Модуль упругости (модуль Юнга)
Технические характеристики
Значения модуля упругости при растяжении (ISO 527, температура +20 °C):
Капролон ПА-6 (блочный, сухое состояние) — 3000–3300 МПа (при насыщении влагой снижается до 1500–2000 МПа)
Графитонаполненный капролон ПА-6-МГ — 2800–3000 МПа (наполнитель уплотняет структуру)
POM-С (полиацеталь-сополимер) — 3100–3200 МПа
Фторопласт Ф4 (ПТФЭ) — 410 МПа
Сталь (Ст45) для сравнения — 200 000 МПа (200 ГПа)
Бронза БрОЦС для сравнения — 100 000 МПа (100 ГПа)
Факторы, существенно влияющие на реальное значение модуля E у пластиков:
температура: при нагреве выше +50 °C модуль упругости пластиков резко снижается, тогда как у металлов он практически постоянен в том же диапазоне;
влажность: у капролона ПА-6 водопоглощение до 10% заметно снижает жёсткость — «мокрый» капролон значительно мягче «сухого»;
скорость нагружения: полимеры вязкоупруги, поэтому при ударных нагрузках E выше, чем при статических.
Промышленное применение
Низкий, по металлическим меркам, модуль упругости пластиков — от 0,4 до 3,2 ГПа против 100–200 ГПа у металлов — не является недостатком сам по себе: это свойство целенаправленно используется в конструкциях, требующих контролируемой упругости. Полиамидные и ацетальные направляющие в транспортёрных системах работают как демпферы, поглощая ударные нагрузки там, где бронзовый или стальной аналог передавал бы вибрацию дальше по цепи. В сельскохозяйственной технике и горнодобывающем оборудовании опорные ролики и ползуны из POM успешно заменяют металлические именно благодаря сочетанию достаточной жёсткости (E ≈ 3100 МПа) и способности к упругому восстановлению формы после динамической нагрузки.
Отдельный случай — фторопласт Ф4 с его модулем упругости около 410 МПа. Столь низкое значение означает, что ПТФЭ при нагружении ведёт себя практически как мягкий металл: деталь «течёт» даже при умеренных давлениях. Это свойство, называемое хладотекучестью, полностью исключает применение фторопласта в высоконагруженных несущих узлах — зато делает его незаменимым в качестве уплотнительных прокладок и антифрикционных вкладышей, где нужна самоприработка к поверхности контртела.
Плюсы и минусы
Преимущества умеренного модуля упругости пластиков:
упругое восстановление формы после снятия нагрузки без остаточной деформации — в рабочем диапазоне напряжений;
естественное демпфирование ударов и вибраций в узлах без дополнительных амортизирующих элементов;
у POM — более высокий модуль по сравнению с капролоном при меньшем влиянии влажности, что даёт стабильную геометрию детали в широком диапазоне условий эксплуатации.
Ограничения и риски:
в высоконагруженных опорных конструкциях пластик с E = 2000–3200 МПа прогнётся в 60–100 раз сильнее стального аналога при той же нагрузке и поперечном сечении — это принципиально меняет расчёт балок и осей;
у фторопласта необратимое выдавливание из гнезда связано с высокой хладотекучестью и с низким модулем E. По этой же причине (из-за релаксации напряжений) в пластиковых деталях со временем ослабевает резьбовой крепеж: материал «расступается» под давлением, и натяг уходит
модуль упругости капролона нестабилен при изменении влажности — в условиях переменной влажности жёсткость детали может меняться в 1,3–1,5 раза.
Совет технолога ООО АВТЭКС
Модуль упругости необходимо учитывать не только при прочностном расчёте, но и при конструировании посадочных мест. Пластиковая деталь с модулем в 100 раз ниже стального вала при затяжке крепежа деформируется совершенно иначе — резьбовое соединение «вминает» полимер, и натяг постепенно уходит. Именно поэтому при монтаже капролоновых или POM-втулок в стальной корпус расчёт прессовой посадки (с гарантированным натягом) выполняется с учётом низкого модуля упругости полимера: чтобы обеспечить надежную фиксацию в стальном корпусе, пластиковую втулку нужно изготавливать с бОльшим плюсовым допуском (натягом), чем металлическую, так как часть посадочного диаметра «съестся» упругим сжатием материала при монтаже.
Рекомендуется также помнить об анизотропии модуля: у экструдированного стержня или плиты значение E вдоль оси экструзии и поперёк неё может различаться на 10–15%. Для высокоточных деталей с жёсткими допусками это означает, что ориентация заготовки при раскрое не является второстепенным вопросом — её следует согласовывать с технологом на этапе чертежа, до запуска в производство.