Прочность на разрыв:что это такое, как она связана с 3D-печатью и как ее измерить

Прочность на разрыв – это способность материала сопротивляться разрушению перпендикулярно приложенному напряжению. Обычно это проверяется путем измерения силы, необходимой для начала разрыва, при этом эта сила прикладывается к незакрепленной области рядом с зажимом, удерживающим край материала.

В 3D-печати прочность на разрыв помогает определить преимущества структурной прочности конкретных методов построения 3D-печати. Это особенно актуально для методов анизотропного строительства, таких как печать FDM. Анизотропные материалы имеют разные свойства в зависимости от режима и ориентации материала. Это можно интерпретировать как «зерно», похожее на древесину, где силам, направленным вдоль волокон (т. е. выровненным по плоскости построения и направлению основной нити), сопротивляются гораздо лучше, чем тем, которые отрывают нити друг от друга.

Значения прочности на разрыв измеряются в ньютонах на мм или фунтах силы на единицу толщины (фунт-сила/дюйм или Н/мм) образца материала. Однако результаты различных тестовых установок напрямую не сопоставимы из-за методологических различий. Испытательные стенды удерживают часть края образца в фиксированной плоскости и зажимают «свободный» край вблизи ограничителя. Это позволяет прикладывать нагрузку перпендикулярно образцу, вызывая разрыв. Некоторые испытания требуют, чтобы края образцов были гладкими, другие используют заданный V-образный надрез в качестве инициатора, а третьи используют для этой цели заданный прямой разрез. Измеренное значение представляет собой силу, необходимую только для начала разрыва. 

В этой статье мы обсудим определение прочности на разрыв, ее связь с 3D-печатью, ее формулу и способы ее измерения.

Что такое прочность на разрыв?

Прочность на разрыв – это устойчивость материала к перпендикулярному разрушению. Разрыв — это важнейшая способность, которой обладают многие материалы, и она вызывается силой, перпендикулярной плоскости материала. Приложенная сила, превышающая прочность на раздир, вызывает нарушение предела текучести, в результате чего материал разделяется вдоль линии приложения силы. Прочность на раздир обычно используется как мера поведения нехрупких материалов. Хрупкие материалы не рвутся, а ломаются при деформации. Эта мера используется для определения способности материалов значительно деформироваться перед разрушением. Бумага имеет измеримую прочность на разрыв, тогда как стекло ее не имеет, поскольку оно подвергается хрупкому разрушению. Что касается полезных измерений, испытание на разрыв обычно проводится на листовых материалах, таких как ткани, бумага/карточки, гибкий пластик и резина.

Как измерение прочности на разрыв связано с 3D-печатью?

Измерение прочности на разрыв связано с 3D-печатью, поскольку понимание свойств сопротивления разрыву различных технологий 3D-печати и ориентации детали помогает создавать прототипы, которые можно использовать для испытаний на активную силу, а не просто для проверки подгонки и формы. Выбор процесса, типа материала и ориентации конструкции могут быть решающими факторами при определении пригодности 3D-печатной детали для предполагаемой цели.

Детали, которые должны сгибаться или сопротивляться изгибу, подвергаться повторяющимся циклам нагрузки и подвергаться сложным сценариям нагрузки, должны быть изготовлены с помощью процесса, обеспечивающего требуемые характеристики. Там, где требуется гибкость, базовая деталь SLA имеет тенденцию немедленно ломаться. С другой стороны, деталь, напечатанная FDM, построенная таким образом, что направление нити лежит вдоль линии изгиба (а не поперек или сквозь нее), будет работать лучше. Дополнительную информацию см. в нашем руководстве по 3D-печати.

Какова формула прочности на разрыв?

Формула прочности на разрыв:

Прочность на разрыв =F/t

Независимо от того, был ли разрыв предварительно инициирован V-образным или I-образным надрезом, или край гладкий и неповрежденный, будет измерена сила, которая инициирует разрыв. Эта сила (в Н или фунтах-силах) затем делится на толщину образца (в мм или дюймах), чтобы получить стандартизированную меру силы на единицу толщины.

Какая единица измерения прочности на разрыв?

Прочность на разрыв измеряется в ньютонах на мм или фунтах-силах на дюйм  (Н/мм или фунт-сила/дюйм).

Как проверить прочность на разрыв?

Испытание прочности на разрыв обычно проводится на стенде для испытаний на растяжение. Образец закрепляется на верхних и нижних губках испытательной машины. Он ориентирован так, что напряжение прикладывается как разрывающее движение. В наиболее распространенном формате используется метко названный тест брюк. «Ноги» или форма брюк зажимаются в плоскости и растягиваются, как будто их носят во время шпагата. Провал происходит в месте соединения «ножек» брюк. Это растягивает или деформирует край материала в смещённую линию (при нагрузке ниже точки разрыва). Затем силу постепенно увеличивают до тех пор, пока в концентраторе напряжений не начнется разрыв.

Выполняются три формы подготовки кромок:V-образный или I-надрез в качестве инициатора, либо кромка гладкая и образует неповрежденную кривую в месте соприкосновения «ножек» образца. Эти тесты не обязательно сопоставимы друг с другом. Инициатор, вероятно, приведет к гораздо более низкой прочности на разрыв, чем у идентичных в остальном образцов. Концентрация напряжения (силы) возникает при гораздо более низких уровнях деформации (растяжения/перемещения).

Таким образом, испытание на прочность на разрыв считается качественным испытанием, демонстрирующим вид разрушения, а не сравнительным испытанием, позволяющим точно сравнить различные материалы. Его можно использовать для качественного сравнения. силовой устойчивости образцов материала одинаковой формы/испытаний. Однако количественные измерения в тестовых образцах, скорее всего, дадут только качественную информацию о рисках отказов в реальных условиях, где приложения нагрузки редко бывают такими упрощенными/идеальными, как в испытательной лаборатории.

Как измерить прочность на разрыв?

При проведении испытания к подвижному зажиму прикладывается либо вес, либо перемещение, а также модуль измерения силы. Сила, при которой начинается разрыв, является результирующим испытательным измерением. Формы образцов и срезы инициатора различаются, но все образцы устроены так, что простая растягивающая нагрузка создает силу отрыва в заранее определенной точке образца.

Каковы стандарты ASTM International для измерения прочности на разрыв различных материалов?

ASTM D264 — это американский стандарт испытаний на устойчивость к разрыву, в котором указаны пять типов образцов:A (серповидный, с порезом бритвы), B (Винкельмана), C (Грейвса), T (разрыв брюк)/ASTM D470 и CP (разрыв брюк с ограниченной траекторией). Для образцов типов A, B или C измеренное значение прочности на раздир представляет собой просто силу (инициирующую разрыв), деленную на толщину образца. Для образцов типов T или CP измеренное значение представляет собой среднюю или медианную силу, приложенную к кривой, деленную на толщину образца.

ISO 34-1 в принципе сопоставим, но отличается по ряду ключевых деталей, из-за которых очень трудно напрямую сравнивать два стандарта испытаний, даже для идентичных материалов.

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство по ASTM International.

Каковы примеры прочности различных материалов на разрыв?

1. Прочность ткани на разрыв

Ткани — это материалы, производимые путем переплетения таких материалов, как шерсть, нейлон и хлопок. Хлопчатобумажные ткани сильно различаются по прочности на разрыв в зависимости от основного материала и приложенной силы.

2. Прочность резины на разрыв

Значения для различных резиновых материалов:натуральный каучук (23,95 +/- 1,85 кН/м), нитриловый каучук (9,14 +/- 1,54 кН/м), бутадиен-стирольный каучук (4,88 +/- 0,47 кН/м) и каучук EPDM (7,27 +/- 0,86 кН/м).

3. Прочность пластика на разрыв

Значения прочности на разрыв для пластмасс варьируются в зависимости от ориентации удлинения, изменений свойств полимера и широкой доступности типов полимеров. Результаты обычно представляют интерес только для пленочных материалов, которые будут подвергаться нагрузкам при производстве или эксплуатации. Полимерные пленки также обычно тестируются с использованием ASTM D1922, теста на прочность на разрыв по Эльмендорфу (результаты в граммах). Например, модальный ПЭВП имеет прочность на разрыв по Эльмендорфу 120 г по MD (в машинном направлении) и 24 г по TD (в поперечном направлении). С другой стороны, ПЭВД имеет прочность на разрыв по Эльмендорфу 320 г по MD и 170 г по TD.

Какие типы материалов обладают высокой устойчивостью к разрыву?

В тканях синтетические волокна обладают более высокой устойчивостью к разрыву. Кевлар® и нейлон являются хорошими примерами чрезвычайной прочности гибких волокон на разрыв. Материалы парашютов изготавливаются из тонкого нейлона из-за серьезных последствий катастрофического отказа. Военные бронежилеты и мотоциклетная броня, как правило, изготавливаются из кевлара®, в котором сочетание низкой эластичности и огромного сопротивления растяжению делает ткань более жесткой, но прочной.

Среди эластомеров наибольшую устойчивость к разрыву имеют натуральные каучуки и содержащие их соединения. Это результат очень высокого удлинения при разрыве натурального (вулканизированного) каучука. Однако во многих случаях баланс свойств благоприятствует синтетическим каучукам, которые, как правило, более жесткие и долговечные.

Какие типы материалов имеют низкую устойчивость к разрыву?

Некоторые примеры материалов с низким сопротивлением разрыву:бумага, пленки ПВХ, термопластичные каучуки, силиконовые каучуки и ткани из натуральных волокон.

Что такое коэффициент доходности?

Коэффициент текучести на разрыв является мерой способности материала проявлять упругие и пластические деформации перед разрывом. Например, материалы, которые упруго деформируются под нагрузкой, восстанавливаются после снятия нагрузки. Если предел упругости превышен и произошла пластическая деформация, при разгрузке произойдет некоторое восстановление. Если материал порвется вскоре после достижения предела текучести, восстановление будет невозможно. Высокий коэффициент прочности на разрыв указывает на то, что материал склонен к разрушению при перегрузке в режиме разрыва.

Какое среднее значение прочности на разрыв подходит для 3D-печати?

Среднее значение прочности на разрыв, которое считается хорошим при 3D-печати, зависит от приложения. Абсолютная устойчивость к разрыву исходного материала, используемого при печати, может помочь пользователю оценить выбранную технологию печати и материал. Многие материалы, напечатанные на 3D-принтере, относительно слабы и хрупки. Прочность на разрыв может помочь понять поведение материала под нагрузкой. Относительная прочность на разрыв моделей, построенных в различных положениях машины, может значительно различаться. Если угроза разрыва проходит вдоль основного направления волокон, материал будет слабым. Например, в FDM тонкого сечения нити прочнее по длине, чем под углом 90° к этой оси. Выбор оптимальной ориентации сборки может оказать существенное влияние на функциональные свойства.