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测试方法

塑料的机械性能

  • 强调打开或关闭

    人们如何知道某种材料是否足够坚固?如果可以预测载荷并且知道零件形状,则设计人员可以估算零件内每单位横截面积的最坏载荷。每单位面积的负载称为“应力”。


  • 刚度(模量)打开或关闭

    有时设计师知道零件只能弯曲或偏转一定量。如果知道最大弯曲量和零件形状,则设计人员通常可以预测材料的STIFF强度。材料的刚度的测量称为“模量”或“弹性模量”。模数越高,材料越硬。相反,数量越少,材料越柔软。模量也随温度变化而变化


  • 应变打开或关闭

    零件在载荷下与原始尺寸或形状相比会弯曲或改变大小的量度的度量称为“ STRAIN”。应变适用于尺寸的微小变化。

    STRAIN = (Final Length - Original Length)/Original Length

    = Change in Length or Deformation/Original Length

    应力,应变和模量通过以下公式相互关联。当以不同的方式加载材料时,可以确定材料的模量或刚度,例如拉伸,压缩,剪切,弯曲(弯曲)或扭转(扭曲)。它们将被称为拉伸模量,也被称为普通模量,挠性模量,扭转模量等。

    MODULUS = STRESS/STRAIN or, in other words

    MODULUS = Load /change in shape when loaded. (STIFFNESS)

    在属性表中选择与客户期望的主要载荷(拉伸,弯曲(挠曲))最接近的模数类型。如果负载未知,则使用两者中最低的模块值。如果最多只能加载几天,则这些数字可用于短期加载。

    应力/应变方程式是设计人员用来预测零件在加载时将如何变形或改变尺寸和形状的方程式。预测实际零件内的应力和应变会变得非常复杂。幸运的是,材料供应商使用易于理解的测试。

    塑料零件的性能受以下因素影响:

    • 零件将看到什么样的载荷(拉伸,冲击,疲劳等)
    • 负载有多大
    • 该负载将应用多长时间或多久一次
    • 零件将看到的温度高低
    • 这些温度会持续多久
    • 零件将在哪种环境中使用?是否会存在水分或其他化学物质?

    与其他材料(例如金属和陶瓷)相比,这是塑料行为不同的地方。选择过高的应力和/或模量值并不能解决时间和温度的影响,会导致零件损坏。

  • 收益点打开或关闭

    屈服点是指承受负荷,拉伸,压缩等作用的材料产生(屈服)并且在移除负荷后不再恢复其原始长度或形状的点。一些材料在达到屈服点之前会破裂,例如一些玻璃填充的尼龙或压铸铝。

    要尝试进一步可视化此属性,请用一根电线将其稍微弯曲。释放后将恢复其原始形状。继续弯曲并释放导线。最终,导线将弯曲并且不会恢复其原始形状。它保持弯曲的点是“屈服点”。 “屈服点”是一个非常重要的概念,因为在材料达到该点之后,零件通常是无用的。

  • 抗拉强度打开或关闭

    当负载试图将其拉开时,材料的最大强度不会破裂。这是供应商用来报告其文献中的拉伸性能(例如强度和伸长率)的系统。

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    可视化此属性的一种好方法是考虑将新鲜的棉花糖分开,然后将一块太妃糖分开。拉开太妃糖所需的力或磅将比拉开棉花糖所需的力或磅大得多。如果测量该力,并且太妃糖和棉花糖的截面积均为1平方英寸,那么就磅/平方英寸而言,太妃糖具有更高的“拉伸强度”。塑料的抗张强度可能从1000 psi(磅每平方英寸)到50,000 psi。

  • 伸长打开或关闭

    Elongation is always associated with tensile strength because it is the increase in the original length at fracture and expressed as a percentage. An example would be to pull on a 1 " wide piece of paper that is 4" long. It tears with no visible elongation or nearly 0% elongation. Now do the same thing to a 1" x 4" piece of taffy. It will stretch several times its original 4" length before it fractures. Assume that it is stretched to a 12" length then (12"/4") (100) = 300% elongation.


  • 抗压强度打开或关闭

    如图6所示,装载材料时材料的最大强度不会破裂。请检查材料供应商是否具有抗压强度信息,因为并非总是可以确定。

    对于某些较软的材料,此术语的意义不大。例如,PTFE不会断裂。因此,随着样品变形越来越大,抗压强度继续增加。有意义的“抗压强度”将是在达到屈服点之前使材料变形所需的最大力。类似于“伸长率”的压缩术语是“压缩变形”,尽管它不是通常报道的术语。可以很容易地看到两个相同的砝码(图7),一个放在1英寸的新鲜棉花糖立方体上,另一个放在1英寸的太妃糖立方体上。棉花糖将变平并变形更多。


  • 抗剪强度打开或关闭

    如图8所示,加载材料时材料的强度。材料的表面朝相反的方向拉。承受剪切负荷的物品包括:钉子将照片固定在墙上,运动鞋的防滑钉以及汽车加速或减速时的轮胎胎面。


  • 抗弯强度打开或关闭

    如图9所示,当材料梁受到弯曲时的材料强度。梁顶部的材料处于压缩状态(挤压在一起),梁的底部处于拉伸状态(拉伸状态)。在拉伸和压缩之间的某个地方,没有应力的地方称为中性面。一个简单的梁支撑在两端,并加载在中间,用于确定特性表中给出的弯曲模量。滑雪板,钓鱼杆,撑竿跳高杆和跳水板是需要高弯曲强度的零件的示例。


  • 抗扭强度打开或关闭

    如图10所示,当形状受到扭曲载荷时,材料的强度。带有扭转载荷的零件的一个示例是拧入时的螺钉。汽车上的驱动轴也需要很高的扭转强度。 。


  • 蠕变打开或关闭

    可视化悬挂在不同材料条上的大砝码。首次施加载荷时,所有材料都会经历一些初始和立即变形或拉伸。只要没有超过屈服点,像弹簧一样工作的金属样品就不会再拉伸,无论其承受的重量有多长。卸下重物后,金属棒将恢复其原始形状。只要施加负载,“热塑性”棒的长度将继续缓慢增加。这称为CREEP。蠕变的量随着负载和/或温度的增加而增加。一些热塑性塑料(如尼龙)由于存在水分而变软时,蠕变会更大。 “热熔胶”中的“交联”或“ 3D净”结构比热塑性塑料具有更好的抗蠕变性。不会蠕变的玻璃和碳纤维之类的增强材料,可在与塑料混合时大大降低复合材料的蠕变。

    记住应力/应变/模量之间的关系是:

    Modulus = Stress/Strain

    初始应变或长度随重量的变化将给出模量值(通常是属性表中报告的关于拉伸模量或挠曲模量的短期值)。如果在一段时间内保持重量(应力),则弯曲或伸长量会继续增加,并且模量的值会随着时间而降低,如图16所示。该模量的减小是时间的函数(甚至温度)称为“蠕变模量”或“ APPARENT模量”。

    这是设计人员用来更准确地预测塑料材料行为的模数。从供应商文献中选择的值将基于施加载荷的估计时间,载荷的数量以及施加载荷时的温度条件。

    请记住,蠕变受以下因素影响:

    • 负荷(应力)
    • 温度
    • 施加负载的时间长度
    • 其他环境,例如湿气或化学物质

    由于STRESS保持恒定,即重量或负载没有改变或去除,因此等式变为:

    Apparent Modulus x Total Strain = Constant (Stress)

    换句话说,如果应变上升,则表观模量必须下降。由于应变随时间和温度而增加,因此表观模量随时间和温度而减小。 有时在供应商文献中根据应力松弛来提供数据。这意味着应变保持恒定,并且随时间测量负载(应力)的减小。这就是所谓的“应力松弛”,该信息对于诸如垫圈,卡扣配合,压配合以及用螺钉或螺栓连接的零件之类的应用非常重要。

    Apparent Modulus / Stress = Constant (Strain)

    换句话说,当由于材料移动而使应力下降时,表观模量也会下降。

    有时供应商会建议最大的设计压力。这与使用表观模量具有相似的效果。对于某些丙烯酸注射成型零件,建议的设计应力为500 psi,但在性能图表中据报道其抗张强度可达10,000 psi。设计人员通常会查看10,000 psi的值,然后将其切成两半以确保安全;但是,这还远远不够,并可能导致零件故障。


  • 疲劳强度打开或关闭

    承受周期性载荷的塑料以及其他材料将在远低于其拉伸或压缩强度的应力水平下失效。拉伸和压缩相结合是最严重的情况。此信息将显示在S-N曲线或表格中。 S-N代表应力循环数。如果减少应力,零件将承受更多的循环。应力可以通过减小挠度和/或减小零件的厚度来减小。

    周期性负载的一些示例是电动阀弹簧或洗衣机搅拌器。随着时间的流逝,周期性载荷下的零件将失效。但是,经过适当的设计和测试,它们不会在数百万次加载之前失败。图24显示了典型的S-N曲线。


  • 冲击强度打开或关闭

    许多塑料表现出出色的冲击强度。冲击强度是承受突然施加的载荷的能力。韧性通常用来描述材料承受冲击或突然变形而不破裂的能力。尚未设计出能够预测塑料材料在零件可经受的各种条件下的冲击行为的单一测试。随着温度降低,许多材料的冲击强度降低。热固性塑料和增强热塑性塑料可能随温度变化而变化较小。检查供应商资料,以了解可能影响零件冲击性能的任何异常因素。

    供应商文献中常用的一些冲击试验是:

    • 艾氏测试: 设计用于测量突然冲击试样时刻痕对韧性的影响。
    • 拉伸冲击试验: 设计用于在承受突然的拉应力或负载时测量没有缺口的小样品的韧性。
    • 加德纳冲击试验: 落下定型砝码,并确定破坏测试样品所需的能量。
    • 脆性温度测试: 确定温度降低时材料继续吸收冲击的能力。

    可能需要设计特殊的测试来更接近实际应用。

    这些测试提供的信息将有助于选择材料候选者;但是,在确信材料选择足够之前,设计人员必须在实际使用条件下尽可能地测试实际零件。

  • 缺口灵敏度打开或关闭

    一些塑料具有出色的冲击性能和非常好的承载能力;但是,通过在零件上形成尖角,可以大大降低材料的性能。尖角可以是设计的一部分,也可以是加工操作的一部分。锋利的拐角是开始出现裂纹的绝佳地方。随着槽口半径分别从0.020“ R减小到0.005” R,像聚碳酸酯这样的坚韧材料的艾佐德冲击强度从20降低到2。

    尖角不仅降低了零件的抗冲击性,而且还允许应力集中发生并促使负载零件过早损坏。

    最小化尖角可能会使加工操作更加困难;但是,它可能对零件的成功至关重要。

    在玻璃等冲击应用中使用的板材边缘也必须精加工成没有尖锐的缺口。这是丙烯酸类甚至聚碳酸酯等坚硬材料的问题。

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