Разрывная прочность: определение, связь с 3D-печатью и методы измерения

Разрывная прочность — способность материала сопротивляться разрушению перпендикулярно приложенному напряжению. Обычно проверяется измерением силы, необходимой для начала разрыва, пока эта сила приложена к неограниченной области близко к зажиму, удерживающему край материала.

В 3D-печати разрывная прочность помогает определить структурные преимущества определенных методов печати. Это особенно актуально для анизотропных методов, таких как FDM-печать. Анизотропные материалы имеют разные свойства в зависимости от режима и ориентации материала. Это можно интерпретировать как «волокна», похоже на дерево, где силы вдоль волокон (т.е., выровненные с плоскостью сборки и основным направлением нити) гораздо лучше сопротивляются, чем те, что разрывают нити друг от друга.

Значения разрывной прочности измеряют в ньютонах на мм или фунтах-силе на единицу толщины (lbf/in или N/mm) образца материала. Хотя результаты от разных тестовых установок не являются напрямую сравнимыми из-за методологических различий. Тестовые стенды фиксируют часть края образца в фиксированной плоскости и зажимают «свободный» край близко к фиксации. Это позволяет приложить нагрузку перпендикулярно образцу для индуцирования разрыва. Некоторые тесты требуют гладкого края образца, другие используют заданный V-образный надрез как инициатор, и другие — заданный прямой разрез для этой цели. Измеряемое значение — сила, необходимая для инициации разрыва только.

В статье обсуждаются определение разрывной прочности, ее связь с 3D-печатью, формула и способы измерения.

Что такое разрывная прочность?

Разрывная прочность — сопротивление материала перпендикулярному разрушению. Разрыв — критическая способность многих материалов, вызванная силой, перпендикулярной плоскости материала. Приложенная сила, превышающая разрывную прочность, вызывает точку текучести, разделяющую материал вдоль линии приложения силы. Разрывная прочность обычно полезна как мера поведения нехрупких материалов. Хрупкие материалы не разрываются, а ломаются при деформации. Мера используется для определения способности материалов, способных значительно деформироваться до разрушения. Бумага имеет измеримую разрывную прочность, тогда как стекло нет, так как оно подвергается хрупкому разрушению. В терминах полезных измерений разрывное тестирование обычно выполняется на листовых материалах: тканях, бумаге/картоне, гибких пластиках и резинах.

Как измерение разрывной прочности связано с 3D-печатью?

Измерение разрывной прочности связано с 3D-печатью тем, что понимание свойств разрывной устойчивости различных технологий 3D-печати и ориентации детали помогает создавать прототипы, полезные для активных силовых тестов, а не только для проверки посадки и формы. Выбор процесса, типа материала и ориентации сборки могут быть критическими факторами в определении пригодности 3D-напечатанной детали для намеченного назначения.

Детали, которые должны гнуться или сопротивляться гнутию, выдерживать повторные циклы нагрузки и проходить сложные сценарии нагружения, должны быть изготовлены процессом, обеспечивающим требуемую производительность. Где требуется гибкость, базовая SLA-деталь будет иметь тенденцию к немедленному разрушению. FDM-напечатанная деталь, с другой стороны, собранная так, что направление нити лежит вдоль линии гнутия (а не поперек или через нее) будет работать лучше. Подробнее см. в нашем руководстве по 3D-печати.

Какова формула разрывной прочности?

Формула разрывной прочности:

Разрывная прочность = F/t

Будь то предварительно инициированный разрыв V-образным надрезом или прямым разрезом, или край гладкий и неповрежденный, измеряется сила, инициализирующая разрыв. Эта сила (в Н или lbf) затем делится на толщину образца (в мм или дюймах) для получения стандартизированной меры силы на единицу толщины.

Какая единица используется для разрывной прочности?

Разрывная прочность измеряется в ньютонах на мм или фунтах-силе на дюйм (N/мм или lbf/дюйм).

Как тестировать разрывную прочность?

Тестирование разрывной прочности обычно выполняется на растягивающем стенде. Образец зажимается в верхние и нижние челюсти тестовой машины. Он ориентируется так, что напряжение приложено как разрывное движение. Наиболее распространенный формат использует подходяще названный «штановой тест». «Ножки» или форма штанов зажимаются в плоскости и тянутся, как если бы они были надеты при растяжении в шпагат. Разрушение происходит в точке, где «ножки» штанов встречаются. Это растягивает или деформирует край материала в смещенную линию (при нагрузке меньше точки разрыва). Сила затем увеличивается ступенчато до начала разрыва в концентраторе напряжения.

Три формы подготовки края: V-образный надрез или I-образный надрез как инициатор, или край гладкий и образует неповрежденную кривую там, где «ножки» образца встречаются. Эти тесты не обязательно сравнимы друг с другом. Инициатор, вероятно, приведет к гораздо более низкой разрывной прочности, чем у иначе идентичных образцов. Концентрация напряжения (силы) происходит при гораздо более низких уровнях деформации (растяжения/смещения).

Тестирование разрывной прочности поэтому считается качественным тестом для демонстрации режима разрушения, а не количественным сравнительным тестом для точного сравнения различных материалов. Оно может использоваться для качественного сравнения силовой устойчивости одинаково сформированных/тестированных образцов материалов. Однако количественные меры в тестовых образцах, вероятно, информируют только качественно о рисках разрушения в реальных условиях, где приложение нагрузок редко бывает таким упрощенным/идеальным, как в тестовой лаборатории.

Как измерить разрывную прочность?

При выполнении теста либо вес, либо смещение и модуль измерения силы применяются к движущейся зажиму. Сила, при которой инициируется разрыв, является результирующим измерением теста. Формы образцов и инициаторные разрезы варьируются, но все образцы располагаются так, что простое растягивающее нагружение применяет разрывную силу в заранее определенной точке образца.

Каковы стандарты ASTM International для измерения разрывной прочности различных материалов?

ASTM D264 — американский тестовый стандарт для разрывной устойчивости, он специфицирует пять типов образцов: A (полумесяц, бритвенный надрез), B (Винкельман), C (Грейвс), T (Разрыв штанов)/ASTM D470, и CP (Ограниченный путь разрыва штанов). Для типов образцов A, B или C измеренное значение разрывной прочности — это просто сила (для инициации разрыва), деленная на толщину образца. Для типов образцов T или CP измеренное значение — средняя или медианная сила, приложенная на кривой, деленная на толщину образца.

ISO 34-1 напрямую сравнима по принципу, но отличается в ряде ключевых деталей, делающих два тестовых стандарта очень трудными для прямого сравнения, даже для идентичных материалов.

Подробнее см. в нашем полном руководстве по ASTM International.

Каковы примеры разрывной прочности разных материалов?

1. Разрывная прочность ткани

Ткани — материалы, производимые переплетением таких материалов как шерсть, нейлон и хлопок. Хлопковые ткани сильно варьируются в разрывной прочности в зависимости от базового материала и приложенной силы.

2. Разрывная прочность резины

Значения для различных резиновых материалов: натуральная резина (23,95 ±1,85 кН/м), нитрильная резина (9,14 ±1,54 кН/м), стирол-бутадиеновая резина (4,88 ±0,47 кН/м), и ЭПДМ резина (7,27 ±0,86 кН/м).

3. Разрывная прочность пластика

Значения разрывной прочности для пластиков варьируют в зависимости от ориентации вытяжения, вариаций свойств полимера и широкой доступности типов полимеров. Результаты обычно интересны только для пленчатых материалов, подвергающихся производственным или эксплуатационным напряжениям. Полимерные пленки также склонны тестироваться по ASTM D1922, тесту Элемендорфа на разрывную прочность (результаты в граммах). Например, модальный HDPE имеет разрывную прочность Элемендорфа 120 г MD (машинное направление) и 24 г TD (поперечное направление). LDPE, с другой стороны, имеет разрывную прочность Элемендорфа 320 г MD и 170 г TD.

Каковы типы материалов с высокой разрывной устойчивостью?

В тканях синтетические волокна имеют более высокую разрывную устойчивость. Кевлар® и нейлон — хорошие примеры экстремальной разрывной устойчивости в гибких волокнах. Парашютные материалы сделаны из тонкого переплетенного нейлона из-за тяжелых последствий катастрофического отказа. Военная броня и мотоциклетная броня обычно из кевлара®, где комбинация низкой эластичности и огромного растягивающего сопротивления создает более жесткие, но прочные ткани.

В эластомерах наивысшая разрывная устойчивость идет от натуральных резины и составов, содержащих ее. Это результат очень высокого удлинения на разрыве натуральной (вулканизированной) резины. Однако баланс свойств لصالح синтетических резины во многих применениях, которые обычно жестче и более долговечны.

Каковы типы материалов с низкой разрывной устойчивостью?

Примеры материалов с низкой разрывной устойчивостью: бумага, ПВХ-пленки, термопластические резины, силиконовые резины и натурально-волокнистые ткани.

Что такое отношение разрывной прочности к пределу текучести?

Отношение разрывной прочности к пределу текучести — мера способности материала к эластическому и пластическому искажению до разрыва. Например, материалы, деформирующиеся эластично под нагрузкой, восстанавливаются при снятии нагрузки. Если эластический предел превышен и происходит пластическая деформация, будет некоторое восстановление при разгрузке. Если материал разрывается вскоре после достижения точки текучести, восстановление не будет возможно. Высокое отношение разрывной прочности к пределу текучести указывает на материал, склонный к отказу при перегрузке в разрывном режиме.

Какое среднее измерение разрывной прочности считается хорошим для 3D-печати?

Среднее измерение разрывной прочности, считающееся хорошим в 3D-печати, зависит от применения. Абсолютная разрывная устойчивость родного материала, используемого в печати, может помочь пользователю оценить выбранную технологию печати и материал. Многие 3D-печатаемые материалы являются одновременно относительно слабыми и хрупкими. Разрывная прочность может помочь в понимании поведения материала под нагрузкой. Относительные разрывные прочности моделей, построенных в различных машиностроительных ориентациях, могут значительно варьироваться. Где разрывная угроза идет вдоль основного направления зерна, материал будет слабым. В тонкостенном FDM, например, нити сильнее вдоль своей длины, чем они есть под 90° к этой оси. Выбор оптимальной ориентации сборки может существенно влиять на функциональные свойства.