Прочность пластика: Полное руководство по выбору материалов к 2026 году

В последнее время пластмассы постепенно вытесняют такие материалы, как сталь, алюминиевые сплавы и керамика. Одна из распространенных причин — долговечность и прочность высокоэффективных пластмасс. Однако широкий ассортимент пластмасс может сбить с толку при выборе подходящего варианта для конкретного проекта. Эта статья поможет вам разобраться в основных характеристиках пластмасс, связанных с их прочностью, и выбрать подходящий вариант для ваших задач.

Какова прочность пластика?

В целом, прочность пластмасс — это не одно число, а целый ряд свойств. Она варьируется в зависимости от типа пластмассы и их сопротивления растяжению, сжатию и изгибу. Как правило, конструкционные пластмассы обладают большей прочностью, долговечностью и безопасностью, что позволяет им заменить металлы.

Почему важна прочность пластика?

Проще говоря, прочность пластика влияет на его способность выдерживать нагрузки, предотвращать поломки и противостоять усилиям при сборке.

Какие существуют различные типы прочности на растяжение?

Прочность на растяжение — это не монолитное свойство. Это совокупность механических свойств, определяющих, как полимер сопротивляется различным видам сил до деформации, растрескивания или разрушения. Поскольку пластмассы являются вязкоупругими, это означает, что они ведут себя по-разному при различных нагрузках, температурах и давлениях. Эти показатели прочности измеряются различными способами, например:

• Предел прочности пластика на растяжение
• Предел текучести пластика
• Прочность пластика на изгиб
• Прочность пластика на сжатие
• Прочность пластика на сдвиг
• Ударная прочность пластика

Предел прочности пластика на растяжение

Предел прочности пластмасс на растяжение — это показатель максимального напряжения, которое материал может выдержать при растяжении или вытягивании до разрушения. Это важный показатель структурной целостности, который часто выражается в мегапаскалях (МПа) или фунтах на квадратный дюйм (psi).

Типичное применение

Пластмассы вытесняют другие материалы, такие как металлы, сплавы и керамика, благодаря своей легкости и большей прочности. Типичные области применения включают полиамид (нейлон), используемый в шестернях, подшипниках, конструкционных кронштейнах, крышках двигателей, кабельных стяжках; полиоксиметилен (POM), используемый в прецизионных шестернях, конвейерных лентах, крепежных элементах, деталях топливной системы; АБС-пластик, используемый в автомобильных приборных панелях, бытовой электронике, трубах; поликарбонат (PC), используемый в автомобильных деталях, пуленепробиваемом стекле, медицинских приборах; и полипропилен (PP), используемый в пищевых контейнерах, лабораторном оборудовании и химических резервуарах.

Как проверить прочность на растяжение?

Испытание на растяжение определяет максимальную нагрузку, которую может выдержать любой пластиковый материал до разрушения. Для проведения испытания пластика на растяжение следуйте этой процедуре:

1. Образец подготавливается в форме «собачьей кости» или гантели стандартного размера.
2. Стандартными методами испытаний являются ASTM D638 и ISO 527.
3. Материал помещается в универсальную испытательную машину (испытатель на растяжение), и материал растягивается на определенное расстояние с постоянной скоростью.
4. Прибор измеряет силу, приложенную для растяжения материала, и величину удлинения до момента разрушения образца.
5. В результате испытаний были получены следующие данные: предел текучести при растяжении, предел прочности при разрыве и модуль упругости (жесткость).

Прочность на растяжение обычных пластмасс

Из приведенной ниже таблицы вы можете узнать прочность на растяжение АБС-пластика, нейлона 6, поликарбоната, полиэтилена высокой плотности (HDPE) и полипропилена.

Какой пластик обладает наибольшей прочностью на разрыв?

Из таблицы легко заметить, что полиамидоимид (PAI), PEEK и PEI обладают очень высокой прочностью на разрыв. Среди этих пластиков PAI является лучшим по прочности, которая составляет около 150–190 МПа при комнатной температуре.

Может ли высокопрочный пластик заменить сталь?

Нет, пластик с высокой прочностью на растяжение не может быть лучшей альтернативой стали, поскольку характеристики деталей определяются многими факторами, и прочность на растяжение — один из них.

Может ли пластик заменить алюминий, даже если он обладает меньшей прочностью на разрыв?

Да, хотя алюминиевые сплавы обладают более высокой прочностью на растяжение и жесткостью, они могут подвергаться необратимому изгибу, в то время как пластмассы могут подвергаться упругой деформации, которая позволяет деталям возвращаться к исходной форме. Это может предотвратить передачу удара или силы на сопрягаемые детали. Например, следующий пример показывает, что нейлон может быть хорошей альтернативой алюминию при механической обработке рычагов подвески радиоуправляемых автомобилей для снижения затрат.

Предел текучести пластика

Предел текучести отличается от предела прочности при растяжении . Предел текучести — это уровень напряжения, при котором пластик перестает вести себя упруго и начинает необратимо деформироваться. У многих пластиков эта точка на кривой напряжение-деформация перестает быть линейной и указывает на начало «сужения».

Где используется предел текучести?

Предел текучести — важнейший параметр в машиностроении и инженерии. Он помогает компонентам не деформироваться под нагрузкой. В основном он используется в проектировании конструкций и определяет максимальную несущую способность деталей, а также при выборе материалов, контроле качества, аддитивном производстве и литье под давлением для прогнозирования поведения пластиковых деталей при приложении нагрузки.

Как измерить предел текучести?

Предел текучести также измеряется с помощью стандартизированных испытаний на растяжение по стандартам ASTM D638 и ISO 527. Обычно используется метод смещения на 0.2%, поскольку многие пластмассы не имеют резких пределов текучести. Проводится линия, параллельная начальному линейному участку кривой напряжение-деформация, начинающаяся с 0.2% деформации. Точка пересечения этой линии с кривой является пределом текучести.

Предел текучести обычных пластмасс

Средние значения предела текучести ABS, POM, PMMA, HDPE, PBT, PC, PP и др., определенные по результатам испытаний на растяжение, следующие:

У некоторых видов пластика, например, у распространенного полиметилметакрилата (ПММА), отсутствует четко выраженная точка перехода, при которой деформация продолжает возрастать, а напряжение перестает увеличиваться.

Прочность пластика на изгиб

Прочность на изгиб — это способность пластика сопротивляться деформации под нагрузкой. Она показывает максимальное напряжение, которое материал может выдержать в момент разрушения при испытании на изгиб.

Применение прочности на изгиб

Пластмассы с высокой прочностью на изгиб используются в тех областях, где материал способен сохранять свою форму под воздействием изгибающих нагрузок. Именно поэтому пластиковые детали популярны во многих отраслях промышленности. Например, поликарбонат (PC), полиамид (PA) и АБС-пластик используются в автомобильных деталях, таких как бамперы или приборные панели, полиоксиметилен (POM) и полиамид (PA) — в прецизионных механических деталях, АБС-пластик и поликарбонат — в конструкционных корпусах, а полипропилен (PP) — в шарнирах, способных выдерживать многократные изгибы.

Как измерить прочность на изгиб?

Прочность на изгиб измеряется с помощью трехточечного испытания на изгиб в соответствии со стандартами ASTM D790 или ISO 178. Для измерения прочности на изгиб:

• Образец размещается и поддерживается с обоих концов, после чего прикладывается нагрузка.
• Измеряется нагрузка, при которой образец разрушается, и она определяется как 5%-ное отклонение внешней поверхности.
• Максимальная сила используется для расчета изгибного напряжения/прочности.

Прочность на изгиб обычных пластмасс

Средние значения прочности на изгиб обычных пластмасс следующие:

Прочность пластика на сжатие

Прочность на сжатие — это способность пластмасс сопротивляться разрушению. Она отражает несущую способность пластмасс.

Ключевые приложения

Пластмассы с высокой прочностью на сжатие, такие как поликарбонат и АБС-пластик, используются в автомобильных деталях и их несущих конструкциях, в аэрокосмической отрасли, например, в авиационных креслах, панелях, конструктивных элементах, в защитном снаряжении, мебели, матрасах и упаковке.

Как проверить прочность на сжатие?

Прочность на сжатие измеряется в соответствии со стандартами, такими как ASTM D695 или ISO 604.

• Образец изготавливается со стандартными размерами, например, призма 1/2" x 1/2" x 1".
• Образец помещается между компрессионными пластинами в универсальной испытательной машине.
• Сжимающая нагрузка прикладывается до тех пор, пока материал не деформируется или не разрушится.
• Были зарегистрированы данные о нагрузке и деформации, а также построена кривая напряжение-деформация.

Прочность на сжатие обычных пластмасс

Прочность на сжатие распространенных пластмасс составляет:

Какую нагрузку на сжатие может выдержать пластиковая деталь?

Прочность на сжатие — это нагрузка, которую пластик может выдержать при сжатии до деформации или разрушения. Величина сжимающего напряжения, которое может выдержать пластик, зависит от площади контакта с поверхностью. Иными словами, для одинаковых пластиковых деталей та, у которой большая площадь контакта, может выдержать большую нагрузку, чем другая.

Пример расчета прочности на сжатие:

Например, предположим, вы изготавливаете адаптер из PPS-CF или PPA-CF, который будет зажиматься между металлической деталью и металлической зажимной пластиной. Чтобы определить, какое сжимающее усилие может выдержать адаптер, необходимо учитывать как прочность материала на сжатие, так и площадь контакта адаптера. Большая площадь контакта распределяет зажимное усилие по большей площади, уменьшая сжимающее напряжение в пластике.

То же самое относится к пластиковым прокладкам, зажимным блокам, опорным блокам, крепежным подушкам и шайбам, изготовленным на станках с ЧПУ. Если деталь будет находиться под сжатием в течение длительного времени, следует также учитывать ползучесть.

Прочность пластика на сдвиг

Прочность на сдвиг — это сопротивление пластмасс силам скольжения. Как правило, армированные пластмассы с более прочными связями обладают более высокой прочностью на сдвиг.

Для чего используется прочность на сдвиг?

Прочность пластмасс на сдвиг используется для прогнозирования разрушения и уровня напряжения, которое может выдержать пластик до того, как слои начнут смещаться или разрушаться, при выборе материалов, а также при проверке конструкции для обеспечения того, чтобы выбранная деталь могла выдерживать реальные нагрузки.

Как измерить прочность на сдвиг?

Прочность на сдвиг измеряется по стандарту ASTM D732. Это распространенный тест, при котором круглый пуансон проталкивается через пластик, закрепленный в приспособлении, и измеряется усилие в момент разрушения. Другие методы, такие как испытания на кручение, также измеряют прочность на сдвиг путем скручивания материала.

Широко используемый показатель прочности пластмасс на сдвиг

Значения прочности на сдвиг обычных пластмасс следующие:

Ударная прочность пластика

Ударная вязкость — это способность пластика выдерживать внезапный и сильный удар или сотрясение без разрушения. Она определяет прочность материала при высокоскоростной динамической деформации.

Применение ударной прочности

Ударопрочность важна для проектирования долговечных пластиковых деталей для различных отраслей промышленности, таких как автомобильные детали, бамперы и элементы интерьера, а также для электроники, например, корпусов для электроинструментов, средств защиты, товаров народного потребления и медицинского оборудования.

Методы испытаний на ударную прочность

Ударная вязкость, определяемая с помощью стандартизированных испытаний, измеряет энергию, поглощенную при высокоскоростном разрушении. Она выражается в Дж/м или кДж/м². Проводятся испытания на ударную вязкость по методу Изода в соответствии со стандартами ASTM D256 и ISO 180. В этих испытаниях надрезанный образец закрепляется вертикально в виде консольной балки и подвергается удару маятника, создавая точку концентрации напряжений.

Проводится испытание по методу Шарпи в соответствии со стандартами ASTM D6110 или ISO 179. Образец горизонтально поддерживается с обоих концов и подвергается удару маятника в центре.

Ударная прочность широко используемых пластмасс

Средние значения ударной вязкости пластмасс следующие:

Что может повлиять на прочность пластика?

Прочность пластика — сложное свойство. На неё в основном влияют его молекулярная структура, технологии производства и воздействие окружающей среды. В отличие от металлов, пластики являются вязкоупругими материалами. Это означает, что их прочность изменяется в зависимости от температуры, скорости нагружения и химической среды.

Типы пластиковых материалов

Пластмассы классифицируются по типу и химической структуре, например:

• Термопласты и термореактивные полимеры: термопласты — это линейные или разветвленные полимеры, которые размягчаются при нагревании, например, полиэтилен (PE) и поливинилхлорид (PVC). Термореактивные полимеры имеют высокую степень сшивки, например, эпоксидные смолы и бакелит. Они обладают более высокой прочностью и термостойкостью.
• Кристалличность: Полукристаллические пластмассы, такие как PEEK, POM, нейлон, прочнее и жестче, чем аморфные пластмассы, такие как ABS или PS.
• Наполнители и армирующие элементы: добавление наполнителей, таких как стекловолокно или углеродное волокно, может повысить прочность и жесткость.

Обработка CNC

Процессы механической обработки разрабатываются таким образом, чтобы сохранить прочность пластмасс. Например, обработка пластмасс, таких как ABS, на станках с ЧПУ может повлиять на их прочность, поэтому важно оптимизировать параметры резания. Во время обработки неправильное охлаждение или агрессивная резка могут создавать внутренние напряжения и приводить к необратимому разрушению. Аналогично, пластмассы имеют низкую теплопроводность и температуру плавления. Чрезмерный нагрев во время сверления или фрезерования может вызвать локальное плавление или растрескивание. Но термообработка может снять внутренние напряжения и улучшить стабильность размеров.

Условия окружающей среды

Условия окружающей среды могут существенно изменять прочностные свойства пластмасс в процессе эксплуатации. Например, высокие температуры снижают прочность пластмасс на разрыв. Высокая влажность окружающей среды также снижает прочность на разрыв и жесткость, но повышает пластичность. Ультрафиолетовое излучение разрушает полимерные цепи, а воздействие химических веществ может ослабить или привести к растрескиванию пластмасс.

Влияет ли прочность пластика на обработку на станках с ЧПУ?

Да, прочность пластика напрямую влияет на обработку на станках с ЧПУ. Такие свойства, как предел текучести, предел прочности на растяжение и предел прочности на изгиб, определяют, как пластик реагирует на силы резания. Они также определяют, насколько легко материал поддается обработке или же он деформируется, потрескается или расплавится в процессе.

Режущее поведение

Предел прочности на растяжение и предел текучести определяют, будет ли материал вести себя жестко или деформироваться во время резки. Высокопрочные пластмассы, такие как PEEK и POM, ведут себя больше как металлы и обеспечивают более высокую точность. В то время как менее прочные пластмассы, такие как PP и PTFE, деформируются под давлением режущих инструментов.

Стабильность размеров

Предел текучести и жесткость пластмасс важны для обеспечения жестких допусков. Пластмассы с меньшей прочностью могут деформироваться или изгибаться во время обработки и вызывать неточности в размерах. Более прочные пластмассы не деформируются, но обладают высокими внутренними напряжениями. Термическая обработка перед обработкой может уменьшить эти проблемы.

Качество отделки поверхности

Прочность на изгиб и жесткость пластмасс влияют на качество поверхности. Более прочные пластмассы имеют более качественную и гладкую поверхность. Мягкие пластмассы имеют шероховатую поверхность со значительными заусенцами.

Корпус для обработки пластика Tuofa

Мы помогли нашим клиентам изготовить прецизионные детали из АБС-пластика и ПОМ, используя наши современные станки с ЧПУ и передовые технологии. В нашем случае мы обеспечили сохранение прочности деталей и их исправную работу.

• Материал: ПОМ
• Допуск: ±0.01 мм ～ ±0.02 мм
• Основной процесс: токарная обработка на станках с ЧПУ.
• Результат: высокая точность, превосходная соосность, сверхнизкое трение и уровень шума.

Заключение

Прочность пластмасс включает в себя такие свойства, как прочность на растяжение, изгиб и удар, а также жесткость (модуль упругости). Высокопрочные пластмассы, такие как PEEK и POM, а также распространенные нейлон и поликарбонат, обладают сбалансированными свойствами. С 2006 года компания Tuofa CNC Plastic Machining помогает многим клиентам изготавливать пластиковые детали на заказ с высочайшей точностью и гладкой поверхностью. Свяжитесь с нами для обсуждения вашего проекта.

FAQ

В чём заключаются сильные и слабые стороны пластика?

Пластмассы легкие, прочные и экономичные. Однако такие свойства, как долговечность, могут создавать серьезные экологические проблемы, а их термостойкость и структурная жесткость ограничены по сравнению с металлами.

Может ли пластик быть таким же прочным, как сталь?

Да, некоторые виды пластмасс по прочности не уступают стали, например, пластмассы на основе конопли, полиэфирэфиркетон (PEEK) и пластмассы, армированные углеродным волокном (CFRP).

Какой вид пластика самый прочный?

Полиамидоимид (ПАИ), торговая марка Torlon, является самым прочным из доступных неармированных термопластиков.