Причины снижения прочности изделий из пластмасс

Прочность пластиковой детали зависит не только от выбранного полимера. На результат влияют состояние сырья, параметры литья, конструкция изделия, расположение литников, наличие внутренних дефектов и условия эксплуатации.

Две детали из одного материала могут показывать разную прочность, если они изготовлены при разных температурах, имеют неодинаковую толщину стенок или работают при разных нагрузках. Поэтому при разрушении изделия важно определить, на каком этапе возникла проблема: при выборе материала, во время производства или уже в процессе эксплуатации.

Характеристики пластмасс обычно определяют на стандартных образцах в заданных условиях. Готовое изделие отличается от испытательного образца геометрией, направлением течения расплава, толщиной стенок и внутренней структурой.

На прочность детали влияют:

• марка и состояние полимера;
• наличие наполнителей и армирующих волокон;
• влажность сырья;
• температура и продолжительность переработки;
• давление и скорость заполнения формы;
• конструкция изделия;
• расположение линий спая;
• условия охлаждения;
• температура и продолжительность эксплуатации;
• воздействие воды, ультрафиолета и химических веществ.

Снижение прочности может проявляться по-разному. Иногда вся партия получается хрупкой. В других случаях трещина каждый раз начинается в одной точке: около отверстия, металлической вставки, линии спая или резкого перехода толщины.

Одна из основных причин разрушения пластиковых изделий — несоответствие материала реальным условиям эксплуатации.

При выборе учитывают не только прочность на растяжение, но и другие характеристики:

• ударную вязкость;
• жёсткость;
• устойчивость к постоянной нагрузке;
• рабочую температуру;
• химическую стойкость;
• влагопоглощение;
• сопротивление ультрафиолету;
• способность выдерживать повторяющиеся нагрузки.

Повышенная жёсткость не всегда означает более высокую надёжность. Жёсткий пластик может хуже переносить удары и разрушаться без заметной деформации. Более пластичный материал способен выдерживать изгиб, но постепенно деформироваться под постоянной нагрузкой.

Если деталь будет работать на улице, в горячей воде, рядом с двигателем или в контакте с маслами, это необходимо учитывать ещё до изготовления формы.

Некоторые пластмассы поглощают влагу из воздуха и требуют предварительной сушки. К таким материалам относятся, например, полиамиды и полиэфиры.

При переработке влажного сырья вода взаимодействует с нагретым полимером и может вызывать разрушение молекулярных цепей. В результате материал теряет механические свойства.

Внешне такая деталь иногда выглядит нормально, однако её ударная прочность и сопротивление растяжению оказываются ниже расчётных значений.

Причинами повышенной влажности становятся:

• хранение гранул в открытой таре;
• нарушение режима сушки;
• слишком длительное нахождение просушенного материала на воздухе;
• использование влажного возвратного сырья;
• неправильное хранение наполнителей и добавок.

Режим сушки зависит от конкретной марки материала. Недостаточная сушка не удаляет всю влагу, а слишком высокая температура может привести к старению или слипанию гранул.

Во время литья пластик нагревается до состояния расплава. Если температура превышает допустимый диапазон или материал слишком долго находится в цилиндре оборудования, начинается термическая деструкция.

Признаками перегрева могут быть:

• изменение цвета;
• потемнение материала;
• появление запаха;
• газовые включения;
• нестабильная вязкость расплава;
• повышенная хрупкость готового изделия.

Особенно опасны застойные зоны, в которых расплав задерживается дольше остального материала. Они могут возникать при неправильном подборе оборудования, длительных остановках или использовании слишком большого объёма цилиндра для маленькой детали.

Недостаточная температура тоже ухудшает качество. Не полностью расплавленные гранулы и неоднородный материал нарушают структуру изделия и создают слабые участки.

Волх осуществляет услугу по литью полиуретанов.

На прочность изделия влияют температура расплава и формы, скорость впрыска, давление, продолжительность выдержки и режим охлаждения.

При недостаточной выдержке под давлением расплав не компенсирует усадку материала. Внутри толстых участков могут появляться пустоты и раковины, уменьшающие рабочее сечение детали.

Слишком высокая скорость заполнения способна привести к перегреву материала из-за трения, захвату воздуха и появлению повышенных внутренних напряжений. Слишком низкая скорость вызывает преждевременное охлаждение фронта расплава и ухудшает соединение потоков.

Неравномерное охлаждение также создаёт напряжения. Наружные слои детали уже затвердевают, пока внутренние продолжают остывать и сокращаться в объёме. В дальнейшем это может привести к короблению или растрескиванию.

Линия спая образуется там, где встречаются два потока расплава. Это происходит при заполнении формы через несколько литников, обтекании отверстия или разделении потока сложными элементами конструкции.

Если потоки успели остыть, их соединение получается менее прочным, чем основной материал. В результате линия спая становится вероятным местом начала трещины.

Особенно заметна проблема у пластиков, армированных стекловолокном. Волокна ориентируются вдоль движения расплава и могут плохо связывать противоположные стороны линии спая.

На её прочность влияют:

• температура материала;
• температура формы;
• скорость заполнения;
• расположение литника;
• давление в момент соединения потоков;
• наличие воздуха в зоне соединения.

Линии спая желательно располагать за пределами участков, испытывающих максимальную нагрузку.

Поры, воздушные полости и усадочные раковины снижают фактическую площадь сечения детали. Вокруг дефекта возникает локальная концентрация напряжений, от которой может начаться разрушение.

Внутренние пустоты чаще образуются:

• в толстостенных элементах;
• возле резких переходов толщины;
• при недостаточной выдержке под давлением;
• при плохой вентиляции формы;
• из-за повышенной влажности сырья;
• при слишком раннем завершении подпитки расплавом.

Поверхность изделия при этом может оставаться ровной. Поэтому при настройке производства одной визуальной проверки бывает недостаточно.

Стекловолокно и другие наполнители повышают жёсткость и прочность пластика. Однако свойства армированной детали зависят от длины, концентрации и направления волокон.

При слишком высокой скорости вращения шнека, большом противодавлении или прохождении через узкие литники волокна могут разрушаться и укорачиваться. Чем меньше их длина, тем слабее армирующий эффект.

Расположение литника также влияет на направление волокон. Обычно деталь показывает более высокую прочность вдоль течения материала и меньшую — поперёк него.

Поэтому для армированных пластиков необходимо учитывать не только содержание стекловолокна, но и его ориентацию в готовом изделии.

На прочность могут влиять посторонние включения, смешивание несовместимых полимеров и превышение допустимой доли возвратного материала.

При повторной переработке пластик дополнительно нагревается и испытывает механические нагрузки. Его свойства могут постепенно ухудшаться, особенно если возвратное сырьё хранится неправильно или несколько раз проходит через оборудование.

Риск повышают:

• смешивание разных марок пластика;
• остатки другого материала в цилиндре;
• загрязнённая дробилка;
• наличие масла, пыли или металлических частиц;
• нарушение установленной доли вторичного сырья;
• отсутствие повторной сушки измельчённого материала.

Возможность использования возвратного сырья и его количество определяют отдельно для каждой марки пластика и требований к изделию.

Даже качественный материал может разрушаться из-за неудачной геометрии детали.

К наиболее опасным элементам относятся:

• острые внутренние углы;
• резкие изменения толщины стенки;
• отверстия рядом с краем;
• тонкие перемычки;
• слишком массивные рёбра;
• бобышки без плавного перехода;
• участки вокруг металлических вставок;
• глубокие надрезы и острые впадины резьбы.

В таких местах возникает концентрация напряжений. Средняя нагрузка на деталь может быть небольшой, но локальное напряжение рядом с острым углом или отверстием оказывается значительно выше.

Скругления и плавные переходы толщины помогают распределить нагрузку, улучшают заполнение формы и снижают вероятность появления трещин.

Неравномерная толщина стенок также ухудшает охлаждение. Массивные участки дольше остывают, сильнее усаживаются и могут содержать внутренние пустоты.

Трещины нередко возникают рядом с металлическими втулками, резьбовыми элементами и другими закладными деталями.

Причиной может стать:

• чрезмерный натяг;
• слишком близкое расположение вставки к краю;
• недостаточная толщина пластика вокруг металла;
• острые края вставки;
• разница коэффициентов теплового расширения;
• неравномерное охлаждение;
• перетяжка крепежа при сборке.

Деталь может выдержать первоначальный монтаж, но разрушиться позднее под действием вибрации, нагрева или постоянного внутреннего напряжения.

При проектировании важно предусмотреть достаточную толщину материала вокруг вставки и исключить резкие переходы геометрии.

Пластмассы способны постепенно деформироваться при длительном воздействии постоянной нагрузки. Это явление называется ползучестью.

Даже если напряжение значительно ниже кратковременной прочности материала, со временем деталь может:

• вытянуться;
• прогнуться;
• потерять усилие прижима;
• ослабить соединение;
• получить трещину.

Скорость ползучести увеличивается при повышении температуры. Поэтому деталь, стабильно работающая при комнатной температуре, может быстро деформироваться рядом с источником тепла.

Для изделий, рассчитанных на длительный срок службы, необходимо учитывать не только кратковременную прочность, но и поведение материала под нагрузкой в течение месяцев или лет.

Повторяющиеся изгибы, вибрация, удары и изменение давления вызывают усталостное разрушение.

Деталь может выдерживать отдельное приложение нагрузки, но постепенно накапливать повреждения после тысяч циклов. Трещина обычно начинается около отверстия, надреза, линии спая или другого концентратора напряжений.

На усталостную прочность влияют:

• величина нагрузки;
• частота циклов;
• температура;
• форма изделия;
• качество поверхности;
• наличие внутренних дефектов;
• химическая среда.

Для деталей, работающих при вибрации или многократном изгибе, необходимо проводить испытания в условиях, близких к реальной эксплуатации.

При нагревании многие термопласты становятся менее жёсткими и быстрее деформируются под нагрузкой.

Длительная работа при высокой температуре может привести к:

• ускорению ползучести;
• старению материала;
• снижению ударной вязкости;
• изменению размеров;
• ослаблению соединений;
• растрескиванию рядом с металлическими вставками.

Опасны и повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения. Пластик и металл расширяются по-разному, поэтому в местах соединения возникают дополнительные напряжения.

Рабочую температуру необходимо оценивать с учётом продолжительности нагрева и приложенной нагрузки, а не только по кратковременному допустимому значению.

Солнечное излучение постепенно разрушает структуру некоторых полимеров. Материал меняет цвет, теряет пластичность и становится более хрупким.

Скорость старения зависит от:

• типа пластика;
• цвета изделия;
• наличия светостабилизаторов;
• интенсивности солнечного излучения;
• температуры;
• продолжительности эксплуатации.

Для наружного применения выбирают марки пластика, рассчитанные на воздействие ультрафиолета. Обычная окраска не всегда обеспечивает достаточную защиту.

Вода, масла, топливо, растворители, моющие средства и другие вещества могут изменять структуру пластика.

Возможны:

• набухание;
• потеря жёсткости;
• гидролиз;
• растворение отдельных компонентов;
• появление трещин;
• снижение прочности соединения.

Особенно опасно совместное действие химической среды и механического напряжения. Материал может выдерживать контакт с веществом в свободном состоянии, но растрескиваться, если деталь одновременно растянута, согнута или находится под внутренним напряжением.

Химическую стойкость оценивают с учётом концентрации вещества, температуры и продолжительности контакта.

Таблица помогает определить направление проверки, но окончательный вывод делают после анализа конструкции, материала и условий производства.

Работу начинают с определения реальных нагрузок и условий эксплуатации детали. На их основе выбирают марку пластика, содержание наполнителя и конструкцию изделия.

Перед литьём контролируют влажность сырья, состояние возвратного материала и чистоту оборудования. Параметры температуры, давления и охлаждения устанавливают в соответствии с рекомендациями производителя полимера и корректируют по результатам пробных отливок.

При проектировании формы учитывают направление течения расплава, расположение линий спая и ориентацию армирующих волокон. В конструкции изделия исключают острые углы, резкие изменения толщины и недостаточную толщину материала вокруг отверстий и металлических вставок.

Готовую деталь желательно испытывать в условиях, близких к реальным: при рабочей температуре, длительной нагрузке, вибрации и контакте с предполагаемой средой.

Компания «Волх» выполняет изготовление пластиковых изделий по чертежам и техническим требованиям заказчика. Материал, конструкция оснастки и параметры литья подбираются с учётом геометрии детали, объёма партии и условий дальнейшей эксплуатации.

Вас может заинтересовать:
Литье пластмасс;
Литье на Babyplast;
Литье полиуретанов.