ASTM D256

ASTM D256 — это стандартный метод испытаний Американского общества по испытаниям материалов (ASTM), предназначенный для определения ударной вязкости пластмасс методом маятникового копра (методы Изода и Шарпи). Стандарт устанавливает процедуры измерения энергии, необходимой для разрушения стандартного образца из пластика при ударе маятником, и является одним из наиболее распространённых методов оценки сопротивления материалов хрупкому разрушению.

История и разработка

Стандарт ASTM D256 был впервые опубликован в 1940-х годах как часть серии методов для испытаний пластмасс, разрабатываемых комитетом ASTM D20 (Plastics). С течением времени стандарт многократно пересматривался и дополнялся. Последняя актуальная версия на момент написания — ASTM D256-23 (2023 год). В России и странах СНГ аналогом ASTM D256 является ГОСТ 4647-2015 «Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Шарпи», а также ГОСТ 19109-2018 «Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Изоду». Несмотря на различия в методиках, эти стандарты используют те же принципы маятникового удара.

Область применения

ASTM D256 применяется для широкого спектра термопластичных и термореактивных полимеров, включая композиционные материалы, литьевые и экструзионные пластмассы. Стандарт не предназначен для испытания эластомеров и материалов с очень высокой вязкостью (например, резин), а также для материалов, которые при ударе не разрушаются полностью (например, для некоторых видов полиэтилена высокой плотности). Результаты испытаний используются для контроля качества, сравнительной оценки материалов, а также для прогнозирования поведения изделий в условиях ударных нагрузок.

Методы испытаний

ASTM D256 описывает два основных метода испытаний: метод Изода (Izod) и метод Шарпи (Charpy). Оба метода основаны на использовании маятникового копра, но различаются способом закрепления образца и направлением удара.

Метод Изода (Izod)

• Образец: стандартный образец прямоугольной формы с надрезом (V-образным или прямоугольным) посередине. Образец закрепляется вертикально в зажимах, при этом надрез располагается на стороне, обращённой к маятнику.
• Удар: маятник ударяет по образцу с противоположной стороны от надреза, вызывая разрушение в зоне концентрации напряжений.
• Результат: измеряется энергия, затраченная на разрушение, которая пересчитывается на единицу длины надреза (обычно в Дж/м или кДж/м²).
• Применение: метод Изода чаще используется для испытания литьевых пластмасс и композитов, особенно в автомобильной и электронной промышленности.

Метод Шарпи (Charpy)

• Образец: образец прямоугольной формы с надрезом (или без него) укладывается горизонтально на две опоры, расположенные на определённом расстоянии друг от друга.
• Удар: маятник ударяет по образцу в центре пролёта между опорами, со стороны, противоположной надрезу.
• Результат: энергия разрушения пересчитывается на площадь поперечного сечения образца в месте надреза (обычно в кДж/м²).
• Применение: метод Шарпи более универсален и часто используется для оценки ударной вязкости листовых материалов, плёнок и толстостенных изделий.

Оборудование и процедура

Основным оборудованием является маятниковый копр — устройство, состоящее из маятника с грузом, закреплённого на оси, и системы измерения угла отклонения. Маятник поднимается на заданную высоту, после чего отпускается. При ударе по образцу часть кинетической энергии маятника расходуется на разрушение, а оставшаяся энергия поднимает маятник на меньшую высоту. Разница между начальной и конечной высотой маятника пропорциональна энергии разрушения.

Процедура испытания включает:

1. Подготовка образцов: образцы изготавливаются в соответствии с размерами, указанными в стандарте (например, для метода Изода — длина 63,5 мм, ширина 12,7 мм, толщина 3,2 мм). Надрез наносится с помощью специального инструмента (фрезы) с контролируемой геометрией.
2. Кондиционирование: образцы выдерживаются при стандартных условиях температуры и влажности (обычно 23°C и 50% относительной влажности) в течение не менее 40 часов.
3. Проведение испытания: образец закрепляется в копре, маятник отпускается, и фиксируется угол отклонения после удара.
4. Расчёт результатов: энергия разрушения вычисляется по формуле, учитывающей массу маятника, длину его плеча и угол отклонения. Для каждого материала проводится не менее 5 испытаний, и вычисляется среднее значение.

Факторы, влияющие на результаты

На результаты испытаний по ASTM D256 влияют следующие факторы:

• Температура: при понижении температуры ударная вязкость большинства полимеров снижается (хрупкое разрушение). Стандарт предусматривает возможность проведения испытаний при пониженных и повышенных температурах.
• Скорость удара: скорость маятника в момент удара (обычно 3,46 м/с для метода Изода) фиксирована, но может варьироваться в зависимости от модели копра.
• Геометрия надреза: глубина, радиус закругления и форма надреза существенно влияют на концентрацию напряжений и, следовательно, на энергию разрушения.
• Влажность: гигроскопичные полимеры (например, полиамиды) при повышенной влажности могут показывать более высокую ударную вязкость.
• Ориентация образца: для анизотропных материалов (например, композитов) результаты зависят от направления удара относительно ориентации волокон.

Интерпретация результатов

Результаты испытаний по ASTM D256 выражаются в единицах энергии на единицу длины надреза (для метода Изода) или на единицу площади (для метода Шарпи). Высокие значения указывают на то, что материал способен поглощать значительную энергию при ударе, то есть обладает высокой ударной вязкостью. Низкие значения свидетельствуют о хрупкости материала.

Стандарт не устанавливает критериев «хорошо» или «плохо» — результаты интерпретируются в контексте конкретного применения. Например, для автомобильных бамперов требуются высокие значения ударной вязкости, а для корпусов электроники — умеренные, но достаточные для защиты от падений.

Преимущества и ограничения

Преимущества:

• Простота и воспроизводимость испытаний.
• Широкое признание в промышленности и научных исследованиях.
• Возможность сравнения различных материалов при одинаковых условиях.

Ограничения:

• Результаты не всегда коррелируют с поведением материала в реальных условиях эксплуатации (например, при многоцикловых ударах или при сложных нагрузках).
• Испытание разрушает образец, что не позволяет проводить повторные измерения на одном и том же образце.
• Высокая чувствительность к качеству изготовления образцов (особенно к геометрии надреза).

Критика и альтернативы

Некоторые исследователи отмечают, что ASTM D256 даёт лишь качественную оценку ударной вязкости и не учитывает такие факторы, как скорость деформации, температура и время нагружения в реальных условиях. В качестве альтернатив используются:

• ASTM D4812 (ударная вязкость по Изоду без надреза) — для материалов, которые не склонны к хрупкому разрушению.
• ASTM D3763 (ударная вязкость при падении груза) — для оценки поведения материалов при ударе с большой площадью контакта.
• Метод динамического механического анализа (DMA) — для измерения вязкоупругих свойств в широком диапазоне температур и частот.

Применение в промышленности

ASTM D256 широко используется в следующих отраслях:

• Автомобильная промышленность: для оценки ударной вязкости бамперов, панелей приборов, корпусов зеркал.
• Электроника: для испытания корпусов телефонов, ноутбуков, бытовой техники.
• Строительство: для оценки прочности пластиковых труб, оконных профилей, изоляционных материалов.
• Упаковка: для проверки ударной стойкости контейнеров и плёнок.

Источники

• ASTM D256-23, Standard Test Methods for Determining the Izod Pendulum Impact Resistance of Plastics, ASTM International, 2023.
• ГОСТ 4647-2015 «Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Шарпи».
• ГОСТ 19109-2018 «Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Изоду».
• Handbook of Plastics Testing and Failure Analysis, Vishu Shah, 3rd ed., John Wiley & Sons, 2007.
• Plastics: Microstructure and Engineering Applications, N. J. Mills, 3rd ed., Butterworth-Heinemann, 2005.