力学性能测试方法和机理

力学性能是复合材料使用中的重要性能指标。复合材料的力学性能的好坏,决定了它的使用范围与使用寿命,也是产品(电缆、管材、汽车内饰件和轮胎等)选材时的主要依据,外加载荷性质不同(例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等),对复合材料的力学性能的要求也将不同。其中常见的力学性能包括:强度、硬度、冲击韧性、断裂韧性等。

本文的主要内容如下:

一、力学性能定义和测试方法

1、拉伸强度(抗张强度)

2、断裂伸长率

3、弯曲强度

4、冲击强度

5、折弯测试

二、测试方法相关国家标准

三、常见不同塑料的各类强度值

1、不同塑料的强度值

2、不同工程塑料的悬臂梁缺口抗冲击强度

一、力学性能定义和测试方法

力学强度是指在外力作用下,抵抗形变和破坏的能力。外力作用的形式不同,衡量强度的指标也不一样,有拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、剪切强度、冲击强度等,主要指标如下:

1、拉伸强度(抗张强度)①   划分通用塑料和工程塑料(一般大于50MPa)的主要依据

定义:在拉伸试验中,直到试样断裂为止,单位截面积上所承受的最大拉伸应力,单位MPa。通常将试样置于拉力机上,以匀速进行拉伸、直至断裂材料所承受的最大拉伸应力,即为拉伸强度。在比例极限内,试样的拉伸应力与相应的应变之比为材料的拉伸弹性模量。塑料拉伸性能按GB/T 1040-2006塑料拉伸性能试验方法。

将拉伸过程中试样所受到的应力及产生的形变记录下来,即得应力-应变曲线。

2、断裂伸长率② 在拉力作用下,试样发生断裂时,标线间距离的增加量与初始标距的比值。断裂伸长率越大,说明柔性越好,越小,说明刚性或脆性越大,单位一般为%。如PS属于刚性树脂,性脆,其断裂伸长率则十分小;高密度聚乙烯,则属于柔性树脂,柔韧性好,其断裂伸长率则很大。

断裂伸长率与拉伸速率和温度有关:拉伸速率与温度的影响具有等效性,提高拉伸速率相当于降低温度。断裂伸长率和拉伸断裂强度不仅与链结构有关,还与测试条件,主要是温度、拉伸速率与受力方式。

在同等测试条件下,韧性越高,断裂伸长率越大;断裂韧性越大,拉伸断裂强度越大。

3、弯曲强度①材料在到达规定挠度值时或之前,负荷达到最大值时单位面积上所承受的弯曲应力,单位为MPa。在比例极限内,试样的弯曲应力与相应的应变之比为材料的弯曲弹性模量。

弯曲性能的测试方法:GB/T 9341-2008

4、冲击强度①也称抗冲强度,定义为试样受冲击负荷时单位截面积所吸收的能量,是衡量材料韧性的一种指标(冲击韧性)。测定基本方法与抗弯强度相似,但是抗冲强度的作用力是运动的,冲击头以一定速度对试样实施冲击。

业界比较流行用三种方法:简支梁冲击(charpy冲击)、悬臂梁冲击(Izod冲击)和落球冲击(落锤冲击)。前两种方法(均属于摆锤冲击试验方法)主要用来判断材质本身在冲击性能方面的好差,这两者没有实质的联系,区别在于悬臂梁的冲击程度厉害一点,用简支梁冲不断的材料一般选用悬臂梁冲击;落球冲击反映的是产品本身的抗冲性能(一个产品的抗冲能力由材质、厚度、结构等多种因素决定)。

由于选用的试验条件不同(如试样规格、跨距形式、冲击方式、冲击速度、缺口类型等),又引发出多种试验项目,如低温冲击、高温冲击、无缺口冲击、缺口冲击等等。

简支梁抗冲击强度与悬臂梁抗冲击强度示意图如下:

a、无缺口试样简支梁抗冲击强度:其抗冲击强度是指无缺口试样在冲击载荷作用下,破坏时所吸收的冲击能量与试样的原始横截面积之比,单位为kJ/m2。

b、缺口试样简支梁抗冲击强度:其抗冲击强度是指缺口试样在冲击载荷作用下,破坏时所吸收的冲击能量与试样缺口处的原始横截面积之比,单位为kJ/m。悬臂梁冲击试验所用的试样开有缺口,以试样破断时单位宽度所消耗的能量来衡量,单位是J/m。

试验时所选择试样的规格(厚度、宽度、有无缺口等)对试验结果会有影响;更进一步探讨的话,试验时的温度、选择的冲击能量、冲击速度、跨距等等都会影响试验结果;形状相同的同种材料,样条无缺口试样的冲击强度比缺口试样大;比较材料(简支梁和悬臂梁)的抗冲性能,只有在相同时间段、相同试样厚度,选择相同的试验条件(跨距、冲击速度、同样的缺口类型等)下,才能进行。而且由于材料抵抗冲击能量的影响因素很复杂,简支梁或悬臂梁反映的抗冲能力只是一个片面,所以简支梁或悬臂梁多作为辅助参考,判断材料抗冲性能一般需要结合多种检测项目(断裂伸长率、弹性模量、冲击强度等等)综合判定。如:某些芯层发泡的材料,做简支梁或悬臂梁冲击,数据极低,但做落球冲击时数据并不比相类的材料的差。

c、落球或落锤式抗冲击试验:落球冲击和落锤冲击反映的是产品本身的抗冲性能(一个产品的抗冲能力由材质、厚度、形状结构等多种因素决定)。将样品放在一定形状的一定尺寸的支撑跨距上,用一特定形状和重量的球(或锤),从一定的高度自由落下对样品进行冲击,通过改变球(或锤)的重量或落下高度,和一定数量的样品,多次试验,从而定性判断或定量得出样品被破坏所需的能量。

国标规定一般推荐样品支撑跨度选择直径75mm的圆形跨距;一些行标、地标等也有根据产品的实际使用情况选择一些其他要求的跨距,如50×500mm的方形支撑跨距等。一般来说跨距也小,相同球重和高度下受到的冲击力越大,样品也越容易被破坏。落球(锤)冲击强度一般采用在某一试验条件下,材料是否被破坏,或破坏的数量来定性判断;也可以采用样品被破坏时的落球(锤)的重力势能来定量判断。试验及计算方法可参照标准进行。

落球和落锤的区别在于球和锤的形状,球截面是圆形的,锤截面是圆头方形的。落球(锤)冲击强度同样受到所选择的支撑跨距、样品厚度、样品形状的影响。在相同的跨距、相同的材质下,通常厚度厚的样品落球(锤)冲击强度高;相同的跨距、相同的材质、相同厚度下,通常落球(锤)冲击点是平面结构的样品比异型结构的样品较易被破坏(与受力时力的分解有关,由于力的分解,异形样品受力截面上所受的力小了)。

5、折弯测试①相同的变化(比如表面发白,断裂等)所经历的折弯次数越多,材料的韧性越高。

二、测试方法相关国家标准

GB/T 1843-2008(塑料悬臂梁冲击强度的测定);

GB/T 33835-2017(摩擦材料冲击强度试验方法);

GB/T 1043.1-2008(塑料 简支梁冲击性能的测定);

GB/T 1697-2001(硬质橡胶冲击强度的测定)

中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会,关于抗冲击试验的标准

GB/T 33235-2016 光热发电玻璃反射镜抗冰雹冲击试验方法

国家质检总局,关于抗冲击试验的标准

GB/T 32060-2015 高速动车组车窗玻璃抗砾石冲击试验方法

GB/T 32058-2015 高速动车组风挡玻璃及车体材料抗鸟撞、抗硬物冲击试验方法

GB/T 8809-2015 塑料薄膜抗摆锤冲击试验方法

GB/T 6552-2015 玻璃容器 抗机械冲击试验方法

GB/T 4893.9-2013 家具表面漆膜理化性能试验 第9部分:抗冲击测定法

GB/T 22631-2008 建筑物垂直部件.抗冲击试验.冲击物及通用试验程序

GB/T 17626.5-2008 电磁兼容.试验和测量技术.浪涌(冲击)抗扰度试验

GB/T 19712-2005 塑料管材和管件 聚乙烯(PE)鞍形旁通抗冲击试验方法

GB/T 17626.5-1999 电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验

GB/T 8809-1988 塑料薄膜抗摆锤冲击试验方法

GB/T 6552-1986 玻璃瓶罐抗机械冲击试验方法

三、常见不同塑料的各类强度值

1、不同塑料的强度值①

2、不同工程塑料的悬臂梁缺口抗冲击强度③

悬臂梁缺口抗冲击强度(J/m)

悬臂梁缺口抗冲击强度(J/m)

聚碳酸酯

聚四氟乙烯

参考文献:

①、《汽车内外饰设计与实战》,曹渡主编,第91-100页,机械工业出版社,2011年4月第1版第1次印刷

②、《聚合物物理学》,励杭泉等,第178页,化学工业出版社,2007年7月第1版第一次印刷

③、《塑料配方设计(第二版)》,王文广等主编,第312页,化学工业出版社,2004年7月第2版第6次印刷

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