для контроля качества в расчёт идут только разрушившиеся образцы. В протоколе пишут среднее для самого частого типа излома с буквой, а второй тип в скобках, если на него пришлось больше трети образцов.

Запись «12C» и «12P» означает разное поведение. В первом случае брусок раскололся, во втором надорвался и остался целым. Для ролика, который встречает удар груза, и для разрезного кольца, которое при монтаже разводят на валу, материал с изломом P или N предпочтительнее при равной цифре.

Как сравнить ударную вязкость по Изоду из разных паспортов?

Ударную вязкость по Изоду из разных паспортов сравнивают, только если совпадают метод и единицы: ISO 180 в кДж/м² или ASTM D256 в J/m, тип надреза А или В, состояние образца и температура. Разница меньше межлабораторного разброса, который для хрупких пластмасс достигает 3–4 кДж/м², значения для выбора не имеет. Значимы различия в разы и смена типа излома.

Для детали цифра говорит о канавке, кромке и холоде

Надрез по Изоду моделирует концентратор у заделки: так работает зуб шестерни, выступ направляющей, бурт втулки у торца. Если по Изоду с надрезом материал хрупкий, острый переход от бурта к телу втулки при ударе даст трещину именно там. Скругление в этом месте действует как переход от надреза А с вершиной 0,25 мм к надрезу В с вершиной 1 мм, и разница между ними видна в паспортах, где приведены оба значения.

Холод влияет сильнее, чем выбор поставщика. Паспортная цифра снята при 23 °C, после выдержки по ГОСТ 12423, и для детали на морозе её нужно запросить при рабочей температуре. Для полиамида значима и влажность: в паспорте указывают, сухие или кондиционированные были образцы, и по этому признаку цифры двух каталогов часто расходятся сильнее, чем по самому материалу.

Ударную стойкость детали подтверждают в узле

Для детали, которую будут бить, полезен план проверки из трёх шагов. Сначала по паспортам отсекают материалы, у которых цифра по Изоду с надрезом в разы ниже остальных или излом всегда C. Затем точат пробные детали из двух оставшихся марок и ставят их в узел или на простой стенд: груз известной массы падает с известной высоты на деталь в рабочем положении. Последний шаг: осмотр после заданного числа ударов, трещины у буртов и канавок, побеление. Ударную стойкость детали в КП мы не обещаем до такой проверки, указываем марку, паспорт изготовителя материала и метод, по которому снята цифра.

Если удар связан с холодом, стенд или протокол нужны при рабочей температуре. Для заказа понадобятся чертёж или образец детали, марка старого материала, если известна, фото излома сломанной детали и описание удара: что бьёт, с какой высоты или скоростью, как часто. Детали из инженерных пластиков изготавливают механической обработкой из стержня или листа, и для протокола по ГОСТ 19109-2017 образцы удобно вырезать из той же заготовки с указанием направления относительно её оси.