Temperatura wytrzymałości termicznej HDT zgodnie z ASTM D648 i ISO 75
Zwłaszcza tworzywa termoplastyczne coraz bardziej tracą swoją sztywność i twardość w wyższych temperaturach. Temperatura wytrzymałości termicznej HDT (Heat Deflection Temperature lub także Heat Distortion Temperature) opisuje temperaturę, w której tworzywo sztuczne zaczyna się odkształcać pod określonym obciążeniem. Wartość ta jest wykorzystywana w badaniach materiałów w celu oceny wytrzymałości termicznej materiału. HDT mierzy się poprzez poddanie określonej próbki działaniu rosnącej temperatury pod stałym obciążeniem w 3-punktowym procesie zginania, aż do uzyskania określonego ugięcia.
Normy ASTM D648 i ISO 75 opisują metody badawcze i regulują wymagania, dotyczące sprzętu badawczego i warunków badawczych, takie jak obciążenie, geometria próbki i szybkość nagrzewania, w celu uzyskania wyników porównywalnych w skali międzynarodowej.
Inną szybką i prostą metodą określania wytrzymałości cieplnej tworzyw sztucznych (oprócz stosunkowo skomplikowanych metod, takich jak DSC Differential Scanning Calorimetry lub DMA Dynamic Mechanical Analysis) jest temperatura mięknienia Vicata VST zgodnie z ISO 306 lub ASTM D1525.
Cel & Obszar stosowania Przegląd norm Próbka Wideo Przebieg badania Warunki badawcze ISO vs. ASTMUrządzenie badawcze HDTDownload’s Proszę o poradę FAQ's
Do czego służy HDT i dlaczego jest ważny?
HDT temperatura wytrzymałości cieplnej jest wyłącznie wartością porównawczą, którą można wykorzystać do różnych celów. W zapewnianiu jakości pomaga zidentyfikować odchylenia w jakości materiału podczas produkcji. Jako względna wartość porównawcza jest istotna przy doborze tworzyw sztucznych do zastosowań z obciążeniami termicznymi, np. w przemyśle motoryzacyjnym, elektrycznym czy budowlanym. Dostarcza programistom i inżynierom informacji o tym, czy materiał może sprostać wymaganiom aplikacji końcowej, nie tracąc przy tym stabilności wymiarowej. Wysoka wartość HDT oznacza, że materiał pozostaje niezawodny nawet w wysokich temperaturach i obciążeniach. Wyniki nie dostarczają jednak żadnych informacji na temat maksymalnych temperatur pracy produktu końcowego!
Temperatura wytrzymałości termicznej HDT - Przegląd norm
ISO 75-1 opisuje ogólne metody badawcze do określania temperatury wytrzymałości cieplnej HDT pod obciążeniem. We wszystkich częściach ISO 75 do badania dozwolone są tylko układy próbek o płaskich krawędziach .
ISO 75-2 zawiera szczegółowe wymagania dla tworzyw sztucznych (w tym tworzyw sztucznych wypełnianych i tworzyw sztucznych wzmacnianych długimi włóknami, których długość włókna przed obróbką wynosi do 7,5 mm) oraz dla twardej gumy. Tutaj określono trzy metody badań poprzez różne wartości stałego naprężenia zginającego na początku badania:
- Metoda A: Naprężenie zginające = 1,80 MPa
- Metoda B: Naprężenie zginające = 0,45 MPa
- Metoda C: Naprężenie zginające = 8,00 MPa
Procedury można dowolnie wybierać. Zaleca się jednak dobieranie wyższego obciążenia początkowego, im sztywniejsze są próbki do badań. W zależności od zastosowanego naprężenia zginającego wyniki znacznie się różnią. Dlatego ważne jest, aby wraz z wynikami wyraźnie wskazać stan naprężenia. Pomiary wykazały, że HDT próbki polipropylenu wzrasta z 57°C do 99°C pomiędzy metodą A (1,8 MPa) a metodą B (0,45 MPa).
ISO 75-3 zawiera szczegółowe wymagania, dotyczące określania temperatury wytrzymałości cieplnej pod wpływem ciepła dla wysoce odpornych utwardzalnych laminatów i tworzyw sztucznych wzmacnianych długimi włóknami (gdzie długość włókna przed obróbką przekracza 7,5 mm). Naprężenie zginające oblicza się na podstawie ułamka (1/1000) modułu zginania materiału podczas badania w temperaturze pokojowej.
ASTM D648 zawiera standardową metodę badania temperatury wytrzymałości cieplnej pod wpływem ciepła tworzyw sztucznych pod obciążeniem zginającym w pozycji pionowej próbki. Na podstawie odległości podpory (odległości między liniami styku próbki a podporą) określa się dwie metody badawcze:
- Metoda A: 101,6 ± 0,5 mm
- Metoda B: 100,0 ± 0,5 mm
Niezależnie od procesu należy zastosować stałe naprężenie zginające wynoszące 0,455 MPa lub 1,82 MPa.
Próbka zgodnie z ASTM D648 i ISO 75
Do badania materiałów próbki są zwykle wytwarzane metodą formowania wtryskowego w ściśle określonych warunkach. Zapewnia to wysoki poziom powtarzalności wyników.
Także mechaniczna obróbka z komponentów lub płyt np. do testowania rur lub komponentów z sektora motoryzacyjnego jest dozwolone zarówno zgodnie z normą ISO 75 jak i zgodnie z ASTM D648 . Przy wytwarzaniu anizotropowych próbek do badań z płyt należy zadbać o to, aby były one pobierane w kierunku wzdłużnym i poprzecznym, aby móc zidentyfikować zależne od kierunku różnice w wynikach.
Wymagania, dotyczące próbki zgodnie z ISO 75 i ASTM D648 zestawiono w poniższej tabeli:
| Próbka: | ISO 75-1 i ISO 75-2 | ASTM D648 |
|---|---|---|
| Wyrównanie | Pozycja płaska | Pozycja pionowa |
| formowana wtryskowo | Długość: 80 ± 2,0 mm Szerokość: 10 ± 0,2 mm Grubość: 4 ± 0,2 mm | Min. długość: Odstęp podpór +12,7 mm Szerokość: 3–13 mm Grubość: 12,7 ± 0,5 mm |
| z płyt / komponentów | Grubość: 3 - 13 mm, przeważnie 4 - 6 mm | Grubość: 3 mm lub grubsza |
| Liczba | Przynajmniej dwie próbki* | Przynajmniej dwie próbki |
*Próbki do badań układa się parami po przeciwnych stronach (na które przykładane jest obciążenie) względem stempla ściskającego.
Film: Wytrzymałość cieplna HDT zgodnie z ISO 75 i ASTM D648
Wideo pokazuje przebieg badawczy do określenia temperatury wytrzymałości cieplnej HDT zgodnie z ISO 75 ewent. ASTM D648 ale także temperaturę mięknienia Vicata zgodnie z ISO 306 i ASTM D1525 na Amsler HDT/Vicat Allround i oprogramowaniu badawczym testXpert.
Procedura badawcza i wymagania, dotyczące badań zgodnie z ISO 75 i ASTM D648
Dla temperatury wytrzymałości cieplnej sztywności mierzy się metodą trzypunktowego zginania . W tym celu próbkę badaną umieszcza się na podporach w pozycji płaskiej (ISO 75) lub pionowej (ASTM D648). Stempel badawczy HDT można zainstalować za pomocą narzędzia centrującego. Zapewnia to równoległość stempla i podpór oraz pozwala uniknąć błędów wynikających z niewspółosiowości.
Ciężar, który należy zastosować należy obliczyć zgodnie z normami. Dzieje się to analogicznie w ISO 75 i ASTM D648 i jest przeprowadzane przez oprogramowanie badawcze testXpert . Najważniejszymi czynnikami są wymiary próbki, odstęp podpór i zastosowane naprężenie - w zależności od wybranej metody.
Po osiągnięciu wymaganej temperatury początkowej (ISO 75 ›27 °C, ASTM D648 temperatura pokojowa) urządzenie obciążające opuszcza się do łaźni grzewczej (olejowej), próbki obciąża się odważnikami i rozpoczyna się badanie trwającym 5 minut czasem oczekiwania. Aby częściowo skompensować pełzanie (które występuje w przypadku niektórych materiałów pod określonym naprężeniem zginającym), przewidziano czas oczekiwania wynoszący 5 minut.
Następnie rejestruje się początkową drogę pełzania, zeruje się urządzenie do pomiaru ugięcia i zwiększa temperaturę przy równomiernej szybkości nagrzewania 120 ± 10 °C/h zgodnie z ISO 75 ewent. 2 ± 0.2 °C/min (≙ 120 ± 12 °C/h) zgodnie z ASTM, aż do osiągnięcia standardowego ugięcia.
Wynikiem badania HDT jest temperatura, w której osiągnięto ugięcie 0,25 mm (ASTM) lub wydłużenie przy zginaniu 0,20% (ISO).
Poniższa tabela zawiera porównanie najważniejszych parametrów z norm ISO 75 (część 1 i 2) oraz ASTM D648.
Przegląd warunków badawczych ASTM D648 vs. ISO 75
| ISO 75-1, ISO 75-2 | ASTM D648 | ||
|---|---|---|---|
| Urządzenie badawcze | Promień podpór | 3 ± 0,2 mm | 3 ± 0,2 mm |
| Odstęp podpór | 64 ± 1 mm | Metoda A: 101,6 ± 0,5 mm Metoda B: 100,0 ± 0,5 mm | |
| Naprężenie zginające | Metoda A: 1.80 MPa Metoda B: 0.45 MPa Metoda C: 8.00 MPa | 1,82 MPa 0,455 MPa | |
| Temperatura | Temperatura startowa | < 27 °C | Temperatura pokojowa |
| Prędkość grzania | 120 ± 10 °C/h 12 ± 1 °C/6 min | 2 ± 0,2 °C/min 10 ± 1 °C/5 min ≙120 ± 12 °C/h | |
| Pozycja termometru | Nie dalej niż 12,5 mm od środka próbki | Nie dalej niż 10 mm od badanej próbki bez jej dotykania | |
| Wynik | Standardowe ugięcie | 0,20% | 0,25 mm |
| Powtórzenie | jeżeli poszczególne wyniki różnią się o więcej niż 2°C dla tworzyw amorficznych lub twardej gumy lub o więcej niż 5°C dla materiałów półkrystalicznych | – |
Urządzenie badawcze HDT zgodnie z ISO 75 i ASTM D648
Dzięki Amsler HDT/Vicat Allround 6-300 firma ZwickRoell oferuje zmotoryzowane urządzenie z w pełni zautomatyzowaną procedurą badawczą do określania temperatur Vicata i HDT do 300°C zgodnie ze wszystkimi normami ISO i ASTM. Zastosowanie zaawansowanej technologii pomiaru drogi i regulacji temperatury pozwala uzyskać dokładne i powtarzalne wyniki badań. Przyjazna dla użytkownika, skupiona na bezpieczeństwie i bezkompromisowa konstrukcja zapewnia komfort i bezpieczeństwo. 2, 4 lub 6 stanowisk badawczych może być wyposażonych w automatyczne uruchamianie chłodzenia, zmotoryzowane opuszczanie próbek badanych i nakładanie obciążenia. Urządzenie badawcze HDT Vicat może być używane samodzielnie z wyświetlaczem dotykowym lub w połączeniu z komputerem PC. Do przeprowadzenia istotnej analizy wyników można wykorzystać oprogramowanie badawcze testXpert .
więcej o urządzeniu badawczym HDT / Vicat więcej o oprogramowaniu badawczym testXpert
Często zadawane pytania, dotyczące wytrzymałości cieplnej tworzyw sztucznych?
Temperatura wytrzymałości cieplnej (Wytrzymałość cieplna), auch bekannt als Heat Deflection Temperature (HDT), ito właściwość materiału wskazująca temperaturę, w której tworzywo sztuczne zaczyna odkształcać się plastycznie pod określonym obciążeniem. Ta właściwość jest badana przede wszystkim dla tworzyw termoplastycznych i termoutwardzalnych i jest ważnym wskaźnikiem wytrzymałości termicznej materiału.
ISO 75 opisuje ogólną procedurę badawczą służącą do określania temperatury wytrzymałości cieplnej tworzyw sztucznych i reguluje wymagania, dotyczące sprzętu badawczego i warunków badawczych, takich jak obciążenie, geometria próbki do badań i szybkość nagrzewania, w celu uzyskania wyników porównywalnych w skali międzynarodowej. Temperatura ugięcia pod wpływem ciepła dostarcza informacji o temperaturze, w której tworzywo sztuczne zaczyna się odkształcać pod określonym obciążeniem.
Temperatura wytrzymałości cieplnej zgodnie z ASTM D648 to wskaźnik materiałowy opisujący temperaturę, w której tworzywo sztuczne pod zdefiniowanym obciążeniem mechanicznym (stałe naprężenie zginające wynoszące 1,82 MPA lub 0,455 Mpa) zaczyna ulegać zniszczeniu w wyniku działania termicznego (wzrost temperatury przy równomiernej szybkości ogrzewania wynoszącej 2°C /min w kąpieli olejowej) w celu odkształcenia plastycznego. ASTM D648 określa procedurę badawczą służącą do określenia wartości HDT. Wartość HDT to temperatura przy ugięciu 0,25 mm.
Wykresy wyników często przedstawiają nieregularne krzywe, jak pokazano na rysunku. Zjawisko to jest całkowicie normalne i wynika z zachowania samego tworzywa sztucznego. Ciepło uwalnia częściowo zamarznięte naprężenia wewnętrzne, które mogą powodować przemieszczanie się próbki w kierunku badania lub w kierunku przeciwnym. Podczas uwalniania dużych naprężeń wewnętrznych może się nawet zdarzyć, że przez krótki czas zostanie zarejestrowana ujemna droga pomiarowa. Prowadzi to do nieregularnych krzywizn wyniku. Nieregularności te różnią się w zależności od materiału i jego składu. Nie mają one jednak negatywnego wpływu na wynik, ponieważ te wewnętrzne napięcia zmniejszają się już po osiągnięciu wyższych temperatur. Rozszerzalność cieplna próbek ma niewielkie znaczenie. Jednakże staje się to ważniejsze, gdy szerokie próbki są stosowane w pozycji pionowej.
Jeżeli można wykluczyć, że różnice w wynikach wynikają z geometrii próbki lub materiału, częstym problemem jest prawidłowe ustawienie stempla ściskającego HDT względem podpór. Nieprawidłowe ustawienie stempla ściskającego może powodować duże różnice w wynikach z powodu sił poprzecznych. Te siły poprzeczne nie występują, jeśli stempel badawczy jest prawidłowo ustawiony.
Ważne jest, aby używać starannie przygotowanych próbek do badań, ponieważ nieprawidłowości mogą zafałszować wyniki. Na przykład próbki badane posiadające zadziory na krawędziach dają różne wyniki. Dzieje się tak szczególnie w przypadku metod badawczych, w których wykorzystuje się jedynie małe siły i ciężary. Może się zdarzyć, że próbka opiera się na grzbiecie, a pokonanie tej nierówności jest rejestrowane jako zmierzona droga w trakcie badania.