Ударная вязкость: определения, значение и точные методы измерения

Ударная вязкость — мера способности материала сопротивляться трещинам, разрывам или пластической деформации под внезапным интенсивным ударом или ударными нагрузками. Критическое свойство, определяющее устойчивость к внезапным силам. Проектирование компонентов под высокие ударные/шоковые нагрузки требует понимания этих измерений для предупреждения потенциальных сбоев. Ударная вязкость обычно kvantифицируется тестами ИЗОД или Шарпи — индикативными стандартизированными тестами для градации материалов. Но они не отражают реальную эксплуатацию и дают ограниченную информацию о циклических/реальных нагрузках. Статья описывает ударную вязкость, расчет, значение, влияющие факторы и типы ударных сбоев.

Что такое ударная вязкость?

Ударная вязкость — мера способности материала сопротивляться разрыву под шоковой и импульсной нагрузкой. Применима только к материалам, претерпевающим хрупкий разрыв. Также используется для вязких материалов с температурно-зависимым и/или импульсно-зависимым хрупко-вязким переходом. Многие материалы, вязкие под «нормальной» нагрузкой/эксплуатацией, могут показывать хрупкое поведение при холоде и/или внезапном ударе. Оценка этих поведений информативна для дизайна продукта и выбора материала.

Значение ударной вязкости

Понимание ударного поведения материалов — критическая проектная информация, управляющая выбором материала и детальным дизайном. Компоненты, подверженные высоким импульсным (короткопериодным) ударам, должны сопротивляться катастрофическим эффектам.

Хороший дизайн устойчивых продуктов требует понимания, помимо базовой ударной вязкости, свойств: усталости, микротрещин, смешанных вязко-хрупких поведений — для снижения/предупреждения преждевременных отказов в эксплуатации. Ресурс особенно важен во многих областях. Позволяет плановое ТО и понимание процессов/расписаний инспекций для предотвращения сбоев.

Как рассчитывается или измеряется ударная вязкость?

Два метода расчета:

1. Тест Шарпи на удар

Менее распространен, чем ИЗОД, дает поглощенную энергию Шарпи V-удар в Джоулях. Измеряется пост-ударным перемещением молота — остаточная энергия диссипируется в продолжении качания.

Подробнее — в полном руководстве по тесту Шарпи.

Факторы, влияющие на ударную вязкость материалов

1. Толщина материала

Толстый материал влияет на прочность за счет большей структуры/связей, которые нужно разорвать для разрыва.

2. Температура

Многие материалы показывают значительные изменения свойств при смене температуры. Характеризация этих изменений — критическая часть определения/тестирования материала, оба теста ИЗОД и Шарпи проводят при ряде стандартных температур.

Металлы, в частности, имеют температуру отжига, где становятся более самоисцеляющимися. Алюминий отжигает при 570 °F — кристаллические границы сливаются, материал становится очень вязким. Некоторые материалы хрупкеют при низких температурах. Многие ослабевают при нагреве, с необычными переходами при температуре начала стеклового перехода.

3. Радиус надреза

Концентрация напряжений — главный фактор прочности. Острый надрез способствует разрыву, фокусируя напряжение в точке — радиус надреза критичен для сравнения тестов схожих материалов.

Типы ударных сбоев вязкости

1. Хрупкий разрыв

Образец раскололся на 2+ части, которые можно сложить обратно в исходную форму/контур. Сухая сухарика ломается хрупко, когда свежая и хрустящая.

2. Вязкий разрыв

Редко. Вязкий режим отказа — когда материал необратимо уzieht (пластическая деформация) сильно и экстенсивно. Массивный вязкий отказ в образце на растяжение выглядит как пластилин, вытянутый в шею. Обычно за этим следует небольшой хрупкий разрыв, который аккуратно складывается — а не вытягивается в нить.

3. Текучесть (Yielding)

Особенность эластичных материалов, достигающих эластичного предела и претерпевающих пластическое искажение. Силы ниже точки текучести — материал возвращается в форму/размеры при снятии нагрузки. Превышение точки текучести/предела — пластическая (постоянная) деформация. При снятии силы — эластичное искажение восстанавливается, пластическое — нет.

4. Небольшие трещины

Цель ИЗОД и Шарпи при правильном выполнении — разрыв образца на 2+ куска. Если только слегка поврежден/частично сломан — может подойти тест с выше энергией или глубже надрезом. Отказ может быть смешанным — сдвиг, вязкий, хрупкий. Типы: полный разрыв, шарнирный, неполный, без разрыва.

Как ударная вязкость относится к 3D-печати?

Большинство 3D-печатных пластиков показывает значительно ниже ударную вязкость, чем литой или механически обработанный блок того же материала. Это функция анизотропных свойств конструкционных методов 3D-печати и значимо зависит от ориентации постройки. Например, FDM-детали дают обычно лучшее inter-слоевое сцепление (межслойное), чем intra-слоевое (внутрислойное), поэтому модели имеют разумную прочность в плоскости X-Y постройки, но намного слабее по оси Z. Эта направленность верна для других типов моделей в разной степени.

Какая идеальная ударная вязкость для 3D-печатного материала?

Вариабельна по материалу. В целом, ударная вязкость FDM-деталей из PLA близка к нулю по оси Z и до 23 кДж/м² по осям X-Y в тестах Шарпи.

Применение ударной вязкости

Хотя тестирование ударной вязкости не дает абсолютной опоры в дизайне компонентов, это необходимое измерительное измерение. Применения:

1. Относительная прочность материалов.
2. Режимы отказа под «нормальными» неблагоприятными условиями. Результаты информируют дизайн: повышение жесткости и диссипации энергии для компонентов. Улучшение реальной производительности, например, лучшая толерантность к предсказуемой вязкой деформации.
3. Понимание температурной производительности — выбор материалов под ожидаемые рабочие условия.
4. Понимание других экологических факторов: воздействие/впитывание влаги и эффект на детали.

Примеры ударной вязкости материалов

Материаловедческое ударное тестирование — область смешанных результатов. Не все тестирование столь же строгое. Производство материалов может вносить вариативность, невидимую до отказа. В металлах термообработка и результирующие изменения кристаллической структуры могут иметь далеко идущие эффекты, трудно понять или количественно оценить. Легирующие добавки похоже важны, но менее скрыты. Наконец, производственные процессы могут так менять производительность, что базовое тестирование материала становится неинформативным. Хороший пример — разница между кованым и литым стальным деталями из одного материала. Сырой материал идентичен, но кованая деталь может быть на порядки жестче, прочнее и устойчивее к разрыву.

Ударная вязкость пластиков

Ударная вязкость распространенных полимеров в Таблице 1:

Полимер	Мин ИЗОД (Дж/м²)	Макс ИЗОД (Дж/м²)
ABS — Акрилонитрил-Бутадиен-Стирол	200	215
ASA — Акрилонитрил-Стирол-Акрилат	100	600
HDPE — Высокоплотный полиэтилен	20	220
HIPS — Высокоударный полистирол	50	350
LDPE — Низкоплотный полиэтилен	999	999
LLDPE — Линейный низкоплотный полиэтилен	54	999
PA 66 — Полиамид 6-6	50	150
PBT — Полибутилентерефталат	27	999
PC — Поликарбонат	80	650
PET — Полиэтилентерефталат	140	140
PETG — Полиэтилентерефталат гликоль	50	50
PMMA — Полиметилметакрилат/Акрил	10	25
POM — Полиоксиметилен (Ацетал)	60	120
PP — Полипропилен 10–20% стекловолокно	50	145
PTFE — Политетрафторэтилен	160	200
PVC Жесткий	20	110

Источник таблицы: https://omnexus.specialchem.com/

Часто задаваемые вопросы об ударной вязкости

Какой металл с наивысшей ударной вязкостью?

В исследовательских результатах максимальное значение теста Шарпи (~450 Дж) — для металлического композита: ламинированный блок чередующихся листов горячекатаных ферритных и мартенситных сталей.

Какое устройство измеряет ударную вязкость?

В ИЗОД и Шарпи образец ударяет качающийся молот с регулируемой энергией (вес боба). В ИЗОД образец зажимается с одного конца, вертикально, может быть с надрезом или (редко) без. Надрез может смотреть к молоту или от него. Измерения в принципе мало варьируют, но консистентность в цикле тестов важна. В Шарпи образец мостит горизонтальный зазор между двумя опорами. Молот качается между ними, тяжелее для более прочных материалов.

Разница между ударной вязкостью и пределом прочности на растяжение?

Ударная вязкость — способность компонента сопротивляться искажению и разрыву при латеральном ударе при опоре одного или обоих концов. Растяжение — продольная нагрузка на один конец образца, другой жестко зажат в 2D-коллете. Растяжение — четкая мера с лучше kvantифицированным выходом, переводимой в простую расчетную прочность на растяжение для компонентов.

Подробнее — в полном руководстве по пределу прочности на растяжение.

Резюме

Статья представила ударную вязкость, объяснила суть и обсудила значение в производстве. Узнайте больше об ударной вязкости у представителя Xometry.

Xometry предоставляет широкие производственные возможности: 3D-печать и другие ценностные сервисы для прототипирования и производства. Посетите сайт для информации или бесплатной котировки без обязательств.

Отказ от ответственности

Информация только для ознакомления. Xometry не гарантирует точность, полноту или достоверность. Параметры производительности, допуски, особенности дизайна, качество материалов или процессы не должны считаться представлением о поставках сторонних поставщиков через сеть Xometry. Заказчики отвечают за определение требований. См. условия использования.