Испытания пластмасс

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

Wolfgang Grellmann
Sabine Seidler (Eds)

Polymer
Testing

With contribution by
Volker Altstдdt
Monika Bauer
Christian Bierцgel
Gert Busse
Klaus Friedrich
Henrik Hцninger
Thomas Lьpke
Bernd Michel
Hans-Joachim Radusch
Falko Ramsteiner
Andreas Schцnhals
Jцrg Trempler
Translated by Paul I. Anderson

HANSER

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

Редакторы-составители:

Вольфганг Грелльманн

Сабина Зайдлер

Авторы разделов:
Фолькер Альштадт, Моника Бауэр, Кристиан Бирэгель, 
Герт Бюссе, Клаус Фридрих, Генрих Хэнингер, Томас Люпке, 
Бернд Мичел, Ханс-Хуахим Радуш, Фалько Рамштайнер, 
Андреас Шэнхалс, Ерг Тремплер

Перевод с англ. яз. под редакцией 

д-ра физ.-мат. наук, проф. А.Я. Малкина

Санкт-Петербург
2010

ИСПЫТАНИЯ ПЛАСТМАСС

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

УДК 678.01
ББК 35.710Англ

УДК 678.01
ББК 35.710Англ

All rights reserved. Carl Hanser Verlag, Munich/FRG
Authorized translation from the original English edition
published by Carl Hanser Verlag, Munich/FRG

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена 
в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых издательством 
как надежные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, 
издательство не может гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений 
и не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

 
 
© ЦОП «Профессия», 2010
© Carl Hanser Verlag, Munich/FRG, 2007
© Перевод, оформление: ЦОП «Профессия», 2010

Г80
В. Грэлльманн, С. Зайдлер. Испытания пластмасс / Пер. с англ. под. 
ред. А.Я. Малкина — СПб.: ЦОП «Профессия», 2010. — 720 стр., ил.

ISBN 978-5-91884-005-4
ISBN 978-3-446-40900-2 (англ.)

ISBN 978-5-91884-005-4
ISBN 978-3-446-40900-2 (англ.) 

В этой книге рассматривается практически вся совокупность современных методов, применяемых для испытаний полимерных материалов. В издании подробно описаны теоретические основы и способы проведения 
испытаний, включая используемое лабораторное оборудование, приведены 
рекомендации по интерпретации результатов. Имеются ссылки на действующие международные и российские стандарты. Отдельные разделы посвящены испытаниям микродеталей и композиционных материалов. 
Книга будет полезна большому кругу специалистов отрасли независимо 
от уровня их подготовки: от студентов профильных вузов и специалистов 
среднего звена до инженеров и сотрудников отраслевых НИИ, а также преподавателям и аспирантам химико-технологических вузов.

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

Сведения об авторах .............................................................................................. 11
Предисловие к русскому изданию ........................................................................... 13
Предисловие ......................................................................................................... 15
1. Введение ........................................................................................................... 17
1.1. Генезис испытаний полимеров как науки ..................................................................... 17
1.2.  Факторы, влияющие на получение результатов испытаний ........................................ 20
1.3. Классификация методов испытания полимеров .......................................................... 21
1.4.  Стандартизация и порядок принятия методов испытаний полимеров ....................... 23
1.5. Перечень стандартов ...................................................................................................... 26
1.6. Литература ...................................................................................................................... 27
2. Подготовка образцов ......................................................................................... 30
2.1. Введение ......................................................................................................................... 30
2.2. Об отборе проб  .............................................................................................................. 31
2.3. Получение образцов ...................................................................................................... 33
2.3.1. Общие положения ................................................................................................ 33
2.3.2. Прямое формование образцов для испытаний ................................................... 34
2.3.3. Изготовление образцов непрямыми методами ................................................... 44
2.3.4. Оценка состояния образца ................................................................................... 46
2.4. Кондиционирование образцов ...................................................................................... 49
2.5. Перечень стандартов ...................................................................................................... 51
2.6. Литература ...................................................................................................................... 53
3.  Измерение свойств, влияющих на технологию переработки  ................................. 55
3.1. Материалы для литья под давлением ............................................................................ 55
3.2. Определение свойств твердых материалов ................................................................... 56
3.2.1. Насыпная плотность, кажущаяся плотность и коэффициент заполнения ........ 56
3.2.2. Сыпучесть, угол естественного откоса, угол скольжения ................................... 57
3.3. Определение свойств жидкостей ................................................................................... 59
3.3.1. Основы реологии .................................................................................................. 59
3.3.2. Измерения реологических свойств ...................................................................... 64
3.3.3.  Выбор метода испытаний для характеристики свойств 
полимерных материалов ........................................................................................85
3.4. Перечень стандартов ...................................................................................................... 86
3.5. Литература ...................................................................................................................... 87
4. Механические свойства полимеров ..................................................................... 89
4.1. Общие принципы описания механических свойств .................................................... 89

Содержание

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

Содержание

4.1.1. Параметры, характеризующие механическое состояние .................................... 89
4.1.2. Свойства материала и конститутивные уравнения ............................................. 93
4.2. Механическая спектроскопия ..................................................................................... 106
4.2.1.  Экспериментальное определение временных зависимостей 
механических свойств ..........................................................................................107
4.2.2. Температурная и временная зависимости вязкоупругих свойств ..................... 116
4.2.3. Структурные факторы, влияющие на вязкоупругие свойства .......................... 120
4.3. Квазистатические испытания ..................................................................................... 121
4.3.1. Деформационные свойства полимеров ............................................................. 121
4.3.2. Испытания полимеров на растяжение ............................................................... 127
4.3.3. Испытания на сопротивление раздиру .............................................................. 147
4.3.4. Испытания на сжатие ......................................................................................... 148
4.3.5. Испытания на изгиб ........................................................................................... 157
4.4. Испытания на удар....................................................................................................... 169
4.4.1. Введение .............................................................................................................. 169
4.4.2. Испытания по Шарпи на образцах без надреза и с надрезом ........................... 170
4.4.3.  Ударное растяжение и испытания на растяжение образцов с надрезом........... 176
4.4.4. Методы испытаний на прокол под действием падающего груза  ..................... 178
4.5. Усталостные испытания ............................................................................................... 182
4.5.1. Основы теории .................................................................................................... 182
4.5.2. Экспериментальное определение долговечности  ............................................ 184
4.5.2.  Планирование и оценка результатов испытаний на долговечность ................. 189
4.5.4.  Факторы, влияющие на долговечность материала 
и прогнозирование долговременной работоспособности ..................................190
4.6. Долговременные статические испытания ................................................................... 193
4.6.1. Основы метода .................................................................................................... 193
4.6.2. Испытания на ползучесть ................................................................................... 194
4.6.3. Испытания на ползучесть при изгибе ................................................................ 201
4.6.4. Испытания на ползучесть при сжатии ............................................................... 203
4.7. Измерения твердости ................................................................................................... 204
4.7.1. Общие принципы ............................................................................................... 204
4.7.2. Традиционные методы измерения твердости .................................................... 207
4.7.3. Инструментальные методы измерения твердости............................................. 215
4.7.4.  Корреляция между микротвердостью, пределом текучести 
и условиями разрушения  .................................................................................... 224
4.8. Трение и износ ............................................................................................................. 227
4.8.1. Введение .............................................................................................................. 227
4.8.2. Общие представления о трении и износе .......................................................... 229
4.8.3. Испытания на износ и показатели износа ......................................................... 232
4.8.4. Некоторые экспериментальные результаты ...................................................... 237
4.8.5. Выводы ................................................................................................................ 243
4.9. Перечень стандартов .................................................................................................... 244
4.10. Литература .................................................................................................................. 252
5. Разрушение инженерных пластиков .................................................................. 258

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

Содержание

5.1. Введение ....................................................................................................................... 258
5.2. Современное состояние и тенденции развития  ......................................................... 259
5.3. Основы механики разрушения .................................................................................... 260
5.3.1. Линейно-упругая механика разрушения  .......................................................... 260
5.3.2. Модель смещающейся вершины трещины (МСВТ) .......................................... 265
5.3.3. Концепция J-интеграла ...................................................................................... 268
5.3.4.  Концепция кривой сопротивления образованию трещины (R-кривая) .......... 269
5.4.  Экспериментальное определение параметров, характеризующих разрушение ........ 272
5.4.1. Квазистатическое нагружение ........................................................................... 272
5.4.3.  Инструментальный метод испытаний при использовании падающего груза .....286
5.5. Рекомендации для создания новых материалов ......................................................... 288
5.5.1.  Оценка пластичности модифицированных полимеров методами 
механики разрушения  .........................................................................................288
5.5.2.  Оценка свойств материала с помощью инструментального метода 
ударного растяжения  ..........................................................................................302
5.5.3.  Выбор материала и размеров изделия на основе результатов 
испытаний на разрушение при ударе ..................................................................306
5.6. Перечень стандартов .................................................................................................... 308
5.7. Литература .................................................................................................................... 310
6. Измерения физических свойств ........................................................................ 312
6.1. Теплофизические свойства .......................................................................................... 312
6.1.1. Введение .............................................................................................................. 312
6.1.2. Измерение теплопроводности............................................................................ 313
6.1.3. Дифференциальная сканирующая калориметрия............................................. 318
6.1.4. Термогравиметрический анализ ......................................................................... 323
6.1.5. Термический анализ  ........................................................................................... 326
6.2. Оптические свойства ................................................................................................... 330
6.2.1. Введение .............................................................................................................. 330
6.2.2. Отражение и дифракция ..................................................................................... 330
6.2.3. Дисперсия ........................................................................................................... 335
6.2.4. Поляризация ....................................................................................................... 336
6.2.5. Пропускание, поглощение и отражение ............................................................ 342
6.2.6. Блеск, внутреннее диффузное отражение и мутность ...................................... 343
6.2.7. Окраска ............................................................................................................... 348
6.2.8. Прозрачность и просвечивание ......................................................................... 350
6.2.9. Инфракрасная спектроскопия ........................................................................... 353
6.2.10. Техника лазерных исследований ...................................................................... 355
6.2.11. Оценка стабильности оптических характеристик ........................................... 356
6.3. Электрические и диэлектрические свойства .............................................................. 358
6.3.1. Введение .............................................................................................................. 358
6.3.2. Физические принципы ....................................................................................... 361
6.3.3. Электропроводность и электрическое сопротивление ..................................... 364
6.3.4. Диэлектрические свойства и диэлектрическая спектроскопия ........................ 373
6.3.5. Специальные методы измерений ....................................................................... 390

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

Содержание

6.4. Перечень стандартов .................................................................................................... 399
6.5. Литература .................................................................................................................... 403
7.  Cтойкость к образованию трещин под воздействием окружающей среды ............ 409
7.1. Общие положения ........................................................................................................ 409
7.2.  Испытания на стойкость к растрескиванию под действием окружающей среды ..... 413
7.2.1.  Методы испытаний для определения момента образования трещин .............. 413
7.2.2.  Примеры оценки стойкости к образованию трещин в окружающей среде, 
полученные при использовании стандартизированных методов ......................417
7.2.3. Методы, основанные на механике разрушения ................................................ 422
7.3.  Моделирование разрушения пластмасс в жидкостях, вызванного 
образованием трещин под действием приложенных напряжений .............................426
7.4. Факторы, влияющие на образование трещин ............................................................ 430
7.4.1. Поперечное сшивание ........................................................................................ 430
7.4.2. Молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение ........................ 431
7.4.3. Разветвленность макромолекул ......................................................................... 433
7.4.4. Кристаллические области .................................................................................. 434
7.4.5. Молекулярная ориентация ................................................................................. 435
7.4.6. Физико-химические взаимодействия ................................................................ 438
7.4.7. Вязкость иммерсионной жидкости .................................................................... 444
7.4.8. Влияние толщины образцов ............................................................................... 449
7.4.9. Влияние температуры ......................................................................................... 450
7.5. Перечень стандартов .................................................................................................... 454
7.6. Литература.............................................................................................................. 457
8.  Методы неразрушающих испытаний полимеров ................................................ 460
8.1. Введение ....................................................................................................................... 460
8.2.  Неразрушающие методы испытаний, основанные на применении 
электромагнитных колебаний ......................................................................................462
8.2.1. Рентгеновское излучение ................................................................................... 463
8.2.2. Спектральная область видимого света ............................................................... 469
8.2.3. Термография ....................................................................................................... 480
8.2.4. Микроволны ....................................................................................................... 480
8.2.5. Диэлектрическая спектроскопия ....................................................................... 484
8.2.6. Вихревые токи ..................................................................................................... 485
8.3.  Неразрушающие испытания, основанные на распространении 
упругих колебаний ........................................................................................................487
8.3.1. Упругие волны при линейном поведении материала ........................................ 488
8.3.2. Упругие волны и нелинейное поведение материала ......................................... 503
8.4.  Неразрушающие испытания, основанные на переносе тепла ................................... 509
8.4.1. Возбуждение от внешнего источника ................................................................ 509
8.4.2. Возбуждение волн с помощью внутренних источников ................................... 515
8.5. Основные выводы  ....................................................................................................... 521
8.6. Литература .................................................................................................................... 523
9. Гибридные методы диагностики полимеров ....................................................... 528
9.1. Задачи и цели ............................................................................................................... 528

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

Содержание

9.2.  Испытания на растяжение, акустическая эмиссия и видеотермография .................. 530
9.3. Испытания на растяжения и лазерная экстензиометрия ........................................... 532
9.3.1.  Применение лазерной экстензиометрии для определения 
локальных деформаций .......................................................................................532
9.3.2.  Лазерное мультисканирование для определения локальных 
полей деформации ...............................................................................................536
9.4. Механика разрушения и неразрушающие испытания  .............................................. 538
9.4.1. Испытания на изгиб и микроскопия ................................................................. 538
9.4.2. Испытания на растяжение и видеоэкстензиометрия ........................................ 540
9.4.3.  Испытания по Шарпи с надрезом в сочетании с акустическим 
эмиссионным анализом .......................................................................................541
9.5. Литература .................................................................................................................... 542
Глава 10.  Испытания композиционных материалов ............................................... 544
10.1. Введение ..................................................................................................................... 544
10.2. Теоретические основы ............................................................................................... 546
10.2.1. Анизотропия ..................................................................................................... 546
10.2.2. Упругие характеристики ламинатов ................................................................. 547
10.2.3. Влияние влажности и температуры .................................................................. 547
10.2.4.  Теория механических свойств ламинатов и принцип Сен-Венана ................ 548
10.2.5.  Применение механики разрушения к композитам, 
армированным волокнами .................................................................................549
10.3. Подготовка образцов ................................................................................................. 551
10.3.1. Изготовление ламината .................................................................................... 551
10.3.2.  Подготовка образцов к испытаниям в условиях одноосной нагрузки ........... 554
10.4. Определение объемного содержания волокон ......................................................... 555
10.5. Методы механических испытаний ............................................................................ 557
10.5.1. Испытания на растяжение ................................................................................ 557
10.5.2. Испытания на сжатие ....................................................................................... 560
10.5.3. Испытания на изгиб .......................................................................................... 565
10.5.4. Межслоевая прочность при сдвиге .................................................................. 568
10.5.5. Испытания на сдвиг .......................................................................................... 569
10.6.  Методы испытаний, основанные на механике разрушения .................................... 578
10.6.1. Испытания композитов с волокнистым наполнителем .................................. 578
10.6.2. Испытания образцов специальной конфигурации ......................................... 579
10.6.3.  Показатели, характеризующие условия разрушения композиционных 
материалов с волокнистым наполнителем ........................................................586
10.7. Специальные методы испытаний .............................................................................. 588
10.7.1. Испытания на краевое расслаивание ............................................................... 588
10.7.2.  Испытания образца со сквозным отверстием на сжатие 
по методу фирмы Boeing .....................................................................................589
10.8.  Прочность на расслаивание при испытании эластичных ламинатов ...................... 590
10.9. Ударное нагружение и стойкость к повреждениям ................................................... 592
10.10.  Перечень стандартов и инструкций ........................................................................ 595
10.11. Литература ................................................................................................................ 598

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru 

Содержание

Глава 11.  Методы оценки технологических свойств ............................................... 600
11.1.Теплостойкость ........................................................................................................... 600
11.1.1. Общие принципы и определения .................................................................... 600
11.1.2.  Определение температуры размягчения по Вика и деформационной 
теплостойкости ...................................................................................................601
11.1.3.  Примеры использования на практике показателей теплостойкости 
по Вика и деформационной теплостойкости  ...................................................604
11.2. Огнестойкость ............................................................................................................ 608
11.2.1. Введение ............................................................................................................ 608
11.2.2. Стадии горения и параметры, характеризующие горение .............................. 611
11.2.3. Испытания на огнестойкость ........................................................................... 612
11.2.4.  Использование конусного калориметра для оценки огнестойкости .............. 624
11.3. Испытания изделий ................................................................................................... 631
11.3.1. Введение  ........................................................................................................... 631
11.3.2. Базовые методы испытаний ............................................................................. 632
11.3.3. Испытания пластмассовых труб ....................................................................... 638
11.3.4.  Испытания пластмассовых деталей, применяемых на транспорте ................ 642
11.3.5.  Испытания пластмассовых деталей, используемых в строительстве .............. 648
11.4. Испытания имплантатов ........................................................................................... 657
11.4.1. Введение ............................................................................................................ 657
11.4.2. Испытания имплантатов на вытягивание ........................................................ 659
11.4.3.  Испытания возможности использования фаринготрахеального 
голосового протеза ....................................................................................................... 663
11.4.4. Определение механических свойств хрящей человека .................................... 666
11.5. Перечень стандартов .................................................................................................. 668
11.6. Литература .................................................................................................................. 672
Глава 12. Испытания микродеталей ...................................................................... 676
12.1. Введение ..................................................................................................................... 676
12.2. Испытания микрообразцов ....................................................................................... 679
12.2.1. Испытания на микрорастяжение ..................................................................... 679
12.2.2.  Исследования методами механики разрушения с использованием 
образцов минимального размера .......................................................................684
12.3. Техника нановдавливания ......................................................................................... 686
12.4. Развитие методов испытаний для нанотехнологии .................................................. 689
12.4.1.  Бесконтактный анализ полей смещения с использованием техники числовой 
корреляции изображений (корреляционный анализ серых изображений) ...........689
12.4.2.  Локальные измерения деформаций, выполняемые методом 
атомно-силовой микроскопии ..........................................................................690
12.5. Литература .................................................................................................................. 696
Список переменных и констант ............................................................................ 698
Основные использованные сокращения ................................................................ 706
Предметный указатель ........................................................................................ 709

©ЭБС «Химия», 2022 © ЦОП «Профессия», 2009–2022. Все права защищены. www.epcprof.ru