Лабораторная работа №12. Влияние концентратора напряжения на сопротивление пластмасс при ударном изгибе

12.1 Цель работы: ознакомиться с основными видами пластмасс (термопластичные и термореактивные) и исследовать влияние концентратора напряжений некоторых видов пластмасс на сопротивление при ударном изгибе.

12.2 Задание

12.2.1 Изучить, используя литературные источники [1, 2] основные виды пластмасс, их строение, свойства и область применения.

12.2.2 Определить ударную вязкость пластмассы на сплошных образцах и образцах с надрезами.

12.2.3 Определить коэффициент ослабления для пластмассы в зависимости от вида надреза, природы и формы наполнителя.

12.2.4 По результатам исследования сделать вывод.

12.2.5 Ответить на индивидуальный вопрос.

12.2.6 Составить отчет.

12.3 Общие положения

Пластмассами называются материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. В качестве связующих веществ для большинства пластмасс используют синтетические смолы, реже применяют эфиры и целлюлозы.

Пластмассы бывают простые и сложные. Простые пластмассы состоят из одного связующего вещества (полимера), например, полиэтилен, оргстекло и др. Сложные пластмассы состоят из полимера и других веществ (наполнители, стабилизаторы, пластификаторы и др.), имеющих различное назначение.

Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов их сочетания и количественного соотношения, что позволяет изменить характеристики пластиков в достаточно широких пределах.

По характеру связующего веществ пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты), получаемые на основе термопластичных полимеров, и термореактивные (реактопласты), получаемые на основе термореактивных смол.

Термопласты обычно изготовляют без наполнителя. Они удобны для переработки в изделия, дают незначительную усадку при формовании (1-3%). Материал отличается большой упругостью, малой хрупкостью и способностью к пластическому деформированию при повторном нагреве.

Термореактивные полимеры после отверждения и перехода связующего в термостабильное состояние хрупки, часто дают большую усадку (до 10 – 15%) при их переработке, поэтому в их состав вводят усиливающие наполнители.

По виду наполнителя пластмассы делятся на порошковые (карболиты) с наполнителями в виде древесной муки, графита, талька и др.; волокнистые с наполнителями в виде очесов хлопка и льна (волокниты), стеклянного волокна (стекловолокниты), асбеста (асбоволокниты); слоистые, содержащие листовые наполнители: бумага в гетинаксе, хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые ткани в текстолите, стеклотекстолите и асботекстолите; древесный шпон в древесносложных пластиках; газонаполненные (наполнитель – воздух или нейтральные газы) – пено- и поропласты.

По применению пластмассы можно подразделить на силовые (конструкционные, фрикционные и антифрикционные, электроизоляционные) и несиловые (оптически прозрачные, химически стойкие, электроизоляционные, теплоизоляционные, декоративные, уплотнительные и др.)

Особенностью пластмасс являются: плотность (1-2 т/м³), низкая теплопроводность (0,1-0,3 Вт/мК), значительное тепловое расширение; хорошие электроизоляционные свойства; высокая химическая стойкость; фрикционные и антифрикционные свойства. Прочность силовых пластиков сопоставима с прочностью стали и выше. Пластмассы имеют хорошие технологические свойства.

Недостатками пластмасс являются: невысокая теплостойкость, низкие модуль упругости и удельная вязкость по сравнению с металлами и сплавами, а для некоторых пластмасс склонность к старению.

Пластмассы подвергаются механическим испытаниям, которые заключаются в следующем:

1) статические испытания на растяжение, сжатие и изгиб;

2) динамические испытания на удар;

3) определение твердости.

Подобные испытания проводятся и для неметаллических материалов, однако количественные закономерности, установленные для металлических материалов, не могут быть применены к синтетическим полимерным материалам, т. к. эти материалы имеют иную принципиально отличную структуру, состоящую из макромолекул, связанных между собой физическими (термопласты) или химическими связями (реактопласты).

Механическое формирование полимеров является весьма сложным процессом, связанным с химическим применением полимера, возникновением и ростом трещин. Эти процессы обуславливаются температурой, при которой происходит деформация и скоростью приложения нагрузки. Хрупкое разрушение полимеров, т.е. без предварительной деформации, даже при больших скоростях приложения нагрузки, как правило, отсутствует и может иметь место только при очень низких температурах, препятствующих перегруппировке молекул. Поэтому при испытании на ударный изгиб в всех случаях будем иметь условно хрупкое разрушение. Температура условно хрупкого разрушения для разных по природе полимеров имеет разную величину, например, для полистирола она соответствует +90⁰ С, для поливенилхлорида –90⁰ С.

Влияние надреза образца обуславливается механизмом разрушения полимеров. Являясь концентратором напряжений, надрез будет особенно способствовать более раннему возникновению трещины и их более интенсивному распространению, а значит и меньшей затраты работы на разрушение образца. При этом, чем острее и глубже надрез, тем меньше потребуется затратить работы на разрушение образца.

Таким образом, несмотря на иную природу материалов, основные выводы по влиянию надреза, установленные для металлов сохраняют силу и для пластмасс.

Эти выводы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Чем меньше радиус надреза при одинаковой глубине его, тем больше концентрация напряжений у дна надреза.

2. Чем глубже надрез при одинаковом радиусе и ширина его, тем больше концентрация напряжений у дна надреза.

Выполнение этих условий способствует понижению ударной вязкости полимеров как термопластов, так и реактопластов. При этом для первых хрупкие разрушения под влиянием надреза будет сопровождаться большой остаточной деформацией чем для вторых.

Различное отношение ненаполненных пластмасс к концентраторам напряжений, по-видимому, объясняется особенностями их структуры, которая в свою очередь как бы определяет и объем материала, участвующий в деформации.

Результаты испытания различных пластмасс на ударный изгиб на образцах с надрезом и без него приведены в таблице 12.1

Таблица 12.1

Механические характеристики пластмасс

№п/п	Наименование материала	Ударная вязкость, кДж/м^2		Коэфф. ослабления К=а/а1  100%
		без надреза а	С надрезом а1
1	Винипласт	20,02	2,48	12,1
2	Аминопласт (пресспорошки)	7,7	1,5	18,1
3	Фенопласт (пресспорошки)	6,5	2,4	37,0
4	Волокнит с асбестом коротко-волокнистый	4,2	2,6	62,0
5	Волокнит с асбестом длинноволокнистый	22,0	22,0	100
6	Гетинакс	20,0	18,8	94,0
7	Стекловолокнит АГ-4С	66,0	63,0	95,0

12.4 Порядок выполнения работы

Образцы различных пластмасс представленных к исследованию изготовлены с надрезом (рис. 12.1б) и без надреза. Для определения ударной вязкости, образцы подвергаются разрушению на маятниковом копре (рис. 12.1а) с энергией удара 1,5 кДж. Работа, затраченная на разрушение образца определяет по шкале, имеющейся на копре.

а б

Рис.12.1. Образцы и схема маятникового копра для испытания

на ударную вязкость:

а - схема работы маятникового копра;

б – образцы для испытания на ударную вязкость

Ударная вязкость образцов из различных пластмасс определяется по формуле:

, кДж/м² (12.1)

где А – работа, затраченная на излом образца, кДж;

F₀ – площадь поперечного сечения образца, м².

Результаты исследований заносятся в таблицу 12.2.

Принятые характеристики ударной вязкости являются сугубо условной, так как зависит от множества внешних факторов и представляет собой отношение работы к площади сечения, не ко всему объему материала, участвующему в деформации. По этой причине результаты ударных испытаний ненадрезанных образцов могут служить только для сравнения относительной склонности к хрупкому разрушению материалов в зависимости от их состава и технологии изготовления, результаты испытания образцов с надрезом – для определения чувствительности материала к надрезам. В последнем случае мерой такой чувствительности является коэффициент ослабления (К₁), представляющий собой отношение ударной вязкости образцов с надрезом и без надреза, выражается в %., т.е.

,

где а₁ – ударная вязкость образца с надрезом, кДж/м²;

а – ударная вязкость образца без надреза, кДж/м².

Результаты расчетов заносятся в таблицу 12.2.

При всестороннем изучении влияния различных концентраторов напряжений надрезы могут иметь разные формы и размеры.