Что такое предел прочности? Определение, единицы измерения, формулы и методы испытаний

Что такое предел прочности? Определение и основной смысл

Предел прочности — это максимальное растягивающее (тянущее) напряжение, которое материал может выдержать при растяжении, прежде чем он сломается. Это одно из наиболее широко цитируемых механических свойств в технике, поскольку оно отвечает на простой, но важный вопрос: какое осевое тянущее усилие может выдержать деталь до того, как материал отделится? Предел прочности выражается в мегапаскалях (МПа) или фунтах на квадратный дюйм (фунты на квадратный дюйм) и измеряется путем растягивания стандартизированного образца до тех пор, пока он не сломается.

Для предприятия по переработке пластмасс предел прочности не является абстрактным лабораторным показателем. Если вы формируете кронштейн PA66, армированный стекловолокном, который крепит ремень безопасности к раме транспортного средства, прочность на разрыв показывает максимальную осевую тянущую нагрузку, которую кронштейн может выдержать, прежде чем материал поддастся и в конечном итоге разорвется. Инженеры-проектировщики и группы закупок используют это значение для сравнения возможных полимеров, расчета минимальной толщины стенок и принятия решения о том, необходим ли стандартный или улучшенный сорт для конкретного применения.

Предел прочности также имеет четкое место на кривой растяжения-деформации. При приложении растягивающей нагрузки материал сначала упруго деформируется, затем пластически деформируется в пластичных полимерах, таких как нейлон, и, наконец, разрушается. Напряжение, при котором происходит разрыв, представляет собой предел прочности на разрыв, часто называемый пределом прочности на разрыв. Он отличается от предела текучести, который представляет собой напряжение, при котором начинается необратимая деформация, а также от предела текучести, который представляет собой напряжение, регистрируемое в тот момент, когда образец разрушается. Понимание этих трех ценностей вместе предотвращает дорогостоящие ошибки при выборе материала.

Как измеряется прочность на растяжение?

Прочность на разрыв определяют на универсальной испытательной машине. Образец в форме гантели, обычно называемый образцом собачьей кости, зажимается между двумя захватами. Машина тянет образец с постоянной скоростью, в то время как тензодатчик регистрирует силу, а экстензометр регистрирует удлинение. Испытание продолжается до тех пор, пока образец не сломается. Максимальная сила, зарегистрированная во время испытания, делится на исходную площадь поперечного сечения калибрующей секции, чтобы получить предел прочности в выбранной системе единиц.

Результат во многом зависит от стандарта испытания, геометрии образца, скорости траверсы, температуры и влажности. Для пластмасс и металлов используются разные стандарты, и значения нельзя сравнивать напрямую, если условия испытаний различаются. В таблице ниже перечислены основные методы испытаний на растяжение, используемые для конструкционных материалов.

Когда вы сравниваете данные по прочности на разрыв в таблице данных нейлона, всегда проверяйте, какой стандарт использовался. Значения, полученные с помощью ASTM D638 и ISO 527, не являются автоматически взаимозаменяемыми, поскольку размеры образца и скорости испытаний различаются, а на вид разрушения может влиять состояние влажности образца.

Ключевые типы прочности на разрыв: предел текучести, предел прочности и разрушение.

Термин «прочность на разрыв» часто используется так, как если бы он относился к одному числу. На практике испытание на растяжение дает как минимум три различных значения, каждое из которых имеет различное инженерное значение.

Предел текучести

Предел текучести — это напряжение, при котором материал начинает необратимо деформироваться. Для полимеров, которые не имеют четкого предела текучести, инженеры используют метод смещения 0,2%: линия, параллельная упругой области, смещается на 0,2% деформации, а ее пересечение с кривой растяжения определяет предел текучести смещения. Это значение является основой для большинства расчетов конструкций, поскольку оно отмечает предел восстанавливаемой деформации.

Предельная прочность на растяжение

Предел прочности на растяжение — это самое высокое напряжение, достигнутое на инженерной кривой растяжения. Для пластичного нейлона это точка, в которой образование шейки начинает концентрировать деформацию в локализованной области. За этой точкой образец продолжает удлиняться, но несущая способность горловины поперечного сечения снижается до тех пор, пока не произойдет разрушение. Это значение чаще всего указывается как предел прочности на разрыв в таблицах данных материалов.

Прочность на излом

Прочность на излом – это напряжение, зафиксированное в момент разрушения. В образце из пластичного нейлона напряжение разрушения часто ниже, чем предел прочности на разрыв, поскольку поперечное сечение утончается во время образования шейки. В хрупком материале, таком как PPA с высоким содержанием стекла, предел прочности и прочность на излом обычно близки друг к другу. Признание этой разницы помогает объяснить, почему один материал имеет длинную плоскую зону разрыва, а другой резко ломается.

Предел прочности при растяжении, предел текучести и удлинение при разрыве

Для формованного нейлонового зажима, который должен защелкнуться на месте, удлинение при разрыве показывает, насколько зажим может сгибаться без трещин. Предел текучести показывает, потеряет ли зажим навсегда свою прижимную силу после повторных вставок. Прочность на растяжение показывает силу, при которой зажим окончательно отделяется. Все три значения получены в результате одного и того же испытания на растяжение, но отвечают на разные инженерные вопросы.

Практический пример: крюк с защелкой, изготовленный из неармированного PA6, может иметь прочность на разрыв 70 МПа и удлинение при разрыве 40 %, что позволяет сборщику сгибать крюк без образования трещин. Замените его на 45% стеклонаполненный PPA с прочностью на разрыв 250 МПа и удлинением всего 1,5%, и крючок отломится во время сборки, несмотря на то, что он намного прочнее при прямом натяжении. Вот почему значения прочности всегда интерпретируются вместе с пластичностью.

Единицы прочности на разрыв и типичные значения материала

Прочность на растяжение выражается в паскалях (Па) в системе СИ, но в инженерной практике она выражается в мегапаскалях (МПа), где 1 МПа = 1 Н/мм². На рынке Северной Америки часто используются фунты на квадратный дюйм (psi). Простое преобразование: 1 МПа = 145,038 фунтов на квадратный дюйм и 1 тысяча фунтов на квадратный дюйм (1000 фунтов на квадратный дюйм) = 6,895 МПа. Если поставщик указывает значение в другой единице измерения, преобразуйте его, прежде чем сравнивать оценки.

Состояние «сухое формование» (DAM) относится к свежесформованному образцу, хранящемуся в сухих условиях. Кондиционное состояние достигается после того, как материал впитал влагу до равновесия при относительной влажности 50%. Детали из нейлона, находящиеся в эксплуатации, обычно ближе к кондиционному состоянию, поэтому полагаться только на данные DAM можно переоценить реальную прочность формованного компонента.

Факторы, влияющие на прочность на разрыв нейлоновых материалов

Для полимеров на основе нейлона предел прочности на разрыв не является фиксированным числом. Одна и та же марка PA6 может иметь очень разные значения прочности на растяжение в зависимости от влажности, армирования, температуры и условий обработки. Понимание этих переменных важно при сравнении таблиц данных или планировании формованной детали.

Поглощение влаги

Нейлон гигроскопичен, а поглощенная вода действует как пластификатор. Он снижает температуру стеклования, повышает ударную вязкость и снижает прочность на разрыв и жесткость. Типичная неармированная смола PA6 падает с примерно 75 МПа в сухом состоянии до примерно 50 МПа после достижения равновесия влажности при относительной влажности 50%. Вот почему в технических характеристиках нейлона указаны как сухие, так и кондиционированные значения, и почему детали, используемые во влажной среде, должны проектироваться с учетом кондиционных значений, а не только что отлитых.

Армирование стекловолокном

Добавление 30% стекловолокна по весу повышает предел прочности PA66 примерно с 85 МПа до примерно 190 МПа, в зависимости от связующего агента и конечного распределения волокон по длине. Хорошая адгезия волокна к матрице имеет решающее значение: при плохом соединении волокна вырываются при незначительном напряжении, и прирост прочности невелик. По этой причине улучшенные марки, полученные с использованием контролируемой рецептуры, обычно показывают более стабильные результаты при растяжении, чем обычные смеси собственного производства.

Температура

Прочность на разрыв снижается с повышением температуры. При 80–100°C стандартный неармированный PA6 сохраняет лишь часть своей прочности на разрыв при комнатной температуре. В горячих моторных отсеках инженеры выбирают термостабилизированные марки или марки на основе PPA. Преимущества термостабильности чипов серии PA6 в высокотемпературных средах рассматриваются в отдельном анализе, но общее правило простое: любое сравнение прочности на растяжение должно выполняться при температуре применения, а не только при 23°C.

Молекулярный вес, кристалличность и обработка

Более высокая молекулярная масса улучшает перепутывание цепей и, следовательно, увеличивает удлинение и прочность, но конечная кристалличность определяется условиями обработки. При быстром охлаждении в форме получается менее кристаллический и более мягкий материал; Правильная температура формы приводит к повышению кристалличности, что повышает прочность на разрыв и жесткость. Каждая термическая история также в некоторой степени разрушает полимер, поэтому переработанный переизмельченный материал с несколькими термическими циклами может показать заметное снижение прочности на разрыв по сравнению с первичным материалом.

Почему прочность на разрыв имеет значение при выборе PA6, PA66 и PPA

Когда инженер-технолог или инженер-материаловед сравнивает PA6, PA66 и PPA, предел прочности обычно является первой строкой свойства в таблице данных. Это также свойство, которое наиболее четко разделяет три материала. Если вам нужно более широкое представление о семействах полимеров, воспользуйтесь нашим руководством. что такое нейлоновый материал подробно объясняет молекулярную структуру PA6, PA66 и PPA.

PA6: сбалансированная прочность, текучесть и качество поверхности

PA6 обеспечивает превосходный внешний вид поверхности, хорошую прочность и простоту обработки. В неармированном виде его прочность на разрыв в сухом состоянии в формованном виде составляет примерно 70–80 МПа. Для электрических разъемов, бытовой техники и спортивного оборудования производители часто выбирают чипы PA6 улучшенного класса , которые сочетают армирование стекловолокном с узким окном вязкости для стабильного формования и типичными значениями растяжения в диапазоне 160–185 МПа.

Поставщики материалов PA6 GF на заказ, компания по производству чипов Enhanced PA6 Ningbo Frontechnic New Material Technology Co., Ltd является китайским поставщиком материалов PA6 GF и усовершенствованной компанией по производству чипов PA6, профессиональным заказчиком ... Посмотреть продукт →

PA66: Повышенная прочность и жесткость деталей конструкции.

PA66 имеет более высокую температуру плавления и более высокую механическую прочность, чем PA6. Неармированный PA66 обычно достигает около 85 МПа в сухом состоянии в формованном виде, а марка, армированная стекловолокном на 30%, достигает 185–210 МПа. Когда конструкция требует самой высокой прочности на разрыв среди стандартных нейлонов, чипы PA66 улучшенного класса обеспечивают прочность и стабильность размеров, необходимые для автомобильных кронштейнов, шестерен и корпусов конструкций.

Поставщики чипов PA66 GF, Компания по производству чипов PA66 улучшенного качества Компания Ningbo Frontechnic New Material Technology Co., Ltd является китайским поставщиком чипов PA66 GF и компанией по производству чипов PA66 улучшенного качества, профессиональная ... Посмотреть продукт →

PPA: сохранение прочности на разрыв при нагревании и влаге

PPA, или полифталамид, представляет собой полуароматический полиамид. При содержании стекловолокна 30–45% марки PPA достигают прочности на разрыв 200–280 МПа и, что более важно, сохраняют более высокий процент этой прочности в жарких и влажных условиях, чем PA6 или PA66. Вот почему улучшенные чипы PPA предназначены для воздуховодов турбокомпрессора, деталей системы охлаждения и разъемов вблизи источников тепла. Механизм такого поведения описан в нашей статье. почему улучшенный PPA сохраняет долговременную стабильность в суровых условиях .

Поставщики пластиковых чипсов с улучшенным полифталамидом PPA, Компания Ningbo Frontechnic New Material Technology Co., Ltd - поставщик и компания по производству пластиковых чипсов из полифталамида PPA в Китае, профессиональная ... Посмотреть продукт →

Распространенные заблуждения о прочности на растяжение

Более высокая прочность на разрыв всегда означает лучшую деталь

Прочность обычно достигается за счет пластичности. Сорт с высоким содержанием наполнителя и пределом прочности 280 МПа может удлиниться перед разрывом всего на 1–2%, тогда как закаленный нейлон с пределом прочности 50 МПа может растянуться на 40–60%. Для сборок с защелкиванием и ударопрочных деталей пластичность может быть более важной, чем исходная прочность на растяжение. Самый прочный сплав не является автоматически лучшим сортом для определенной геометрии.

Одна только прочность на разрыв предсказывает срок службы

Реальные детали выходят из строя из-за усталости, ползучести, растрескивания под напряжением и ударов, а не только из-за одного статического напряжения. Прочность на разрыв определяется одним испытанием на низкой скорости при комнатной температуре. Деталь может оставаться значительно ниже своего предела растяжения и по-прежнему выходить из строя при циклической нагрузке после тысяч циклов или выходить из строя в течение нескольких недель при постоянной продолжительной нагрузке. Проектируйте режим загрузки, а не только максимум таблицы.

Значения таблицы данных будут соответствовать вашей формованной детали

Предел прочности измеряется на стандартном образце гантели. В реальной детали, отлитой под давлением, стекловолокна ориентируются вдоль направления потока, линии сварных швов создают слабые места, а остаточные напряжения снижают местную прочность. Фактическая местная прочность в критических зонах может быть на 20–40 % ниже паспортного значения. Тестирование прототипов по-прежнему необходимо для критически важных с точки зрения безопасности деталей.

При выборе материала имеет значение только прочность на разрыв

Не менее важны жесткость (модуль растяжения), ударная вязкость, термостойкость и удлинение. Шестерня, которая выдерживает испытание на растяжение, может выйти из строя у основания зуба из-за усталости при изгибе, а корпус с превосходной прочностью на растяжение может треснуть при падении. Всегда читайте полный набор свойств вместе со значением прочности на разрыв.

Часто задаваемые вопросы о прочности на разрыв

В чем разница между пределом прочности и пределом текучести?

Предел текучести — это напряжение, при котором материал начинает необратимо деформироваться. Предел прочности – это максимальное напряжение, которое материал может выдержать до разрушения. Для пластичного полимера, такого как нейлон, предел текучести обычно ниже, чем предел прочности на разрыв; для хрупких материалов эти два значения могут быть почти идентичными. Конструкторы используют предел текучести, чтобы установить предел рабочей нагрузки, и предел прочности, чтобы оценить предел разрушения.

В каких единицах измеряется предел прочности?

Мегапаскаль (МПа) является стандартной единицей измерения в большинстве технических паспортов: 1 МПа = 1 Н/мм². На рынке Северной Америки обычно используются фунты на квадратный дюйм (psi) или килофунты на квадратный дюйм (ksi). Для преобразования умножьте МПа на 145,038, чтобы получить фунты на квадратный дюйм, или разделите фунты на квадратный дюйм на 145,038, чтобы получить МПа.

Как рассчитать прочность на растяжение по результатам испытания на растяжение?

Запишите максимальную силу, приложенную во время испытания, и разделите ее на исходную площадь поперечного сечения манометрической секции. Формула: предел прочности = максимальная сила / первоначальная площадь поперечного сечения. Поскольку используемая площадь является исходной, результатом является инженерное значение напряжения, а не истинное значение напряжения.

Снижает ли влага прочность нейлона на растяжение?

Да. Нейлон впитывает воду, а впитавшаяся влага действует как пластификатор. Типичный образец PA6, отлитый в сухом виде, может иметь давление около 75 МПа, в то время как давление той же марки, выдержанное при равновесной относительной влажности 50%, может упасть примерно до 45–55 МПа. Вот почему в технических характеристиках нейлона всегда указываются как сухие, так и кондиционированные значения.

Какова прочность на разрыв PA66, армированного стекловолокном?

Марка PA66 с 30% стекловолокна обычно показывает 185–210 МПа, измеренное в сухом виде в формованном состоянии, в зависимости от системы соединения и условий обработки. Условное значение ниже, часто в пределах 120–150 МПа, но все же значительно выше, чем у неармированного ПА66. Эта комбинация делает GF30 PA66 распространенным выбором для изготовления автомобильных и промышленных деталей.

Можно ли повысить прочность на разрыв без добавления стекловолокна?

Да, в ограниченной степени. Увеличение кристалличности за счет контроля температуры формы, увеличения молекулярной массы или смешивания с полуароматическим полиамидом, таким как PPA, может улучшить прочность. Однако армирование стекловолокном остается наиболее эффективным и экономичным способом достижения значительного и надежного увеличения прочности на разрыв.

Практические советы по оценке данных о прочности на растяжение

Когда поставщик отправляет вам техническое описание или отчет о материале, используйте следующий контрольный список, чтобы избежать сравнения несопоставимых значений.

1. Подтвердите стандарт тестирования. Значения ASTM D638 и ISO 527 не могут быть автоматически сопоставлены, поскольку геометрия образца и скорости испытаний различаются.
2. Прочтите вместе сухие и условные значения. Для нейлоновых деталей, находящихся в обычном воздухе, кондиционное значение ближе к эксплуатационным характеристикам.
3. Проверьте скорость теста. Более быстрое натяжение приводит к более высокой измеренной прочности на растяжение пластичных полимеров.
4. Посмотрите на удлинение при разрыве и модуль растяжения в том же отчете. Эти два числа говорят вам, является ли материал пластичным и жестким, а не просто прочным.
5. Сравните значения при температуре вашего применения. Предел прочности при 23°C не соответствует характеристикам при 80°C в моторном отсеке.
6. Перед массовым производством попросите отчет об испытаниях партии. Прочность на разрыв может меняться между партиями, когда молекулярная масса или уровни добавок различаются.

Прочность на разрыв — это отправная точка, а не вся история. Если вы объедините эти данные с пределом текучести, удлинением при разрыве, модулем упругости, данными условных испытаний и правильной маркой материала, вы получите реалистичную картину того, как деталь будет вести себя под нагрузкой. Именно эта комбинация, а не какое-то отдельное число, отличает надежную нейлоновую деталь от той, которая выходит из строя на ранних этапах эксплуатации.