Ударная вязкость:определения, важность и методы точного измерения

Ударная вязкость — это мера способности материала противостоять растрескиванию, разрушению или пластической деформации при внезапном и интенсивном ударе или ударных нагрузках. Это важнейшее свойство, определяющее способность материала противостоять внезапным нагрузкам. Проектирование компонентов, которые будут подвергаться высоким ударным или ударным нагрузкам, зависит от понимания этих измерений, чтобы учесть потенциальные отказы. Ударная вязкость материала обычно определяется количественно с помощью теста IZOD или теста Шарпи. Это ориентировочные и стандартизированные тесты, используемые для оценки материалов. Однако они не являются репрезентативными для реального использования и предоставляют ограниченную информацию о циклической или реальной нагрузке. В этой статье будет описана ударная вязкость, способы ее расчета, ее важность, факторы, влияющие на нее, а также различные типы отказов от ударной вязкости.

Что такое ударная вязкость?

Ударная вязкость – это мера способности материала сопротивляться разрушению при ударе и импульсной нагрузке. Это применимо только к материалам, которые подвергаются хрупкому разрушению. Он также используется при испытании пластичных материалов, которые демонстрируют хрупко-пластичный переход в зависимости от температуры и/или импульса. Многие материалы, которые являются пластичными при «нормальных» нагрузках и условиях эксплуатации, могут проявлять хрупкость при охлаждении и/или внезапном ударе. Оценка такого поведения полезна при проектировании продукта и выборе материалов.

Какова важность ударной вязкости?

Понимание поведения материалов при ударе является важной частью проектной информации, которая определяет как выбор материала, так и детальное проектирование. Компоненты, которые могут пострадать от сильных импульсных (т. е. кратковременных) воздействий, должны быть устойчивы к катастрофическим последствиям, которые они могут создать.

Хорошая конструкция упругих изделий требует понимания различных характеристик поведения в дополнение к базовой ударной вязкости. Понимание таких свойств, как усталость, микроразрушение и смешанное пластичное/хрупкое поведение, также способствует уменьшению/избежанию производства изделий, которые преждевременно выходят из строя при эксплуатации. Срок службы особенно важен во многих областях. Это позволяет проводить профилактическое обслуживание и способствует пониманию процессов и графиков проверок для предотвращения сбоев.

Как рассчитывается или измеряется ударная вязкость?

Ниже перечислены два метода расчета ударной вязкости:

1. Испытание на удар по Шарпи

Тест Шарпи используется реже, чем тест IZOD, и позволяет измерить поглощенную энергию удара Шарпи V в джоулях. Это измеряется перемещением молотка после удара, поскольку оставшаяся энергия рассеивается при продолжающемся качании молотка.

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство по испытанию на удар по Шарпи.

Какие факторы влияют на ударную вязкость материалов?

Ниже перечислены факторы, влияющие на ударную вязкость материала:

1. Толщина материала

Более толстый материал будет влиять на прочность, обеспечивая больше структуры/связей, которые, возможно, придется разорвать для разрушения.

2. Температура

Многие материалы демонстрируют значительные изменения свойств при изменении температуры. Определение характеристик этих изменений является важной частью процесса определения/испытания материала, и испытания IZOD и Шарпи проводятся в диапазоне стандартных температур.

Металлы, в частности, имеют температуру отжига, при которой они могут стать более самовосстанавливающимися. Алюминий, например, отжигается при температуре 570°F, поэтому все границы кристаллов сливаются друг с другом, и материал становится очень пластичным. Некоторые материалы подвержены охрупчиванию при низких температурах. Многие материалы ослабевают по мере нагревания, при этом необычные переходы становятся очевидными при таких температурах, как начало стеклования.

3. Радиус выреза

Концентрация напряжений является основным фактором прочности материала. Надрез с острым концом будет способствовать разрушению, фокусируя напряжение в определенной точке, поэтому радиус надреза имеет решающее значение при сравнении испытаний одинаковых материалов.

Каковы различные типы нарушений ударной вязкости?

Ниже перечислены различные типы отказов от ударной вязкости:

1. Хрупкое разрушение

Хрупкий перелом – это разрушение образца материала на две или более частей. Эти детали можно соединить вместе, чтобы сформировать первоначальную форму/контур детали. Свежий и хрустящий крекер подвергается хрупкому разрушению.

2. Пластическое разрушение

Пластичный перелом – редкое явление. Виды пластического разрушения возникают, когда материал необратимо сужается (т. Е. Претерпевает пластическую деформацию) и в значительной степени. В общем, массивное пластическое разрушение образца для испытаний на растяжение выглядит как пластилин, из которого растянули шейку. Обычно за этим следует небольшой хрупкий перелом, который может аккуратно срастаться, а не доходить до тонкой нити.

3. Уступчивость

Податливость — это свойство эластичных материалов, которые достигают предела упругости, а затем подвергаются пластической деформации. При воздействии сил ниже предела текучести материал вернется к исходной форме/размерам после прекращения действия силы. С другой стороны, когда предел текучести или предел текучести превышен, материал подвергается некоторой пластичности (т.е. остаточной деформации). Когда сила будет снята, материал восстановит свою упругую деформацию, но не пластическую составляющую.

4. Небольшие трещины

Целью испытаний Шарпи и IZOD при правильном выполнении является разделение или разлом образца материала на две или более частей. Если образец поврежден лишь незначительно или частично, может оказаться целесообразным испытание с более высокой энергией или более глубоким надрезом. Разрушение может быть достигнуто за счет сочетания режимов:сдвига, пластичности и хрупкости. Типы отказов перечислены как:полный, шарнирный, неполный и неразрывный.

Как ударная вязкость связана с 3D-печатью?

Большинство пластиков, напечатанных на 3D-принтере, имеют значительно меньшую ударную вязкость, чем формованный или обработанный блок из того же материала. Это зависит от анизотропных свойств методов строительства, используемых для 3D-печати, и может в значительной степени зависеть от ориентации конструкции. Например, детали FDM обычно предлагают лучший интерьер. -слойное соединение, чем внутри -слой, поэтому модели имеют достаточную степень прочности в плоскости X-Y конструкции, но намного слабее по оси Z. Эта вариация/направленность в разной степени справедлива и для других типов моделей.

Какова идеальная ударная вязкость материала, напечатанного на 3D-принтере?

Идеальная ударная вязкость материала, напечатанного на 3D-принтере, варьируется в зависимости от характеристик материала. В целом ударная вязкость деталей, напечатанных FDM, например, из PLA, близка к нулю по оси Z и до 23 кДж/м2 по осям XY в тестах Шарпи.

Каковы применения ударной вязкости?

Хотя испытания на ударную вязкость не могут служить абсолютным ориентиром при проектировании компонентов, это необходимое масштабируемое измерение. Ниже перечислены некоторые применения ударной вязкости:

Относительная прочность материалов.
Режимы отказов в «нормальных» неблагоприятных условиях. Эти результаты могут помочь в процессе проектирования за счет улучшения жесткости и рассеивания энергии компонентов. Это помогает улучшить реальные эксплуатационные характеристики, например, за счет лучшей устойчивости к пластичным искажениям, которые могут предсказуемо возникнуть.
Понимание температурных характеристик, позволяющее выбирать материалы, соответствующие ожидаемым условиям работы детали.
Понимание других факторов окружающей среды, таких как воздействие/поглощение влаги и ее влияние на детали.

Каковы примеры ударной вязкости некоторых материалов?

Испытания на воздействие материалов – это область неоднозначных результатов. Не все испытания настолько строгие, насколько это должно быть. Производство материалов может привести к изменчивости, которая не будет очевидна до тех пор, пока не произойдет поломка. В металлах термическая обработка и возникающие в результате изменения кристаллической структуры могут иметь далеко идущие последствия, которые трудно понять или количественно оценить. Легирующие агенты также важны, хотя и менее скрыты. Наконец, производственные процессы могут настолько сильно изменить производительность, что базовые испытания материалов могут оказаться неинформативными. Хорошим примером является разница между кованой и литой стальной деталью, изготовленной из одного и того же материала. Сырьевой материал идентичен, но кованая деталь может быть на несколько порядков жестче, прочнее и устойчивее к разрушению.

Какова ударная вязкость пластика?

Ударная вязкость некоторых распространенных полимеров показана в Таблице 1 ниже:

Таблица 1. Ударная вязкость некоторых распространенных полимеров

Полимер

АБС - акрилонитрил-бутадиен-стирол

Минимальное значение IZOD (Дж/м2)

200