Для чего нужны эмпирические испытания?

13.08.2015

Сопротивление разрушению является серьезным требованием во многих применениях пластмасс — требованием, которое в значительной степени стимулирует разработку новых полимерных смесей. Однако разрушение — это сложный процесс, включающий непрерывную и эволюционирующую последовательность механических и термических взаимодействий в различных зонах, окружающих вершину трещины, а также пространство между телом с трещиной и окружающей его средой. Ввиду этой сложности, имеются очевидные трудности в определении единственной скалярной величины, которая представляла бы поведение материала при разрушении. В отличие от тестирования общих характеристик материала (например, измерения плотности), все прочностные испытания являются существенно структурными. Результаты зависят, среди прочего, от размеров и геометрии (формы) образца.
Одно из решений этой проблемы предоставляет механика линейно-упругого разрушения, которая рассматривается далее. В ней выбирается частный тип геометрии, возникающей при осуществлении глубокого, острого надреза в толстом образце для получения максимальной степени пространственного ограничения при течении, и внимание фокусируется на условиях инициации трещины из вершины надреза. Этот подход имеет очевидные преимущества, поскольку он дает оценку всем материалам при близких условиях, когда они проявляют наименьшую возможную ударную вязкость. Поскольку это позволяет инженерам рассчитывать минимальные напряжения, при которых трещина может распространяться в данном компоненте, механика разрушения является необходимым инструментом конструирования в области критических применений, таких как сосуды давления и авиационные конструкции класса I, в которых последствия разрушения могут быть крайне серьезными.
Проблема, с которой сталкивается индустрия пластмасс, иная. В большинстве применений жестких полимеров последствия разрушения далеки от катастрофических, и имеется необходимость сбалансировать сопротивление разрушению с другими факторами, в особенности с весом и стоимостью. Например, кейс должен выдерживать разумный уровень небрежного обращения, но при этом быть нетяжелым и не слишком дорогим. В этом применении тестирование изделия предоставляет самую полную информацию о его функциональных свойствах. Однако невозможно проводить испытания всех возможных для данного применения материалов, и испытанию изделия должно поэтому предшествовать подбор материала на основе данных стандартных испытаний. Измерения в механике линейно-упругого напряжения, которые обнаруживают серьезные недостатки даже при испытании ударной вязкости поликарбоната — наиболее жесткого из жестких полимеров, отнюдь не идеальный источник таких данных.
Ввиду необходимости определения всех характеристик процесса разрушения, а не просто самый худший вариант, удивительно, что индустрия пластмасс продолжает использовать набор различных тестов для измерения ударной вязкости. Среди этих тестов наиболее широко применяемым является, безусловно, ударные испытания образцов с надрезом по Шарпи и по Изоду, которые просты в исполнении, но сложны в приложении к инженерному конструированию. В своей самой общей форме, как устанавливается различными организациями в области стандартизации, они дают полуколичественную основу для выбора материала. Тесты могут использоваться либо для сравнения имеющихся материалов, либо для оценки улучшающих изменений в опытных составах, в том числе в составах смесей. Однако всегда необходимо помнить об ограничениях — это относится в равной мере и к другим стандартным эмпирическим методам оценки ударной вязкости.
Стандартные эмпирические тесты имеют ряд преимуществ. Во-первых, они просты в осуществлении и требуют лишь небольшой объем вычислений или анализа. При использовании приборов и высокоскоростных видеомагнитофонов их можно применять для подробного изучения процесса разрушения испытуемых образцов. Далее, по сравнению с острым надрезом брусков и пластин, необходимых в методах механики разрушения, приготовление воспроизводимых образцов с закругленным надрезом является относительно простой процедурой. Однако, кроме этих преимуществ, имеется один крупный недостаток: данные по ударной вязкости, которые они предоставляют, относятся к конкретной геометрии образцов; так, их нельзя использовать для инженерного конструирования и оценок. Результаты измерений по стандартным тестам — разрывное растяжение, ударная прочность по Изоду и Шарпи, испытание падающим стержнем и другие измерения, столь широко используемые для определения ударной вязкости полимерных смесей, — не нашли своего места в руководствах по конструированию. Однако это не говорит о том, что они не дают полной информации; в этой главе рассматривается проблема полноценного использования данных стандартных тестов, проводимых в комплексе с дополнительным оборудованием и теоретическим анализом. Испытания ударной вязкости представлены в четырех аспектах: растяжение, изгиб брусков без надреза, изгиб брусков с надрезом и разрушение дисков.