Механическое тестирование пластмасс: основные расчеты и интерпретация результатов

Механическое тестирование пластмасс является критическим компонентом материаловедения и инженерии, который предоставляет необходимые данные для выбора материала, контроля качества и разработки продукта. Эти стандартизированные тесты оценивают, как пластмассовые материалы реагируют на различные типы напряжений и условий нагрузки, позволяя инженерам и производителям принимать обоснованные решения о пригодности материала для конкретных применений. Понимание фундаментальных принципов механического тестирования, соответствующих расчетов и правильной интерпретации результатов имеет важное значение для всех, кто работает с полимерными материалами в отраслях, начиная от автомобильной и аэрокосмической промышленности до медицинских устройств и потребительских товаров.

Понимание механического тестирования пластмасс

Механическое тестирование используется для оценки производительности пластиковых материалов при определенных типах напряжений. Пластическое тестирование представляет собой совокупность диагностических процессов, которые оценивают физические, химические, термические и механические свойства пластического материала для подтверждения предпосылки соответствующей возможности производительности и рассмотрения отраслевых стандартов. Основными целями механического тестирования являются определение характеристик материала, выявление потенциальных слабых мест до того, как продукция выйдет на рынок, и обеспечение соответствия отраслевым стандартам и требованиям безопасности.

Основная цель заключается в определении характеристик пробного материала и выявлении возможных недостатков до вывода продукции на рынок или продажи пластмассовых компонентов производителям по производственной цепочке. Более конкретные причины для проведения комплексного набора механических испытаний включают: Обеспечение соответствия национальным или международным стандартам и требованиям безопасности и качества клиентов. Дополнительные цели включают тестирование новых партий для проверки согласованности качества, оценку сырья от новых поставщиков и определение того, работают ли новые биоматериалы сопоставимо с традиционными пластмассами.

Выбор свойств и методов испытаний зависит от состава и предполагаемого использования пластика.Различные механические испытания выполняются на различных пластиковых формах, таких как упаковочные пленки против компонентов, формованных методом впрыска, поскольку каждое применение требует конкретных эксплуатационных характеристик.

Протоколы стандартизации и испытаний

Стандарты механических испытаний публикуются различными международными и национальными органами по стандартизации, включая ISO, ASTM и DIN. Стандарты ASTM, стандарты ISO и многие национальные стандарты, вытекающие из них, устанавливают методологию и параметры основы для испытаний пластмасс, без которых невозможна хорошая воспроизводимость свойств среди испытательных лабораторий, а также поставщиков и клиентов. Эти стандарты обеспечивают, чтобы результаты испытаний были последовательными, воспроизводимыми и сопоставимыми в разных лабораториях и производителях по всему миру.

Стандарты, которые применяются к пластмассам, в основном специфичны для отрасли и практически бесчисленны, поскольку полимерные материалы так широко используются. В некоторых случаях различные стандарты могут даже применяться к аналогичным продуктам в рамках одной отрасли. Например, автомобильная промышленность представляет собой уникальную проблему, когда каждый производитель может иметь свои собственные специфические требования к испытаниям пластиковых компонентов.

Наиболее часто упоминаемые стандарты для тестирования пластмасс включают ASTM D638 для свойств растяжения, ISO 527 для испытаний на растяжение, ASTM D790 и ISO 178 для гибких свойств, ASTM D256 для тестирования воздействия на изод и ISO 179 для тестирования воздействия на шарп. Понимание того, какой стандарт применяется к вашему конкретному приложению, имеет решающее значение для получения значимых и совместимых результатов испытаний.

Комплексные виды механических испытаний

Тестирование на растяжение

Тестирование на растяжение является наиболее распространенным типом, выполняемым с использованием универсального испытательного оборудования для оценки различных механических свойств, которые обеспечивают жизненно важную информацию о пластмассовых материалах. Этот метод испытания используется для оценки поведения пластмасс при воздействии одноосного растяжения. Преимущество испытания на растяжение заключается в том, что даже проходимые материалы могут быть протестированы для завершения точки разрыва.

Стандарт ASTM D638 описывает метод испытания для определения свойств растяжения армированных и неармированных пластмасс. Он помогает определить существенные механические свойства, включая растягивающее напряжение, деформацию, модуль растяжения, прочность на растяжение, прочность на растяжение при выходе и прочность на растяжение при разрыве. Испытание включает растяжение стандартизированного образца с контролируемой скоростью при измерении приложенной силы и полученной деформации.

Испытание на растяжение включает растяжение образца и измерение перевозимой нагрузки. Данные о нагрузке и отклонении транслируются в кривую напряженного напряжения, из которой можно извлечь ряд свойств растяжения. Эта кривая напряженного напряжения обеспечивает полную картину того, как материал ведет себя при нагрузке на растяжение, от начальной упругой деформации до выхода, пластической деформации и, в конечном итоге, до отказа.

Подготовка образцов имеет решающее значение для получения точных результатов испытаний на растяжение. ASTM D638 содержит информацию о форме и размерах образцов, процедурах испытаний, включая условия окружающей среды, а также требования к точности для соответствующих испытательных машин и экстенсометров. Различные типы образцов используются в зависимости от формы материала и доступного размера образца, причем Тип I является стандартным образцом и Тип IV или V используется, когда материал ограничен.

Гибкое тестирование

BS EN ISO 178 определяет 3-точечный метод загрузки для определения гибких характеристик в жестких и полужестких полимерах. Этот метод может быть использован для анализа гибкого поведения и расчета гибких параметров прочности, модуля и других гибких параметров соотношения напряжений/напряжений. Тестирование гибких свойств, также известное как тестирование на изгиб, оценивает, как материалы реагируют на силы изгиба.

Прямоугольный образец для испытания на сечение, сидящий на двух опорах, отклоняется носом, работающим на образце в середине двух опор. Образец отклоняется до тех пор, пока он не разорвется на внешнем краю или не достигнет максимального изгиба 5%, в зависимости от того, что наступит раньше. Эта трехточечная конфигурация изгиба создает комбинацию растягивающих, сжимающих и сдвиговых напряжений внутри образца.

Этот метод испытаний позволяет определить свойства пластика, изменяющие его прочность и размерность, при трехточечной нагрузке. Трехточечная нагрузка создает растягивающие, сжимающие и сдвиговые напряжения в испытательном образце. Сгибательный тест особенно полезен для материалов, которые являются слишком гибкими или слишком хрупкими, чтобы их можно было эффективно испытывать при чистом натяжении или сжатии.

Эти процедуры испытаний касаются определения гибких свойств армированных и неармированных пластмасс, включая электроизоляционные материалы и композиты с высоким модулем в виде прямоугольных стержней, формованных непосредственно или вырезанных из формованных форм, пластин или листов. Эти процедуры испытаний обычно применимы как к полужестким, так и к жестким материалам. Эти процедуры испытаний используют трехточечную систему загрузки, которая применяется к просто поддерживаемому лучу.

Испытание на сжатие

В ходе испытания на сжатие оценивается поведение пластмассовых материалов при воздействии сжимающих сил. Стандарт ISO 604 применяется к испытанию на сжатие жестких и полужестких пластмасс. Эта процедура испытания касается определения механических свойств армированных и неармированных жестких пластмасс, включая композиты с высоким содержанием модуля, при нагрузке в сжатии при относительно низких однородных скоростях загрузки или деформации. Применяются испытательные образцы стандартных форм.

Смещение материала рассчитывается по отношению к приложенной нагрузке для определения сжимающих свойств, таких как прочность на сжатие и модуль. Во время испытания на сжатие образец помещают между двумя параллельными пластинами и подвергают возрастающей сжимающей нагрузке до тех пор, пока не произойдет сбой или не будет достигнута заданная деформация. Испытание предоставляет ценные данные о том, как материалы будут работать в приложениях, где они должны поддерживать нагрузки или противостоять силам дробления.

Испытание на сжатие особенно важно для материалов, используемых в конструкционных приложениях, несущих компонентах и упаковочных материалах.Испытание может выявить различные режимы отказа, включая пристегивание, стрижку или дробление, в зависимости от геометрии образца и свойств материала.

Испытание на воздействие

Испытания на удар измеряют энергию, поглощаемую материалом во время разрушения, и дают информацию о его прочности. Испытания на удар оценивают способность материала выдерживать внезапные, высокоскоростные условия нагрузки, что имеет решающее значение для приложений, где материалы могут испытывать ударные нагрузки или внезапные воздействия во время обслуживания.

В случае твердых пластмасс испытания обычно выполняются путем удара молотком по образцу (тесты на удар шарпи или изод). Для пленок типичный тест на удар проводится методом свободно падающего дротика. Эти стандартизированные тесты на удар обеспечивают количественную меру прочности и хрупкости материала.

Испытание на воздействие Изода представляет собой быстрое и простое испытание для облегчения сравнительной оценки материала. Среди прочего, оно используется для исследования эффектов изменения состава, компаундирования или условий литья под давлением на испытательном образце. Различные эффекты могут быть смоделированы путем изменения температуры и формы выемки. В испытании Изода используется вырезанный образец, зажатый вертикально, причем маятник ударяет образец с той же стороны, что и выемка.

Испытание на удар Шарпи является быстрым и простым испытанием для облегчения сравнительной оценки материала. Среди прочего, оно используется для исследования влияния измененных условий формования, компаундирования или литья под давлением на испытательный образец. В испытании Шарпи тестовые образцы подвергаются воздействию напряжения в установке, аналогичной испытанию на нагрузку в три точки, и ломаются, как только они становятся достаточно хрупкими.

Эти процедуры испытаний охватывают определение сопротивления пластмасс "стандартизированным" маятниковым молоткам, установленным в "стандартизированных" машинах, при разрыве стандартных образцов одним маятниковым качанием. Стандартные испытания для этих тестовых процедур требуют образцов, изготовленных с измельченной выемкой. В процедурах испытаний A, C и D выемка производит концентрацию напряжения, которая увеличивает вероятность хрупкого, а не проходимого перелома.

Дополнительные механические испытания

Помимо первичных механических испытаний, несколько специализированных испытаний предоставляют дополнительную информацию о свойствах пластического материала.Тестирование твердости измеряет сопротивление материала вдавливанию и деформации поверхности.Тестирование сопротивления слезам оценивает, насколько легко можно разорвать пленки и гибкие материалы.Тестирование сдвига определяет сопротивление материала силам, приложенным параллельно его поверхности.

Динамический механический анализ (ДМА) является еще одним ценным методом тестирования. Динамический механический анализ (ДМА) является еще одним методом, используемым для оценки термических свойств пластмасс. ДМА также предоставляет информацию о вязкоупругих свойствах материала, температурах перехода и многом другом. Этот метод применяет колебательное напряжение к образцу при измерении его реакции, предоставляя представление о том, как материалы ведут себя в условиях циклической нагрузки.

Основные расчеты в механическом тестировании

Расчеты стресса

Стресс является одним из наиболее фундаментальных расчетов в механическом тестировании. Стресс, σ, дается f/A, где A = a x b. В более простых терминах напряжение равняется приложенной силе, разделенной поперечным сечением, над которым распределена сила. Этот расчет обеспечивает нормализованную меру внутренних сил внутри материала, что позволяет проводить значимые сравнения между образцами разных размеров.

Сила растяжения измеряется в единицах силы на площадь поперечного сечения. В Международной системе единиц (SI) напряжение обычно выражается в Паскалях (Pa), мегапаскалях (MPa) или гигапаскалях (GPa), где 1 МПа равняется 1 миллиону Паскалей и 1 ГПа равен 1 миллиарду Паскалей. В имперской системе напряжение может выражаться в фунтах на квадратный дюйм (psi).

Расчет напряжения должен учитывать фактическую площадь поперечного сечения в точке измерения. Для испытаний на растяжение это становится особенно важным, поскольку поперечное сечение образца изменяется во время испытаний. Инженерное напряжение использует исходную площадь поперечного сечения, в то время как истинное напряжение использует мгновенную площадь поперечного сечения, которая уменьшается по мере удлинения образца.

Расчеты напряжения

Растягивающее напряжение, γ, равно изменению длины, Δc/c. Штамм представляет собой деформацию материала относительно его первоначальных размеров и выражается в безразмерном соотношении или в процентах. Расчет предполагает деление изменения длины на первоначальную длину образца.

Последовательность: изменение длины калибровки со ссылкой на начальную длину калибровки является критическим измерением при испытаниях на растяжение. Точное измерение деформации требует точного определения как исходной длины калибровки, так и изменения длины во время испытаний. Обычно это достигается с использованием экстенсометеров, которые являются специализированными инструментами, которые крепятся к образцу и измеряют смещение с высокой точностью.

ASTM относится к «% удлинению» ... 0,05% и 0,25% штамма. ASTM D638 вычисляет модуль с использованием линейной части кривой напряжений-деформаций, разделяя штамм на соответствующий стресс. Различные стандарты могут указывать разные диапазоны штаммов для конкретных расчетов, подчеркивая важность соблюдения соответствующего стандарта для вашего применения.

Как и напряжение, деформацию можно вычислить как инженерное деформирование (на основе оригинальных размеров) или истинное деформирование (на основе мгновенных размеров). Для небольших деформаций, характерных для упругой области, эти значения почти идентичны, но они значительно расходятся при пластической деформации.

Модуль Янга (Elastic Modulus)

Модуль растяжения (Young's или Secant или 2%) Esecant, задан Esecant = σ/γ. Модуль Янга, также называемый модулем упругости или модулем упругости, представляет жесткость материала в упругой области. Модуль упругости - мера жесткости, отражающая, насколько материал деформируется в ответ на напряжение, прежде чем уступать.

Модуль Янга рассчитывается от напряжения, деленного на деформацию, а при малых деформациях истинные значения эквивалентны номинальным значениям.Этот расчет обеспечивает наклон кривой напряжений-деформаций в линейной упругой области, указывая, сколько напряжения требуется для получения заданного количества деформации.

Модуль упругости (E modulus) служит параметром для сравнения различных материалов и является мерой жесткости. Материалы с высокими значениями модуля являются жесткими и сопротивляются деформации, в то время как материалы с низкими значениями модуля являются гибкими и легко деформируются под нагрузкой. Модуль выражается в тех же единицах, что и напряжение (обычно MPa или GPa), поскольку деформация не имеет размеров.

Модуль измеряется путем вычисления напряжения и деления путем удлинения, и измеряется в единицах напряжения, разделенных единицами ... Если наклон крут, образец имеет высокий модуль растяжения, что означает, что он сопротивляется деформации. Если наклон нежный, то образец имеет низкий модуль растяжения, что означает, что он легко деформируется.

Существуют различные методы расчета модуля в зависимости от поведения материала. Secant modulus проводит линию от нуля до конкретной точки на кривой напряжений-напряжений, в то время как тангенсный модуль использует наклон в конкретной точке. ISO 527-2 требует, чтобы модуль измерялся между 0,05% и 0,25% деформаций. ASTM D638 вычисляет модуль с использованием линейной части кривой напряжений-напряжений, разделяя деформацию на соответствующее напряжение.

Расчет прочности на растяжение

Прочность на растяжение - Максимальное напряжение, достигаемое материалом. Прочность на растяжение - это самое высокое растягивающее напряжение, которое может достичь образец во время испытания на растяжение. Это представляет собой максимальную несущую способность материала в условиях нагрузки на растяжение.

Прочность на растяжение — это способность пластического материала выдерживать максимальное количество растягивающего напряжения без сбоев. Напряжение возникает при растягивании или растяжении материала. Это точка, когда материал переходит от упругой к пластической деформации. Расчет включает определение максимальной силы, зафиксированной во время испытания, и деление на исходную площадь поперечного сечения.

Эта прочность на растяжение может иметь место в точке выхода, и в этом случае она называется прочностью на растяжение в точке выхода. Если прочность на растяжение возникает незадолго до выхода из строя образца, она называется прочностью на растяжение при разрыве. Понимание того, какой тип прочности на растяжение наиболее актуален, зависит от поведения материала и требований к применению.

Расчеты силы удельного веса

Удельный вес определяется как точка, в которой материал переходит из области упругой деформации в пластическую деформацию. Другими словами, точка, в которой материал начинает деформироваться постоянно под напряжением. Прочность удельного веса представляет собой уровень напряжения, при котором материал начинает проявлять постоянную деформацию.

Прочность на выходе (А): Напряжение, которое материал может выдержать без постоянной деформации. Для материалов с четко определенной точкой выхода это значение можно считывать непосредственно из кривой напряжения-напряжения. Однако многие пластмассы не демонстрируют острую точку выхода, требующую использования метода смещения.

Метод смещения, обычно использующий смещение 0,2%, включает в себя проведение линии, параллельной упругой части кривой напряжений-деформаций, но смещенной заданным значением деформации (обычно 0,2% или 0,002). Интерсекция этой линии смещения с кривой напряжений-деформаций определяет прочность выхода. Этот стандартизированный подход обеспечивает последовательное определение прочности выхода по различным материалам и испытательным лабораториям.

Удлинение и напряжение на перерыве

Удлинение - изменение длины калибровки по отношению к первоначальной длине калибровки до выхода образца; более высокое значение указывает на большую пластичность. Удлинение при разрыве представляет собой общее напряжение, которое материал может выдержать до разрушения и обычно выражается в процентах.

Расчет включает измерение конечной длины датчика в точке перелома, вычитание исходной длины датчика, деление на исходную длину датчика и умножение на 100 для выражения в процентах. Это значение дает важную информацию о пластичности и формируемости материала.

Для хрупких пластмасс и пластмасс, не имеющих точки выхода, деформация при разрыве измеряется непосредственно механическим или бесконтактным измерителем экстенсометером. В случае термопластов, которые действительно представляют точку выхода, номинальное деформирование при разрыве измеряется от перемещения тянущего захвата испытательной машины. Это различие важно, поскольку материалы, которые шея или выход могут концентрировать деформацию в локализованной области, что делает измерения экстенсометера ненадежными для полного удлинения.

Расчеты воздействия энергии

Энергия удара представляет собой общую энергию, поглощаемую образцом во время испытания на удар, однако единственное значение, определяемое, — это потребляемая энергия удара. Эта энергия рассчитывается из разницы в потенциальной энергии маятника до и после удара по образцу.

Результаты всех процедур испытаний приводятся в отчетах с точки зрения энергии, поглощаемой на единицу ширины образца или на единицу площади поперечного сечения под выемкой. Эта нормализация позволяет провести значимое сравнение между образцами различных размеров. Энергия воздействия обычно выражается в джоулях на метр (J/m) или фут-фунтах на дюйм (ft-lb/in).

Расчет ударной прочности учитывает размеры образца, в частности ширину и толщину в месте выемки для выемных образцов. Более высокие значения энергии удара указывают на большую прочность и устойчивость к хрупкому разрыву в условиях высокоскоростной нагрузки.

Гибкая сила и модуль

Прочность на изгиб представляет собой максимальное напряжение во внешних волокнах образца при изгибе. В расчете используются уравнения теории луча, учитывающие приложенную нагрузку, размеры образца и опорный пролет. Для трехточечного теста на изгиб гибкий напор вычисляется по формуле, включающей нагрузку, длину пролета, ширину образца и толщину образца.

Сгибной модуль вычисляется от наклона начальной линейной части кривой отклонения нагрузки, подобно тому, как от кривой напряжения-деформации определяется модуль растяжения.Вычисление преобразует данные отклонения нагрузки в данные напряжения-деформации с использованием геометрии образца и конфигурации испытания, затем определяет наклон в упругой области.

Кривая напряжения: инструмент комплексного анализа

Кривая напряжения-деформации является первичным графическим представлением данных механических испытаний и предоставляет множество информации о поведении материала. Данные нагрузки и отклонения транслируются в кривую напряжения-деформации, из которой можно извлечь ряд свойств растяжения. Понимание того, как читать и интерпретировать эту кривую, необходимо для правильного анализа результатов механических испытаний.

Упругий регион

Начальная часть кривой напряжений-деформаций представляет собой упругую область, где материал деформируется обратимо. Упругая деформация: материал возвращается к своим первоначальным размерам. Деформация обратима и непостоянна. Действительна для небольших деформаций. В этой области соотношение между напряжением и деформацией линейно, а наклон этой линейной части равен модулям Янга.

При снятии напряжения в упругой области материал полностью возвращается к своим первоначальным размерам без постоянной деформации.Такое поведение регулируется растяжением и сжатием атомных связей внутри материала, которые действуют как микроскопические пружины.

Точка доходности

Материалы сначала деформируются эластично, когда вы высвобождаете напряжение, и они возвращаются к своей первоначальной форме. Затем, с большей силой, они деформируются пластически. Это выход, т.е. когда вы высвобождаете напряжение, они постоянно растягиваются в новую форму. Точка выхода знаменует переход от упругой к пластической деформации.

Он измеряет напряжение, которое пластик может выдержать в точке выхода, то есть, когда увеличение деформации не провоцируется увеличением напряжения. За пределами точки выхода материал начинает течь пластически, и постоянная деформация происходит даже при снятии напряжения.

Пластиковый регион

Пластическая деформация: материал не возвращается к своим первоначальным размерам. Этот процесс является постоянным и необратимым. В пластической области материал подвергается постоянной деформации, когда атомные плоскости проскальзывают друг мимо друга в структуре материала.

Пластиковая область может проявлять упрочнение деформации, когда материал становится сильнее при деформации, что приводит к наклонной вверх кривой напряжения-напряжения. Альтернативно, некоторые материалы могут проявлять размягчение деформации или шею, где происходит локализованная деформация и напряжение уменьшается с увеличением деформации.

Ultimate Tensile Сила и трещина

Максимальная прочность (В): Максимальное напряжение, которое может выдержать материал. Эта точка представляет собой пик кривой напряжения-деформации и указывает на максимальную несущую способность материала. За этой точкой материал может шеи или начать выходить из строя, и напряжение уменьшается до окончательного перелома.

Наконец, они ломаются; это в конечном итоге растягивающее напряжение или точка разрыва. Точка разрыва или точка перелома представляет собой конец кривой напряженно-деформированного напряжения, где образец разделяется на две части. Напряжение и деформация в этой точке дают важную информацию о конечной пластичности материала и характеристиках отказа.

Интерпретация результатов механических испытаний

Классификация материалов на основе поведения

Результаты механических испытаний позволяют классифицировать материалы по их напряженно-деформированному поведению. В целом волокна имеют самый высокий модуль растяжения, а эластомеры — самый низкий, а пластмассы имеют модуль растяжения где-то между волокнами и эластомерами. Эта классификация помогает инженерам выбирать подходящие материалы для конкретных применений.

Жесткие пластмассы обладают высоким модулем и прочностью, но ограниченным удлинением. Они могут выдерживать значительные нагрузки, но разрыв при относительно низких штаммах. Примеры включают полистирол, поли(метилметакрилат) и поликарбонат. Эти материалы подходят для применений, требующих стабильности размеров и несущей способности.

Гибкие пластмассы демонстрируют умеренный модуль и прочность с более высокими возможностями удлинения. Они могут подвергаться значительной деформации до отказа, что делает их пригодными для применений, требующих жесткости и ударопрочности. Примерами являются полиэтилен и полипропилен.

Эластомеры типа полиизопрен, полибутадиен и полиизобутилен имеют совершенно иное механическое поведение, чем другие типы материалов. Эластомеры имеют очень низкий модуль. Это видно из очень нежного наклона розового участка, но вы, наверное, уже знали об этом. Эластомеры могут претерпевать очень большие деформации и возвращаться к своей первоначальной форме, что делает их идеальными для уплотнений, прокладок и гибких компонентов.

Сила против жесткости

Понимание различия между прочностью и прочностью имеет решающее значение для правильной интерпретации результатов механических испытаний. Прочность относится к максимальному напряжению, которое может выдержать материал, в то время как прочность представляет собой общую энергию, поглощенную до отказа, которая связана с областью под кривой напряжений-напряжений.

Хотя для материалов во многих областях применения хорошо иметь высокие модули и противостоять деформации, в реальном мире для материала намного лучше изгибаться, чем ломаться, и если изгиб, растяжение или деформация каким-то другим способом предотвращает разрыв материала, тем лучше. Поэтому, когда мы разрабатываем новые полимеры или новые композиты, мы часто жертвуем немного прочности, чтобы сделать материал более жестким.

Материал может быть прочным, но не жестким (хрупкие материалы, которые разрушаются при низком напряжении) или жестким, но не особенно сильным (проводящие материалы, которые деформируются широко). Идеальный материал для многих применений уравновешивает оба свойства, обеспечивая достаточную прочность при сохранении достаточной прочности для предотвращения катастрофического отказа.

Сравнение результатов со спецификациями

Одной из основных целей механических испытаний является проверка соответствия материалов установленным требованиям. Это включает сравнение результатов испытаний со спецификациями материалов, отраслевыми стандартами или требованиями заказчика. Ключевые параметры для оценки включают минимальную прочность на растяжение, минимальное удлинение при разрыве, диапазон модуля и пороги ударопрочности.

Производители пластмасс могут время от времени испытывать партии для обеспечения согласованности механических свойств. Разнообразие температуры экструзии, давления впрыска или скорости охлаждения будет перенесено на свойства растяжения. ASTM D638 является общепринятым методом обеспечения соответствия материалов спецификациям перед отправкой. Это тестирование контроля качества обеспечивает согласованность партии к партии и соответствие спецификациям.

Экологические и перерабатывающие эффекты

Механические свойства пластика чрезвычайно чувствительны к температуре. Результаты испытаний должны интерпретироваться в контексте условий испытаний, в частности температуры, влажности и скорости деформации. Материалы, которые хорошо работают при комнатной температуре, могут проявлять резко разные свойства при повышенных или пониженных температурах.

Это краткосрочные данные, полученные за ограниченный период времени и обычно в идеальных лабораторных условиях. Из-за того, что большинство пластиковых материалов чувствительны к температуре, при изучении данных о производительности необходимо учитывать вероятные условия работы продукта или компонента. Реальные показатели могут отличаться от результатов лабораторных испытаний из-за факторов окружающей среды, долгосрочной нагрузки и других условий обслуживания.

Условия обработки также существенно влияют на механические свойства. Такие факторы, как температура формования, скорость охлаждения, ориентация и кристалличность, влияют на конечные свойства пластиковых деталей. Понимание этих отношений помогает оптимизировать параметры обработки для достижения желаемых механических характеристик.

Статистический анализ и изменчивость

Механические результаты испытаний по своей сути содержат некоторую степень изменчивости из-за неоднородности материала, вариаций подготовки образца и неопределенностей тестирования.Правильная интерпретация требует статистического анализа нескольких тестовых образцов для определения средних значений, стандартных отклонений и доверительных интервалов.

Как правило, для каждого условия необходимо проверить не менее пяти образцов для получения статистически значимых результатов. Следует выявить и исследовать выбросы, чтобы определить, представляют ли они истинную вариабельность материала или ошибки тестирования. Коэффициент вариации (стандартное отклонение, деленное на среднее) обеспечивает меру рассеяния данных и точность тестирования.

Расширенные соображения в области механических испытаний

Испытание на температуру

Испытание возможно в диапазоне температур от -40 °C до +230°C. Многие применения требуют материалов для выполнения в широком диапазоне температур, что требует механического тестирования при различных температурах. Камеры с контролем температуры позволяют проводить испытания при повышенных или пониженных температурах для имитации условий обслуживания.

Температура отклонения тепла (HDT) - это температура, при которой стандартный образец для испытаний отклоняется на 0,025 мм при стандартизованной нагрузке 0,455 МПа или 1,82 МПа. Чем выше эта температура, тем лучше пластик подходит для использования при повышенных температурах. Теплоотклонение температурного испытания обеспечивает конкретную информацию о тепловых характеристиках при нагрузке.

Эффекты скорости напряжения

Скорость деформации образца существенно влияет на измеренные механические свойства. Для ASTM D638 скорость испытания определяется спецификацией материала. Для ISO 527 скорость испытания обычно составляет 5 или 50 мм/мин для измерения прочности и удлинения и 1 мм/мин для измерения модуля. Для различных измерений свойств указаны разные скорости испытания.

Полимерные материалы являются вязкоупругими, то есть их реакция зависит как от величины, так и от скорости приложенного напряжения. Более высокие скорости деформации обычно приводят к более высокой прочности и модуляции, но более низкому удлинению. Эту зависимость от скорости следует учитывать при интерпретации результатов и выборе соответствующих скоростей испытаний.

Подготовка видов и качество

Качество пробных образцов напрямую влияет на достоверность результатов испытаний. Образцы должны быть подготовлены в соответствии со стандартными спецификациями, с надлежащими размерами, гладкими поверхностями и без дефектов или повреждений. Отметины обработки, царапины или другие дефекты поверхности могут выступать в качестве концентраторов напряжения и приводить к преждевременному выходу из строя.

Для формованных впрыскиванием образцов условия обработки должны контролироваться и документироваться. Параметры формования, такие как температура, давление и скорость охлаждения, влияют на конечные свойства. Образцы, обработанные из формованных деталей, могут проявлять другие свойства, чем непосредственно формованные тестовые образцы из-за различий в молекулярной ориентации и остаточных напряжений.

Схватка и выравнивание

Безопасное, последовательное давление захвата помогает предотвратить проскальзывание - распространенная проблема, наблюдаемая с пластмассами, которые тонкие подвергаются стрессу. Пневматические боковые захваты с зазубренными челюстными лицами рекомендуются для жестких пластмасс. Их пневматическая конструкция обеспечивает постоянную силу зажима, даже когда материал становится тоньше во время испытаний. Правильное захват имеет важное значение для получения точных результатов испытаний.

Выравнивание образцов одинаково важно. Эксцентрическая нагрузка, при которой приложенная сила не идеально выровнена с осью образца, вносит изгибающие напряжения, которые могут существенно повлиять на результаты. Современные испытательные машины включают выравнивающие приспособления и процедуры для минимизации эксцентрических нагрузочных эффектов.

Измерение растяжения и напряжения

Модуль упругости является одним из важнейших расчетных свойств ASTM D638. Для точного захвата модуля необходимо соответствующее деформационно-измерительное устройство. Рекомендации экстенсометера для ASTM D638 зависят от удлинения материала, целей пропускной способности, требований к расчету, а также от того, нужно ли проводить испытания при высокой или низкой температуре.

Экстенсомеры обеспечивают точное измерение деформации путем непосредственного измерения деформации секции образца. Контактные экстенсомеры прикрепляются к образцу с помощью зажимов или краев ножа, в то время как бесконтактные оптические экстенсомеры используют видео или лазерную технологию для отслеживания деформации образца без физического контакта. Выбор экстенсомера зависит от материала, ожидаемых уровней деформации и требований к испытаниям.

Применение данных механического тестирования

Выбор материала и дизайн

Определение механических характеристик материала имеет решающее значение в исследованиях и разработках пластмасс и резиновых производств. При разработке производственных процессов важно определить механические качества, необходимые для соответствия спецификациям материалов новых товаров. Для оптимизации этих производственных процессов требуется тщательное изучение новых материалов и продуктов.

Данные механических испытаний позволяют инженерам выбирать материалы, отвечающие конкретным требованиям их приложений.Сравнивая механические свойства различных материалов, конструкторы могут идентифицировать кандидатов, которые обеспечивают необходимую прочность, жесткость, прочность и другие характеристики, необходимые для успешной работы.

Контроль качества и обеспечение

Испытание новых партий для проверки их качества сопоставимо с предыдущими партиями. Оценка качества пластического сырья, предоставляемого новым поставщиком. Регулярное механическое тестирование в рамках программ контроля качества гарантирует, что материалы последовательно соответствуют спецификациям и что любые изменения свойств обнаруживаются до того, как дефектные продукты дойдут до клиентов.

Результаты необходимы для контроля качества конечного продукта при производстве пластмасс и для обеспечения соответствия продукции требованиям спецификации для конечного использования. Это постоянное тестирование обеспечивает уверенность в качестве продукта и помогает определить изменения процесса, которые могут повлиять на свойства материала.

Исследования и разработки

В R&D испытание на растяжение определяет действие добавок, наполнителей или армирования в сырье. Например, добавление стекловолокна к полипропилену удваивает прочность на растяжение от 30 МПа до более 80 МПа и уменьшает удлинение при разрыве вдвое. Механическое тестирование необходимо для разработки новых материалов и составов.

Исследователи используют механическое тестирование для понимания отношений структуры и свойств, оптимизации составов и разработки материалов с улучшенной производительностью.Систематически изменяя состав, условия обработки или другие параметры и измеряя полученные механические свойства, исследователи могут идентифицировать оптимальные конструкции материалов.

Соблюдение нормативных требований

Медицинские устройства, пищевые упаковки и электронные компоненты часто требуют механического тестирования в соответствии с ASTM D638 для соответствия стандартам ISO, FDA или ASTM. Полиэтиленовые трубки, одобренные FDA, являются одним из таких случаев, когда необходимо обеспечить однородность растягивающих свойств для обеспечения безопасного использования в медицинских устройствах.

Тестирование также доказывает соответствие пластмасс регулирующим органам по стандартизации, таким как ASTM и ISO, которые устанавливают стандарты для производительности материалов и их безопасности. Многие отрасли промышленности имеют конкретные нормативные требования к механическим свойствам, а тестирование обеспечивает документацию, необходимую для демонстрации соответствия.

Анализ неудач

При отказе пластиковых компонентов в обслуживании механическое тестирование неисправных деталей и материалов сравнения помогает выявить первопричину. Тестирование может выявить, был ли отказ вызван дефектами материала, неправильным выбором материала, проблемами обработки или условиями обслуживания, превышающими пределы конструкции. Эта информация направляет корректирующие действия для предотвращения будущих сбоев.

Общие вызовы и лучшие практики

Устранение шеи и неоднородной деформации

Пластмассы часто не деформируются однородно. Штамм может концентрироваться в небольшой области из-за шеи. Для материалов, которые шеи или имеют точку выхода, процентное удлинение при разрыве не может быть сообщено через экстенсометер, потому что шея может происходить за пределами длины ширины экстенсометера.

Сцепление представляет собой проблему для точного измерения деформации и требует тщательного рассмотрения методов измерения. Поэтому номинальное деформирование должно использоваться для сообщения о процентном удлинении после выхода. Использование экстенсометера для деформации при разрыве допустимо только тогда, когда деформация однородна и материал не проявляет шеи или выхода.

Управление переменностью тестов

Испытание на растяжение часто имеет большое распространение измеренных значений. Некоторые испытания, особенно испытания на удар, по своей сути демонстрируют большую изменчивость, чем другие. Понимание ожидаемой изменчивости для каждого типа испытаний помогает определить соответствующие размеры выборки и критерии приемлемости.

Минимизация изменчивости требует тщательного внимания к подготовке образцов, процедурам испытаний, экологическому контролю и калибровке оборудования.Следуя стандартизированным процедурам и поддерживая согласованные условия испытаний, уменьшает изменчивость и повышает надежность данных.

Выбор соответствующих стандартов

Хотя ASTM D638 и его аналог ISO 527-1 / ISO 527-2 технически эквивалентны, они не дают полностью сопоставимых результатов, поскольку формы образца, процедура испытания и определение результатов различаются в нескольких аспектах. Хотя ISO 527-2 похож на ASTM D638 - оба измеряют свойства растяжения пластмасс - они технически не эквивалентны из-за различий в размерах образца, скорости испытаний и конкретных процедурных требований. Производители часто выбирают соответствующий стандарт на основе региональных предпочтений и требований клиентов. ASTM D638 широко используется в Северной Америке, ISO 527-2 широко используется в Европе и Азии, а производители в Китае обычно тестируют оба.

Понимание различий между стандартами и выбор подходящего для вашего приложения и рынка имеет важное значение.При сравнении данных из разных источников проверьте, что использовался один и тот же стандарт, или поймите, как различия в стандартах могут повлиять на результаты.

Документация и отчетность

Для толкования и дальнейшего использования результатов испытаний необходима полная документация условий испытаний, деталей образцов и их результатов. Отчеты об испытаниях должны включать стандартные размеры образцов, скорость испытаний, температуру и влажность, используемое оборудование и любые отклонения от стандартных процедур.

Полные кривые напряжения-деформации должны сохраняться наряду с расчетными свойствами. Эти необработанные данные позволяют проводить повторный анализ при возникновении вопросов и обеспечивают полную запись поведения материала. Цифровые системы хранения и управления данными облегчают организацию и извлечение тестовых данных.

Будущие тенденции в механическом тестировании пластмасс

Передовые методы тестирования

Новые технологии тестирования продолжают расширять возможности механического тестирования. Цифровая корреляция изображений (DIC) обеспечивает измерение деформации всего поля по всей поверхности образца, выявляя распределения деформаций и локализованную деформацию, которую традиционные экстенсомеры не могут обнаружить. Эта технология особенно ценна для изучения сложных моделей деформации и проверки моделей конечных элементов.

Высокоскоростное испытательное оборудование позволяет охарактеризовать поведение материала при скоростях деформации, приближающихся к тем, которые испытываются в аварийных ситуациях и других сценариях высокоскоростной загрузки. Эти данные необходимы для приложений, где ударные и аварийные характеристики имеют решающее значение, таких как приложения для автомобильного и защитного оборудования.

Автоматизация и анализ данных

Автоматизированные системы тестирования увеличивают пропускную способность и согласованность, одновременно снижая влияние оператора на результаты. Роботизированная обработка образцов, автоматизированное получение данных и программное обеспечение для комплексного анализа оптимизируют процесс тестирования и повышают эффективность.

Передовые алгоритмы анализа данных и машинного обучения применяются к данным механического тестирования для выявления закономерностей, прогнозирования поведения материалов и оптимизации формулировок. Эти инструменты могут обрабатывать большие наборы данных из нескольких тестов для извлечения идей, которые было бы трудно различить с помощью традиционных методов анализа.

Устойчивость и биоматериалы

По мере того, как индустрия пластмасс движется к более устойчивым материалам, механическое тестирование играет решающую роль в оценке био- и переработанных пластмасс, чтобы гарантировать, что они могут служить жизнеспособной альтернативой обычным материалам на основе нефти.

Испытания переработанных пластмасс представляют собой уникальные проблемы из-за потенциальной деградации и загрязнения. Механическое тестирование помогает оценить качество переработанных материалов и определить соответствующие приложения, где они могут выполняться надежно.

Многомасштабные испытания и моделирование

Интеграция механического тестирования в нескольких масштабах длины, от нано-индентации до полномасштабного тестирования компонентов, обеспечивает всестороннее понимание поведения материала.Объединение экспериментального тестирования с вычислительным моделированием позволяет прогнозировать производительность в условиях, которые трудно или дорого тестировать экспериментально.

Анализ конечных элементов (FEA) использует данные о механических свойствах стандартизированных тестов для прогнозирования поведения сложных компонентов в реалистичных условиях загрузки. Такой подход снижает необходимость проведения обширных испытаний прототипов и ускоряет разработку продукта.

Практические рекомендации по проведению механических испытаний

Предварительная подготовка к тесту

Успешное механическое тестирование начинается с надлежащей подготовки. Образцы должны быть кондиционированы при температуре и влажности испытания в течение достаточного времени для достижения равновесия, как правило, 24-48 часов. Это кондиционирование гарантирует, что результаты испытаний отражают свойства материала в заданных условиях окружающей среды, а не временные эффекты.

Проверить, что образцы соответствуют требованиям к размерности и не имеют дефектов. Измерять и записывать размеры образцов точно, так как эти измерения напрямую влияют на расчетные значения напряжения и деформации. Даже небольшие ошибки в измерении размеров могут привести к значительным ошибкам в сообщаемых свойствах.

Во время тестирования

Проводите мониторинг теста в режиме реального времени для выявления любых аномалий, таких как проскальзывание образца, преждевременный сбой при захватах или неисправности оборудования.Современное программное обеспечение для тестирования обычно отображает кривую напряжения-деформации по мере ее развития, позволяя операторам проверять, что тест проходит нормально.

Записывайте все соответствующие параметры испытаний, включая фактическую скорость, температуру, влажность и любые наблюдения за поведением образца. Обратите внимание на режим отказа (хрупкий перелом, выходной сбой, сцепление с дорогой и т. Д.), Поскольку эта информация помогает в интерпретации результатов.

Послетестовый анализ

После испытаний осмотреть несостоявшиеся образцы, чтобы убедиться, что неисправность произошла в калибровочном сечении, а не в сцеплениях или других концентрациях напряжения. Неисправности сцепления или неисправности в дефектах образца делают недействительными испытание и требуют повторного испытания с новыми образцами.

Вычислить все требуемые свойства по применимому стандарту, используя правильные формулы и размеры образца. Проверить, что вычисленные значения являются разумными и согласуются с ожидаемым поведением материала. Выбросы должны быть исследованы, чтобы определить, представляют ли они истинную изменчивость материала или ошибки тестирования.

Калибровка и техническое обслуживание оборудования

Регулярная калибровка испытательного оборудования обеспечивает точность и надежность результатов. Нагрузочные элементы, экстензометры и датчики смещения должны калиброваться в соответствии с рекомендациями изготовителя и применимыми стандартами. Калибровочные записи должны вестись для демонстрации постоянного соответствия требованиям к точности.

Регулярное техническое обслуживание испытательных машин, захватов и аксессуаров предотвращает проблемы, связанные с оборудованием, которые могут повлиять на результаты испытаний. Изношенные захваты, поврежденные приспособления или неправильно функционирующее оборудование могут вносить ошибки и должны быть немедленно отремонтированы или заменены.

Заключение

Механическое тестирование пластмасс обеспечивает необходимые данные для выбора материала, контроля качества, разработки продукта и соблюдения нормативных требований. Понимание различных методов испытаний, надлежащих процедур расчета и правильной интерпретации результатов имеет основополагающее значение для любого, кто работает с полимерными материалами. Кривая напряжения-деформации служит всеобъемлющим представлением поведения материала, выявляя упругие свойства, характеристики выхода, максимальную прочность и режимы отказа.

Точные расчеты напряжения, деформации, модуля, прочности и других свойств требуют тщательного внимания к размерам образцов, процедурам испытаний и применимым стандартам.Правильная интерпретация результатов учитывает не только числовые значения, но и поведение материала при различных условиях загрузки, факторах окружающей среды и истории обработки.

По мере развития технологий материалов и появления новых приложений, механическое тестирование продолжает развиваться с улучшенными методами, автоматизацией и аналитическими методами.Будь то оценка традиционных пластмасс, разработка новых материалов на основе биоматериалов или оценка переработанных полимеров, механическое тестирование остается незаменимым инструментом для обеспечения соответствия пластиковых материалов требовательным требованиям современных приложений.

Следуя стандартизированным процедурам, поддерживая надлежащее оборудование и применяя обоснованные инженерные суждения при интерпретации результатов, инженеры и техники могут генерировать надежные данные о механических свойствах, которые поддерживают обоснованное принятие решений на протяжении всего жизненного цикла продукта. Инвестиции в надлежащее механическое тестирование выплачивают дивиденды в улучшенной производительности продукта, уменьшении сбоев и повышении удовлетворенности клиентов.

Для получения дополнительной информации о стандартах и передовой практике испытаний пластмасс, проконсультируйтесь с ресурсами таких организаций, как ASTM International, , Международной организации по стандартизации (ISO), и отраслевых технических ассоциаций.