機(jī)械測(cè)試
應(yīng)力拉伸強(qiáng)度、應(yīng)變和模量ASTM D 638(ISO 527)
理解材料性能的基礎(chǔ)是有了解關(guān)材料在負(fù)荷作用下的變化。知道了一定負(fù)荷(應(yīng)力)引起的變形量(應(yīng)變)后,設(shè)計(jì)者就可以開始預(yù)測(cè)產(chǎn)品在工作環(huán)境下的情況.
拉緊情況下的應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系是使用zui廣泛的用于比較材料或設(shè)計(jì)產(chǎn)品的機(jī)械性能。
拉伸應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系是這樣確定:一個(gè)狗骨形的試樣(見圖14-2)以恒定速率拉長(zhǎng),記錄下所加負(fù)荷和伸長(zhǎng)量,然后計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變:
· 應(yīng)力
| 負(fù)荷/zui初截面積單位
| MPa (psi)
|
· 應(yīng)變
| (延長(zhǎng)長(zhǎng)度/原長(zhǎng)度)×100%; |
其它由應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系決定的機(jī)械性能有:
其它由應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系決定的機(jī)械性能有:
| 應(yīng)力/應(yīng)變
| MPa (psi)
|
| zui初zui大應(yīng)力
| MPa (psi)
|
| 失效時(shí)的應(yīng)力
| MPa (psi)
|
| 失效時(shí)的應(yīng)變或zui大延長(zhǎng)長(zhǎng)度
| %
|
| 開始呈現(xiàn)非線性關(guān)系時(shí)的值
| -
|
| 比例極限下的模量
| MPa (psi) |
彎曲強(qiáng)度和模量ASTM D 790(ISO 178)
彎曲強(qiáng)度用來衡量材料抵抗彎曲的能力,也就是材料的剛度。和拉伸負(fù)荷不同,所有的負(fù)荷都加在同一方向上。在試樣中部加上一個(gè)簡(jiǎn)單的活動(dòng)支撐梁,產(chǎn)生三點(diǎn)載荷(見下圖)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試機(jī)上,加載鼻以2mm/min的恒定速度壓向試樣。
通過記錄下來的數(shù)據(jù)畫出負(fù)荷撓曲曲線,然后計(jì)算出彎曲模量。這要用到五個(gè)負(fù)荷和撓曲并采用曲線剛開始的一段線性部分
在需要說明彎曲性能時(shí),彎曲模量(應(yīng)力與應(yīng)變的比值)是使用zui廣泛的。彎曲模量相當(dāng)于應(yīng)力/應(yīng)變曲線**料未變形部分的切線的斜率
彎曲應(yīng)力和彎曲模量的值以Mpa(psi)為單位。
在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試,如拉伸或彎曲測(cè)試中,材料緩慢吸收能量。而在實(shí)際生活中,材料經(jīng)常遭受迅速的沖擊:下落物體、突然打擊、碰撞、跌落等。沖擊測(cè)試的目的就是模擬這些情況。Izod和Charpy方法被用來測(cè)驗(yàn)試樣受到一定的沖擊力作用時(shí)的狀態(tài),并估計(jì)其脆性或韌性。但這種數(shù)據(jù)不能用作元件設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)的數(shù)據(jù)來源。一種材料的典型狀態(tài)可以通過在不同條件、不同缺口半徑和測(cè)試溫度下測(cè)定不同類型的試樣而獲得。
兩種測(cè)試都在擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試樣夾在夾具上,有一定半徑的硬化鋼沖擊刃的擺錘從預(yù)定高度落下,導(dǎo)致試樣受到突然負(fù)載而剪切。擺錘的剩余能量使它上升:根據(jù)下降高度和回升高度的差值可以求得試棒斷裂需要的能量。這個(gè)測(cè)試可以在室溫下進(jìn)行,也可以在低溫下進(jìn)行,以測(cè)量低溫脆性。試棒的類型和缺口尺寸可以不同。
重物落下沖擊測(cè)試,如Gardner和Flexed板的結(jié)果與落下重物和支持物的幾何形狀有關(guān)。它們只能用于測(cè)定材料相對(duì)等級(jí)。
除非測(cè)試設(shè)備和試樣的幾何形狀與zui終使用要求一致,否則沖擊值不能化。如果失效模式和沖擊速度相同的話,通過各種測(cè)試方法得到的材料相對(duì)等級(jí)應(yīng)該相同。
沖擊值的說明-ASTM與ISO比較
沖擊性能對(duì)試樣厚度和分子取向很敏感。ASTM和ISO方法中使用的試樣厚度差別可能對(duì)沖擊值有很大影響。厚度從3mm變?yōu)?mm甚至能夠通過分子質(zhì)量和試樣厚度對(duì)Izod缺口沖擊的影響使失效方式發(fā)生轉(zhuǎn)變,從塑性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈孕阅埽ㄒ妶D14-9中所示LEXAN聚碳酸酯樹脂)。但在3mm厚度時(shí)已經(jīng)顯示出脆性的材料,如礦物和玻璃填充等級(jí)的材料不受影響。沖擊強(qiáng)化的材料也不會(huì)受到影響。
然而必須意識(shí)到——材料沒有改變,改變的只是測(cè)試方法;這里提到的塑性/脆性轉(zhuǎn)變很少在實(shí)際生活中出現(xiàn):零件厚度大多為3mm或更小。
Izod沖擊強(qiáng)度ASTM D 256(ISO 180)
缺口Izod沖擊測(cè)試已經(jīng)成為比較塑料材料抗沖擊能力的標(biāo)準(zhǔn)(見圖14-10和14-11)。然而,這個(gè)測(cè)試測(cè)出的模型零件的性能和實(shí)際環(huán)境中測(cè)出的沖擊性能沒有相關(guān)性。因?yàn)椴牧系娜笨诿舾行圆煌?,這個(gè)測(cè)試對(duì)某些材料的影響可能會(huì)大于另一些材料。盡管它們經(jīng)常被用來測(cè)量材料的抗沖擊能力,但這項(xiàng)測(cè)試更趨向于測(cè)量塑料的缺口敏感性而非其抗沖擊能力。測(cè)試值被廣泛接受為比較材料韌性的參考值。缺口Izod測(cè)試在確定具有許多尖角的零件,如加強(qiáng)筋、交*墻和其它增加應(yīng)力的零件的抗沖擊力時(shí)效果。無缺口Izod測(cè)試使用同樣的負(fù)載分布,只是試樣上沒有缺口(或者說試樣被反過來夾緊)。因?yàn)闆]有引起應(yīng)力集中的部位,這種測(cè)試的結(jié)果總是高于缺口測(cè)試的結(jié)果。
ISO命名反應(yīng)了試樣類型和缺口類型:
#ISO 180/1A表示試樣類型1和缺口類型A。如圖14-10所示,試樣類型1的尺寸是長(zhǎng)80mm,寬10mm,厚4mm。
#ISO 180/1U表示同樣的試樣類型1,但反向夾緊,(說明沒有缺口)。使用ASTM方法的試樣尺寸相似,缺口半徑和高度相同,但長(zhǎng)度不同:63.5mm,而且更重要的在于厚度:3.2mm。
#ISO的結(jié)果定義為破碎試樣的以焦耳為單位的能量除以試樣的缺口面積。結(jié)果的單位為kJ/m2。
ASTM的結(jié)果定義為以焦耳為單位的沖擊能量除以缺口長(zhǎng)度(試樣的厚度)。其單位為J/m。
如分別討論時(shí)所示的那樣,試樣厚度的不同可能導(dǎo)致不同的沖擊強(qiáng)度說明。
燃性測(cè)試
UL 94*總體 可燃性UL94等級(jí)是應(yīng)用zui廣泛的塑料材料可燃性能標(biāo)準(zhǔn)。它用來評(píng)價(jià)材料在被點(diǎn)燃后熄滅的能力。根據(jù)燃燒速度、燃燒時(shí)間、抗滴能力以及滴珠是否燃燒可有多種評(píng)判方法。每種被測(cè)材料根據(jù)顏色或厚度都可以得到許多值。當(dāng)選定某個(gè)產(chǎn)品的材料時(shí),其UL等級(jí)應(yīng)滿足塑料零件壁部分的厚度要求。UL等級(jí)應(yīng)與厚度值一起報(bào)告,只報(bào)告UL等級(jí)而沒有厚度是不夠的。UL 94等級(jí)總結(jié):
HB
| 厚度<3mm的水平試樣緩慢燃燒,燃燒速度<76mm/min。
|
V-0
| 垂直試樣在10秒內(nèi)停止燃燒;不允許有液滴。
|
V-1
| 垂直試樣在30秒內(nèi)停止燃燒;不允許有液滴。
|
V-2
| 垂直試樣在30秒內(nèi)停止燃燒;允許有燃燒物滴下。
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5V
| 對(duì)試棒燃燒5次,每次火焰都大于V測(cè)試中的火焰,每次持續(xù)5秒。燃燒在60秒內(nèi)停止。
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5VB
| 試樣板被燒穿(產(chǎn)生一個(gè)洞)。
|
5VA
| 試樣板未被燒穿(沒有產(chǎn)生洞)-ULzui高等級(jí)。
|
1,UL 94 HB*水平測(cè)試過程
對(duì)可燃性有安全方面的要求時(shí),不允許使用HB材料。通常情況下HB級(jí)的材料不能于電器,但機(jī)械或裝飾品除外。有時(shí),人們會(huì)有誤解:非FR材料(或沒有打算用作FR材料的材料)不會(huì)自動(dòng)滿足HB的要求。盡管zui不嚴(yán)格,UL 94 HB仍是一個(gè)可燃性分類等級(jí),必須經(jīng)測(cè)試檢測(cè)。
2,UL 94 V0,V1和V2*垂直測(cè)試過程
垂直測(cè)試(見圖14-17)使用與HB檢測(cè)中相同的試樣。燃燒時(shí)間、發(fā)光時(shí)間、何時(shí)開始滴落以及下面的棉花是否被引燃都應(yīng)注明。燃燒滴落被認(rèn)為是燃燒擴(kuò)散的主要原因,也是區(qū)分V1與V2的標(biāo)準(zhǔn)。
上圖14-17 UL 94 V0,V1,V2垂直測(cè)試過程
3,UL 94-5V*垂直測(cè)試過程
UL 94-5V是所有UL測(cè)試中zui嚴(yán)格的(見圖14-18)。
上圖14-18 UL 94-5V垂直測(cè)試過程,它包括兩個(gè)步驟:
步驟一:
垂直安裝一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可燃性試棒,使其經(jīng)受五次127mm火焰,每次持續(xù)5秒。如果此后試棒燃燒時(shí)間短于60秒且液滴不引燃下面的棉花,則通過測(cè)試。整個(gè)過程要對(duì)5個(gè)試棒進(jìn)行重復(fù)測(cè)試。
步驟二:
同樣厚度的試樣板在水平位置經(jīng)受同等火焰的測(cè)試,整個(gè)過程要對(duì)3個(gè)試樣板重復(fù)進(jìn)行測(cè)試。這個(gè)水平測(cè)試形成2個(gè)等級(jí):5VB和5VA。5VB允許產(chǎn)生洞(燒穿)。5VA不允許產(chǎn)生洞。
UL94-5VA是所有UL測(cè)試中zui嚴(yán)格的,特別用于大型辦公機(jī)械的防火罩。對(duì)于那些預(yù)期壁厚小于1.5mm的產(chǎn)品,應(yīng)使用玻璃填充材料等級(jí)。
4,CSA可燃性CSA C22.2 第0.6號(hào),測(cè)試A*
這個(gè)加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)的可燃性測(cè)試的方法與UL 94 5V測(cè)試的方法相似。然而,這個(gè)測(cè)試更加嚴(yán)格:每次測(cè)試火焰要持續(xù)15秒。而且在前4次火焰測(cè)試中,試樣必須在30秒內(nèi)熄滅;在第五次測(cè)試后,火焰在60秒內(nèi)熄滅(而UL94-5V的5次火焰測(cè)試各持續(xù)5秒)。滿足CSA測(cè)試的結(jié)果也被認(rèn)為滿足UL 94-5V。
5,有限氧氣指數(shù)ASTM D 2863(ISO 4589)*
有限氧氣指數(shù)用來測(cè)量材料在受控環(huán)境中的相對(duì)可燃性。有限氧氣指數(shù)是維持熱塑性塑料材料火焰時(shí),空氣中所需的zui低氧氣含量。
測(cè)試所用氣體是外部控制的氮?dú)夂脱鯕獾幕旌衔铩R粋€(gè)支撐的試樣由引火火焰點(diǎn)燃,然后拿走引火火焰。在下面過程中,氧氣濃度逐漸降低,直至試樣不能維持燃燒。有限氧氣指數(shù)或LOI定義為材料可以燃燒3分鐘或50mm所需的zui低氧氣濃度。LOI值越高就越不容易燃燒。
這項(xiàng)測(cè)試并不反映實(shí)際火情下材料的著火危險(xiǎn)。
光學(xué)測(cè)試
模糊與光透射ASTM D 1003
模糊產(chǎn)生于光在材料中的散射,受到分子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度或聚合物表面或內(nèi)部不純凈的影響。模糊只適于半透明或透明的材料,不適于不透明材料。有時(shí)人們認(rèn)為模糊是光澤的反義詞,即吸收入射光線。然而,模糊測(cè)試方法實(shí)際上測(cè)量的是半透明材料對(duì)光線的吸收、透射和偏向。
試樣放在一窄束強(qiáng)光的信道中,使其中一些光通過試樣,另一些未受阻擋繼續(xù)前進(jìn)。兩部分光線都進(jìn)入安裝了光線探測(cè)器的球中。必須確定兩個(gè)量:
*光線的總強(qiáng)度*模糊度,或偏轉(zhuǎn)角大于2.5°的入射光線的量。根據(jù)這兩個(gè)量可以算出兩個(gè)值:
1,模糊度,或偏轉(zhuǎn)角大于2.5°的入射光線的比例
2,光透射量,或透過試樣的入射光線的比例。
光澤ASTM D 523
光澤是指表面在某些方向上的反射能力強(qiáng)于其它方向。光澤可以用光澤計(jì)測(cè)量。一束強(qiáng)光從試樣表面沿一定方向反射,反射光的亮度由光電探測(cè)器測(cè)出。多數(shù)情況下使用60°角,更有光澤的材料可以選用20°角,無光澤的材料選用85°角。光澤計(jì)用一塊光澤值為100的黑色玻璃進(jìn)行校準(zhǔn)。塑料的光澤度很低,且受注塑方法影響很大。
模糊度和光澤度
模糊度和光澤度測(cè)試測(cè)量材料反射和透射光線的能力,并將透明和閃亮等性質(zhì)量化。但模糊度僅適用于透明和半透明的材料,而光澤度可用于任何材料。光澤度和模糊度測(cè)試都很。但是它們經(jīng)常用于測(cè)量外觀,也就是一個(gè)很主觀化的概念。模糊度和光澤度之間的關(guān)系和人們?nèi)绾舞b定塑料的透明和發(fā)亮等級(jí)還不確定。
折射系數(shù)ASTM D 542
一束光線沿一定角度透過透明試樣。光線的偏轉(zhuǎn)--在光線通過試樣時(shí)由試樣產(chǎn)生--就是折射系數(shù),由sin a除以sin b得到。
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