ГОСТ 4647: ударная вязкость пластмасс по Шарпи и выбор материала

Ударная вязкость в паспорте пластмассы отвечает на вопрос, сколько энергии нужно, чтобы сломать стандартный брусок одним ударом, и почти ничего не говорит о том, выдержит ли удар ваша деталь без проверки.

Стандарт 2015 года заменил редакцию 1980 года и опирается на ISO 179-1

По карточке стандарта ГОСТ 4647-2015 «Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Шарпи» действует, введён с 1 января 2017 года взамен ГОСТ 4647-80. Он соответствует ISO 179-1:2010 со степенью NEQ, то есть повторяет международный метод не дословно: основные разделы построены по-своему, а раздел 10 воспроизводит образцы и надрезы ISO для научно-исследовательских работ и сравнения с зарубежными материалами.

Метод распространяется на жёсткие термопласты для литья и экструзии, листы из термо- и реактопластов, слоистые и армированные волокном пластики, препреги, жидкокристаллические полимеры и ячеистые пластмассы. Пункт 1.5 относит результаты к контролю качества и сравнению материалов, а пункт 1.6 прямо не рекомендует метод для конструкторских расчётов. Ограничение касается каждого случая, когда цифру из паспорта переносят в техническое задание на деталь.

Три типа образцов отличаются длиной и пролётом между опорами

Таблица 1 стандарта задаёт три типа брусков. Тип 1 имеет длину 120 мм, ширину 15 мм, толщину 10 мм и пролёт 70 мм. Тип 2 длиной 80 мм, шириной 10 мм и толщиной 4 мм кладут на опоры с пролётом 60 мм. Тип 3 самый короткий: 50 × 6 × 4 мм на пролёте 40 мм. Если документ на материал молчит, пункт 6.1.2 рекомендует тип 2 с надрезом типа В.

Глубина надреза связана с толщиной: под надрезом типа А остаётся две трети толщины, под надрезом типа В 0,8 толщины. Из листа толщиной до 10,5 мм образец делают на всю толщину листа, из более толстого листа его фрезеруют с одной стороны до 10 мм и при ударе плашмя растягивают необработанную сторону. Надрез наносят однозубой фрезой, абразивный инструмент пункт 6.2.7 запрещает, а результаты на отформованных и фрезерованных надрезах несопоставимы.

Маятник подбирают так, чтобы образец забрал от 10 до 80 % энергии

Испытывают на маятниковом копре по ГОСТ 10708. Пункт 8.2 требует, чтобы на разрушение уходило не меньше 10 % и не больше 80 % запаса энергии маятника, а если подходят несколько маятников, берут самый мощный. Потери на трение вычитают по ГОСТ 10708. Образец кладут так, чтобы нож ударил по стороне, противоположной надрезу. Если документ на материал не говорит иного, удар наносят плашмя, по широкой грани.

Перед испытанием образцы кондиционируют по документу на материал, а без указаний в атмосфере 23/50 по ГОСТ 12423, то есть при 23 °C и относительной влажности 50 %. Испытывают в тех же условиях. Документ на материал задаёт и число образцов; без него пункт 6.2.6 требует не меньше десяти.

Ударную вязкость считают на сечение под надрезом

Для образца без надреза ударная вязкость равна поглощённой энергии, делённой на произведение ширины и толщины, с множителем 10³, чтобы из джоулей на квадратный миллиметр получить кДж/м². Для образца с надрезом в знаменатель идёт ширина и толщина под надрезом при ударе плашмя или ширина под надрезом при ударе в ребро. Результаты всех образцов усредняют и округляют до двух значащих цифр.

Пример: образец типа 2 с надрезом типа А, ширина 10,0 мм, толщина под надрезом 2,7 мм, площадь сечения 27 мм². Если маятник отдал на разрушение 0,08 Дж, ударная вязкость равна 0,08 / 27 · 10³ ≈ 3,0 кДж/м². Чтобы 0,08 Дж уложились в окно от 10 до 80 %, запас маятника должен быть от 0,1 до 0,8 Дж. Если бы те же 0,08 Дж поглотил брусок без надреза сечением 40 мм², получилось бы 2,0 кДж/м²: знаменатель другой, поэтому вязкости с надрезом и без надреза между собой не сравнивают.

Что показывает ударная вязкость пластмассы по Шарпи?

Ударная вязкость пластмассы по Шарпи показывает энергию, которую стандартный брусок поглощает при разрушении одним ударом маятника, отнесённую к площади сечения, в кДж/м². По ГОСТ 4647-2015 её определяют на образцах с надрезом и без надреза при 23 °C после кондиционирования. Цифра годится для сравнения марок и контроля партий, а для расчёта детали стандарт её не рекомендует.

Буквы C, H, P и N говорят, как сломался образец

Раздел 10 вводит четыре типа разрушения. C означает полное разрушение на две части и больше, H шарнирное, когда половинки держатся на тонком слое, P частичное, N отсутствие разрушения: брусок проскальзывает между опорами, иногда побелев от напряжения. В протоколе по таблице 6 пишут среднее для самого частого типа, а в скобках добавляют второй тип, если на него пришлось больше трети образцов.

Отсюда записи вида «115P» и «no break» в паспортах. Буква P рядом с числом означает, что образцы не разломились до конца и энергия ушла на изгиб и надрыв. Такой результат нельзя ставить в один столбец с хрупким изломом C: материал с P при той же цифре ведёт себя в детали мягче, гнётся и белеет, а не раскалывается.

Код ISO 179-1/1eA называет образец, удар и надрез

Паспорта зарубежных и многих отечественных материалов пишут результат по обозначениям раздела 10. В коде «ISO 179-1/1eA» единица означает образец 80 × 10 × 4 мм, буква e удар в ребро, A надрез с радиусом вершины 0,25 мм. Надрез B/179-1 имеет радиус 1,00 мм, C/179-1 радиус 0,10 мм; ширина под надрезом во всех трёх случаях 8,0 мм. Код 1eU означает тот же брусок без надреза при ударе в ребро, 1fU без надреза плашмя.

Здесь легко ошибиться. Надрез «типа В» из основной части ГОСТ 4647-2015 и надрез «B/179-1» из раздела 10 различаются глубиной, направлением удара и обозначением, хотя буква одна. Протокол лаборатории по пункту 6.1.2 и паспорт по ISO 179-1/1eB сравнивать нельзя, пока не совпадут тип образца, надрез и направление удара. Если строка паспорта не содержит кода, цифру используют только для сравнения внутри одного каталога.

Паспорта сравнивают в одном коде и в одном состоянии

Таблица собрана по паспортам одного изготовителя полуфабрикатов, где все цифры сняты по ISO 179-1 на образцах, выточенных из стержней, при 23 °C. Полиамид в этом каталоге испытан в сухом состоянии. Значения типичные, гарантированным минимумом партии они не служат.

Из таблицы видно главное для выбора. Без надреза полиамид, полиацеталь и СВМПЭ одинаково не ломаются, и по этой строке их не различить. С надрезом полиацеталь держит удар заметно лучше литого полиамида в сухом состоянии, PET-P самый чувствительный к надрезу, а сверхвысокомолекулярный полиэтилен даже с надрезом не раскалывается полностью.

Надрез в паспорте отвечает за канавку, резьбу и острый угол в детали

Деталь из пластмассы почти всегда несёт концентратор: канавку под стопорное кольцо во втулке, паз под шпонку в ролике, резьбу, отверстие под штифт, разрез кольца. Цифра с надрезом показывает, как материал реагирует на такое место. Если без надреза образец не ломается, а с надрезом даёт 2–3 кДж/м², деталь с острой канавкой при ударе треснет по канавке, хотя гладкий участок выдержал бы.

Для конструктора отсюда три решения. Первое: давать радиус в углах канавок и пазов вместо острого угла, особенно у PET-P и литого полиамида. Второе: для роликов и отбойников под ударную нагрузку смотреть на материалы с высокой вязкостью с надрезом и типом излома P или N. Третье: для деталей из капролона учитывать, что паспортная цифра часто снята на сухих образцах, а в цехе материал набирает влагу, и ударное поведение меняется; при каком состоянии снята цифра, говорит строка кондиционирования в протоколе.

Чем отличается ударная вязкость с надрезом от вязкости без надреза?

Ударная вязкость с надрезом по ГОСТ 4647-2015 считается на сечение под надрезом и показывает, как материал сопротивляется росту трещины от концентратора. Вязкость без надреза отражает поведение гладкого бруска. У вязких пластмасс разница достигает десятков раз, поэтому для деталей с канавками, резьбой и пазами при выборе материала смотрят строку с надрезом.

Холод и толщина меняют результат, и стандарт это оговаривает

Пункт 1.4 перечисляет факторы, из-за которых результаты становятся несопоставимыми: размеры образца, надрез, способ изготовления, энергия маятника, скорость удара, кондиционирование. Пункт 1.6 добавляет, что более полную картину дают испытания при разных температурах, скоростях удара, радиусах надреза и толщинах. Паспортная цифра снята при 23 °C, и для ролика уличного конвейера при −30 °C она не годится: ударную вязкость при морозе нужно запрашивать отдельно, с температурой испытания в протоколе.

Толщина тоже важна. Образец из листа делают на всю толщину листа до 10,5 мм, и брусок 4 мм и брусок 10 мм одного материала дают разные значения. Для сравнения с изгибной жёсткостью удобно держать рядом прочность при изгибе по ГОСТ 4648: высокая жёсткость и низкая вязкость с надрезом вместе указывают на хрупкий материал.

Ударную стойкость детали проверяют пробой, а в КП пишут марку и паспорт

Паспортная ударная вязкость не обещает, что ролик или втулка переживёт удар в вашем узле. Мы не указываем в КП ударную стойкость детали, пока она не подтверждена испытанием: в документе остаются марка материала, ссылка на паспорт его изготовителя и метод, по которому снята цифра. Если удар для узла главный, разумно заказать пробную партию и проверить её в работе или на стенде с той же массой и скоростью удара.

Протокол из партии по ГОСТ 4647-2015 заказывают отдельной строкой, и в нём проверяют: тип образца и надреза, направление удара, энергию маятника, кондиционирование, место вырезки образца в заготовке, тип излома и разброс. Для заготовки большой толщины особенно важно место вырезки: литой блок и экструзионный стержень неоднородны по сечению. Сравнить ударную вязкость по Шарпи и по Изоду можно только качественно, это разные схемы нагружения.

Для подбора материала ударной детали пришлите чертёж или эскиз с канавками и радиусами, описание удара (масса, скорость или высота падения, частота), температуру в цехе или на улице и контакт с водой. По этим данным выбирают марку из инженерных пластиков, а детали изготавливают механической обработкой из стержня или листа.