Ударная вязкость по Изоду

Ударная вязкость по Изоду — это стандартизированный метод испытания материалов на способность поглощать механическую энергию при динамическом (ударном) нагружении. Показатель, получаемый в результате испытания, характеризует сопротивление материала хрупкому разрушению (вязкость разрушения) в условиях высокоскоростной деформации. Метод широко применяется для контроля качества пластмасс, композитов, металлов и керамики, особенно в тех случаях, когда детали в процессе эксплуатации подвергаются внезапным ударным нагрузкам.

История метода

Метод был разработан в начале XX века английским инженером Эдвином Гилбертом Изодом (Edwin Gilbert Izod, 1876—1937). В 1903 году Изод предложил конструкцию маятникового копра для испытания металлов на ударный изгиб, которая отличалась от более раннего метода Шарпи (разработанного французским инженером Жоржем Шарпи в 1901 году) способом закрепления образца и направлением удара. В методе Изода образец закрепляется консольно (вертикально), а удар наносится по его свободному концу сверху вниз. В методе Шарпи образец располагается горизонтально на двух опорах, а удар наносится посередине пролёта.

Первоначально метод Изода применялся исключительно для металлов, но в 1930-х годах, с развитием промышленности пластмасс, он был адаптирован для полимерных материалов. В 1940—1950-х годах Американское общество по испытаниям и материалам (ASTM) стандартизировало процедуру для пластмасс (ASTM D256), что сделало её одной из наиболее распространённых в мире. В СССР и России для пластмасс чаще применялся метод Шарпи по ГОСТ 4647—80, однако метод Изода также используется для сравнительных испытаний, особенно при экспорте продукции.

Сущность метода

Испытание проводится на маятниковом копре. Образец стандартной формы и размеров закрепляется в зажимах копра таким образом, чтобы его большая часть выступала консольно. Маятник, поднятый на заданную высоту, освобождается и при падении ударяет по образцу на фиксированном расстоянии от места закрепления. Энергия удара расходуется на деформацию и разрушение образца. По разности между начальной энергией маятника и его энергией после удара (измеряется по углу подъёма маятника после разрушения образца) определяется энергия, поглощённая образцом. Ударная вязкость по Изоду рассчитывается как отношение этой поглощённой энергии к площади поперечного сечения образца в месте удара (или к ширине образца, если надрез не используется).

Основные параметры испытания

• Тип образца: прямоугольный брусок, как правило, с V-образным надрезом (радиус в вершине надреза 0,25 мм) или без надреза. Для пластмасс стандартные размеры образца: длина 63,5 мм, ширина 12,7 мм, толщина 3,2—12,7 мм.
• Скорость удара: около 3,46 м/с (для стандартного маятника).
• Расстояние от зажима до места удара: 22 мм (для образцов с надрезом).
• Энергия маятника: выбирается в диапазоне от 0,5 до 50 Дж, в зависимости от ожидаемой вязкости материала.

Отличия от метода Шарпи

Виды испытаний

В зависимости от наличия и типа надреза различают:

1. Испытание образцов с надрезом — наиболее распространённый вариант. Надрез создаёт концентрацию напряжений, что позволяет оценить чувствительность материала к трещинам и дефектам. Результат обозначается как Izod impact strength (notched).
2. Испытание образцов без надреза — применяется для материалов, которые в условиях эксплуатации не имеют острых концентраторов напряжений. Результат, как правило, выше, чем для надрезанных образцов.
3. Испытание при пониженных или повышенных температурах — позволяет оценить изменение вязкости в зависимости от температуры (например, для определения температуры хрупкости полимеров).

Факторы, влияющие на результат

На значение ударной вязкости по Изоду влияют:

• Температура испытания: при понижении температуры многие материалы (особенно полимеры) становятся более хрупкими.
• Влажность образца: для гигроскопичных полимеров (полиамиды, поликарбонат) влажность снижает ударную вязкость.
• Скорость нагружения: увеличение скорости удара обычно снижает вязкость.
• Размеры и форма надреза: радиус в вершине надреза, его глубина и угол оказывают существенное влияние.
• Ориентация образца: для анизотропных материалов (например, литьевых пластмасс с ориентированными волокнами) результат зависит от направления удара относительно оси ориентации.
• Скорость старения материала: для некоторых полимеров (например, поливинилхлорида) ударная вязкость может снижаться со временем из-за деструкции.

Применение

Метод Изода широко используется в следующих областях:

• Производство пластмасс: для контроля качества сырья и готовых изделий, при разработке новых рецептур (например, ударопрочных компаундов на основе АБС-пластика, полипропилена, полиамида). Компании, такие как BASF (Германия), DuPont (США) и «СИБУР» (Россия), используют этот метод в своих лабораториях.
• Автомобильная промышленность: для оценки ударной вязкости бамперов, панелей приборов, корпусов фар и других деталей, подверженных ударам при эксплуатации.
• Строительство: для испытания полимерных труб, оконных профилей, сайдинга и других строительных материалов из ПВХ.
• Электроника: для оценки прочности корпусов бытовой техники, разъёмов, изоляционных материалов.
• Металлургия: для контроля качества литых и деформируемых металлов (например, алюминиевых сплавов, сталей) в тех случаях, когда требуется высокая ударная вязкость.

Нормативные документы

Основные стандарты, регламентирующие метод Изода:

• ASTM D256 (США) — стандартный метод испытания пластмасс на ударную вязкость по Изоду.
• ISO 180 (международный) — определение ударной вязкости по Изоду для пластмасс.
• ГОСТ 19109—2018 (Россия) — метод определения ударной вязкости по Изоду для пластмасс (гармонизирован с ISO 180).
• ASTM E23 (США) — стандартные методы испытания металлов на ударную вязкость (включая метод Изода).
• ГОСТ 9454—78 (Россия) — метод испытания металлов на ударную вязкость (включает варианты с различными типами надрезов, в том числе по Изоду).

Достоинства и недостатки метода

Достоинства

• Простота и быстрота выполнения (одно испытание занимает несколько минут).
• Высокая воспроизводимость результатов при соблюдении стандартных условий.
• Возможность сравнительного анализа различных материалов и партий.
• Чувствительность к дефектам, ориентации и старению материала.

Недостатки

• Результат сильно зависит от геометрии надреза и скорости удара, что затрудняет прямое сравнение с данными, полученными другими методами.
• Метод даёт интегральную оценку энергии разрушения, но не позволяет разделить энергию на составляющие (зарождение трещины, её распространение, пластическая деформация).
• Для очень вязких материалов (например, некоторых эластомеров) образец может не разрушиться полностью, что делает испытание некорректным.
• Результаты, полученные на образцах малого размера, не всегда прямо переносятся на поведение реальных крупногабаритных деталей.

Интересные факты

• В некоторых отраслях (например, в авиастроении) метод Изода считается устаревшим для металлов и заменён методом Шарпи, но для пластмасс он остаётся основным.
• Ударная вязкость по Изоду для полимеров может варьироваться в широких пределах: от 10—20 Дж/м для хрупких полистиролов до 600—900 Дж/м для высокоударопрочных модифицированных полиамидов.
• В России и странах СНГ метод Изода для пластмасс стандартизирован только с 2018 года (ГОСТ 19109—2018), до этого использовался преимущественно метод Шарпи.

Источники

1. ГОСТ 19109—2018 «Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Изоду».
2. ASTM D256-23 «Standard Test Methods for Determining the Izod Pendulum Impact Resistance of Plastics».
3. ISO 180:2023 «Plastics — Determination of Izod impact strength».
4. ГОСТ 9454—78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах».
5. Шварцман А. С. «Механические испытания полимерных материалов». — М.: Химия, 1988.
6. Калинчев Э. Л., Саковцева М. Б. «Свойства и переработка термопластов». — Л.: Химия, 1983.