ASTM D638: Prove di trazione per materie plastiche

Introduzione

Le proprietà meccaniche di un materiale sono necessarie per l'ingegneria delle materie plastiche e la scienza dei polimeri. Tra tutte le proprietà dei materiali, la più significativa è la resistenza alla trazione, cioè la quantità di stress che può essere sopportata da un materiale senza cedimenti quando è sottoposto a tensione. L'ASTM D638, uno standard riconosciuto a livello internazionale dall'American Society for Testing and Materials (ASTM), fornisce un metodo per testare le proprietà di trazione delle materie plastiche in condizioni di laboratorio.

Che cos'è l'ASTM D638?

L'ASTM D638, o "Metodo di prova standard per le proprietà di trazione delle materie plastiche", descrive il metodo, il tipo di provino e le condizioni di prova per testare la resistenza alla trazione, l'allungamento a rottura e il modulo elastico dei polimeri termoplastici e termoindurenti. È applicabile alle plastiche semirigide e rigide e serve a fornire un mezzo di confronto tra prodotti di diversi produttori o diversi metodi di lavorazione.

Il materiale è standardizzato per garantire la ripetibilità delle prove di trazione, riducendo al minimo la velocità di prova, il tipo di presa e la variazione della forma del provino. L'ASTM D638 è ampiamente utilizzato e costituisce la base della progettazione, della scelta dei materiali e dell'assistenza normativa.

Tipi di provini e preparazione

La specifica ASTM D638 classifica cinque tipi di provini (dal tipo I al tipo V) in base alle dimensioni. I tipi I e IV sono i più utilizzati:

Tipo I: 165 mm di lunghezza totale, 13 mm di larghezza della sezione sottile, 3,2 mm di spessore. Utilizzato più spesso per prove di trazione generali di plastiche comuni.

Tipo IV: lunghezza totale di 115 mm, larghezza della sezione sottile di 6 mm, spessore di 3 mm. Quando la disponibilità del materiale è limitata o come studio di base per il confronto.

I campioni possono essere prodotti mediante stampaggio a iniezione, stampaggio a compressione, estrusione o taglio da lastre. Inoltre, è necessario prestare attenzione che i campioni siano privi di difetti, cioè vuoti, graffi o irregolarità sulle loro superfici, perché possono influenzare in modo significativo i risultati della trazione.

Procedura di prova

La prova di trazione consiste nel collocare il provino all'interno di una macchina di prova universale (UTM) e nel caricare il provino con un carico di trazione monoassiale controllato fino alla rottura. Alcuni dei fattori importanti coinvolti nel processo sono:

1. La scelta dell'impugnatura: I provini sono tenuti da impugnature pneumatiche o meccaniche. L'impugnatura non deve causare slittamenti e non deve essere fonte di concentrazioni di sollecitazioni.

2. Velocità di prova: la velocità della testa trasversale varia in base al tipo di materiale e allo spessore del provino. Per i provini nominali di tipo I con spessore di 3,2 mm, la velocità è spesso di 50 mm/min. La velocità può influenzare l'allungamento misurato e la resistenza alla trazione nel caso di plastiche viscoelastiche.

3. Ambiente di condizionamento: I campioni vengono condizionati al 50% di umidità relativa e a 23°C per un minimo di 40 ore, secondo la norma ASTM D618, in modo che siano il più possibile stabili per quanto riguarda il contenuto di umidità e la temperatura.

Proprietà chiave misurate

I test ASTM D638 riguardano alcune delle proprietà più critiche del materiale:

Resistenza alla trazione allo snervamento: Sollecitazione massima che il materiale tollera prima di subire una deformazione permanente. L'HDPE, ad esempio, cede solitamente a 20-30 MPa, mentre il policarbonato (PC) può cedere a 60-70 MPa.

Resistenza a trazione a rottura: Sollecitazione alla quale il provino si rompe. Le plastiche fragili come il polistirene si rompono al punto di snervamento o quasi, mentre le plastiche duttili come il polietilene si allungano notevolmente prima di rompersi.

Allungamento a rottura: Allungamento in lunghezza alla rottura in termini percentuali. L'HDPE può avere un allungamento del 400-600%, mentre quello del polistirene è inferiore al 5%.

Modulo di elasticità (modulo di Young): Misura della rigidità in base alla pendenza della prima parte lineare della curva sforzo-deformazione. Ad esempio, il polipropilene ha un modulo di circa 1,5-2 GPa e il PVC di 3-3,5 GPa.

Questi valori vengono applicati dagli ingegneri per determinare se un materiale può sostenere o meno carichi operativi senza rompersi o subire deformazioni permanenti.

Applicazioni dei test ASTM D638

1. Selezione del materiale ingegneristico

I progettisti scelgono le materie plastiche per i componenti strutturali in base ai dati ASTM D638. Ad esempio, quando si sceglie il materiale per i componenti di un veicolo, come i pannelli interni, la resistenza alla trazione e l'allungamento determinano se una plastica è resistente agli urti e flessibile senza incrinarsi.

2. Controllo di qualità della produzione

I produttori dimaterie plastiche possono occasionalmente testare i lotti per garantire la coerenza delle proprietà meccaniche. La variazione della temperatura di estrusione, della pressione di iniezione o della velocità di raffreddamento si trasferisce alle proprietà di trazione. L'ASTM D638 è un metodo accettato per garantire la conformità dei materiali alle specifiche prima della spedizione.

3. Ricerca e sviluppo

Nella ricerca e sviluppo, le prove di trazione determinano l'effetto di additivi, cariche o rinforzi nelle materie prime. Ad esempio, l'aggiunta di fibre di vetro al polipropilene raddoppia la resistenza alla trazione da 30 MPa a oltre 80 MPa e riduce della metà l'allungamento a rottura. La norma ASTM D638 garantisce un confronto efficace tra le formulazioni.

4. Conformità alle normative

I dispositivi medici, le confezioni alimentari e i componenti elettronici spesso richiedono test meccanici secondo la norma ASTM D638 per soddisfare gli standard normativi ISO, FDA o ASTM. I tubi in polietilene approvati dalla FDA sono uno di questi casi in cui è necessario garantire l'uniformità delle proprietà di trazione per assicurare un uso sicuro nei dispositivi medici.

Conclusione

L'ASTM D638 è uno standard per le prove di trazione delle materie plastiche. Fornendo procedure credibili per le prove, la preparazione dei campioni e l'analisi, consente a ingegneri e produttori di prendere decisioni ben informate sulla scelta dei materiali, sulla progettazione dei prodotti e sulla garanzia di qualità. Dai pannelli automobilistici ai dispositivi medici, lo standard garantisce che le materie plastiche si comportino in modo coerente e sicuro quando sono sottoposte a sollecitazioni meccaniche. Per ulteriori informazioni, consultare il sito Stanford Advanced Materials (SAM).