Čo je pevnosť v ťahu? Definícia, jednotky, vzorec a testovacie metódy

Čo je pevnosť v ťahu? Definícia a hlavný význam

Pevnosť v ťahu je maximálne namáhanie v ťahu (ťahu), ktoré môže materiál vydržať pri naťahovaní predtým, než sa zlomí. Je to jedna z najčastejšie uvádzaných mechanických vlastností v strojárstve, pretože odpovedá na jednoduchú, ale kritickú otázku: akú veľkú axiálnu ťažnú silu môže časť prežiť, kým sa materiál oddelí? Pevnosť v ťahu sa vyjadruje v megapascaloch (MPa) alebo librách na štvorcový palec (psi) a meria sa ťahaním štandardizovanej vzorky, kým sa nerozbije.

Pre spracovateľa plastov nie je pevnosť v ťahu abstraktným laboratórnym číslom. Ak lisujete konzolu PA66 vystuženú sklenenými vláknami, ktorá ukotvuje bezpečnostný pás k rámu vozidla, pevnosť v ťahu vám povie maximálne axiálne ťahové zaťaženie, ktoré môže konzola uniesť, kým sa materiál podvolí a prípadne sa roztrhne. Konštruktéri a obstarávacie tímy používajú túto hodnotu na porovnanie kandidátskych polymérov, na výpočet minimálnej hrúbky steny a na rozhodnutie, či je pre danú aplikáciu potrebná štandardná alebo vylepšená trieda.

Pevnosť v ťahu má tiež jasné miesto na krivke napätie-deformácia. Keď sa aplikuje ťahové zaťaženie, materiál sa najprv elasticky deformuje, potom plasticky v tvárnych polyméroch, ako je nylon, a nakoniec sa zlomí. Napätie, pri ktorom dochádza k pretrhnutiu, je pevnosť v ťahu, často nazývaná konečná pevnosť v ťahu. Odlišuje sa od medze klzu, čo je napätie, pri ktorom začína trvalá deformácia, a tiež sa líši od pevnosti v lomu, čo je napätie zaznamenané v presnom okamihu zlomu vzorky. Pochopenie týchto troch hodnôt spoločne zabráni nákladným chybám pri výbere materiálu.

Ako sa meria pevnosť v ťahu?

Pevnosť v ťahu sa určuje pomocou univerzálneho testovacieho stroja. Vzorka v tvare činky, bežne nazývaná vzorka psej kosti, je upnutá medzi dve rukoväte. Stroj ťahá vzorku konštantnou rýchlosťou, zatiaľ čo silomer zaznamenáva silu a extenzometer zaznamenáva predĺženie. Test pokračuje, kým sa vzorka nezlomí. Maximálna sila zaznamenaná počas skúšky sa vydelí pôvodnou plochou prierezu meranej časti, aby sa získala pevnosť v ťahu vo vybranom jednotkovom systéme.

Výsledok do značnej miery závisí od testovacieho štandardu, geometrie vzorky, rýchlosti krížovej hlavy, teploty a vlhkosti. Plasty a kovy používajú rôzne normy a hodnoty nemožno priamo porovnávať, ak sa podmienky testu líšia. V tabuľke nižšie sú uvedené hlavné metódy skúšok ťahom používané pre inžinierske materiály.

Keď porovnávate údaje o pevnosti v ťahu na technickom liste nylonu, vždy si overte, ktorý štandard bol použitý. Hodnoty generované pomocou ASTM D638 a ISO 527 nie sú automaticky zameniteľné, pretože rozmery vzorky a testovacie rýchlosti sa líšia a režim zlyhania môže byť ovplyvnený stavom vlhkosti vzorky.

Kľúčové typy pevnosti v ťahu: Prieťažnosť, medza pevnosti a lom

Pojem pevnosť v ťahu sa často používa, akoby sa týkal jediného čísla. V praxi skúška ťahom vytvára najmenej tri odlišné hodnoty a každá z nich má iný technický význam.

Medza klzu

Medza klzu je napätie, pri ktorom sa materiál začne trvalo deformovať. Pre polyméry, ktoré nevykazujú jasnú medzu klzu, inžinieri používajú metódu 0,2% ofsetu: čiara rovnobežná s elastickou oblasťou je posunutá o 0,2% deformácie a jej priesečník s krivkou napätia-deformácie definuje offsetovú medzu klzu. Táto hodnota je základom pre väčšinu konštrukčných návrhov, pretože označuje hranicu obnoviteľnej deformácie.

Konečná pevnosť v ťahu

Medza pevnosti v ťahu je najvyššie napätie dosiahnuté na inžinierskej krivke napätie-deformácia. Pre tvárny nylon je to bod, v ktorom hrdlo začína koncentrovať deformáciu v lokalizovanej oblasti. Za týmto bodom sa vzorka ďalej predlžuje, ale únosnosť hrdlového prierezu klesá, až kým nedôjde k prasknutiu. Táto hodnota je najčastejšie uvádzaná ako pevnosť v ťahu na materiálových listoch.

Lomová sila

Lomová pevnosť je napätie zaznamenané v momente pretrhnutia. Vo vzorke z tvárneho nylonu je lomové napätie často nižšie ako konečná pevnosť v ťahu, pretože prierez sa počas zužovania stenčil. V krehkom materiáli, ako je PPA s vysokým obsahom skla, sú medzná pevnosť a medza pevnosti zvyčajne blízko seba. Rozpoznanie tohto rozdielu pomáha vysvetliť, prečo jeden materiál vykazuje dlhú plochú zónu prasknutia a iný sa náhle zlomí.

Pevnosť v ťahu vs. medza klzu vs. predĺženie pri pretrhnutí

V prípade lisovanej nylonovej spony, ktorá musí zapadnúť na miesto, vám predĺženie pri pretrhnutí povie, ako ďaleko sa môže spona ohnúť bez prasknutia. Medza klzu vám povie, či klip po opakovanom zasunutí natrvalo stratí svoju upínaciu silu. Pevnosť v ťahu vám hovorí o sile, pri ktorej sa svorka nakoniec oddelí. Všetky tri hodnoty pochádzajú z rovnakej skúšky ťahom, ale odpovedajú na rôzne technické otázky.

Praktický príklad: zaklapávací hák vyrobený z nevystuženého PA6 môže vykazovať pevnosť v ťahu 70 MPa a 40% predĺženie pri pretrhnutí, čo umožňuje montážnemu pracovníkovi ohnúť hák bez prasknutia. Nahraďte ho 45% sklom plneným PPA s pevnosťou v ťahu 250 MPa a predĺžením iba 1,5% a háčik sa pri montáži odtrhne napriek tomu, že je oveľa silnejší pri priamom ťahu. Preto sa hodnoty pevnosti vždy interpretujú spolu s ťažnosťou.

Jednotky pevnosti v ťahu a typické hodnoty materiálu

Pevnosť v ťahu sa v systéme SI uvádza v pascaloch (Pa), ale v inžinierskej praxi sa javí ako megapascaly (MPa), kde 1 MPa = 1 N/mm². Severoamerický trh často používa libry na štvorcový palec (psi). Jednoduchý prevod je 1 MPa = 145,038 psi a 1 ksi (1 000 psi) = 6,895 MPa. Keď dodávateľ uvádza hodnotu v inej jednotke, pred porovnaním stupňov ju preveďte.

Stav suchý ako vylisovaný (DAM) sa vzťahuje na čerstvo vyformovanú vzorku skladovanú v suchých podmienkach. Kondicionovaný stav sa dosiahne potom, čo materiál absorbuje vlhkosť do rovnováhy pri 50% relatívnej vlhkosti. Nylonové diely v prevádzke sú zvyčajne bližšie ku kondicionovanému stavu, takže spoliehanie sa iba na údaje DAM môže nadhodnotiť skutočnú pevnosť lisovaného komponentu.

Faktory, ktoré ovplyvňujú pevnosť v ťahu v nylonových materiáloch

Pre polyméry na báze nylonu nie je pevnosť v ťahu pevným číslom. Rovnaká trieda PA6 môže vykazovať veľmi rozdielne hodnoty ťahu v závislosti od vlhkosti, výstuže, teploty a podmienok spracovania. Pochopenie týchto premenných je nevyhnutné pri porovnávaní údajových listov alebo plánovaní lisovaného dielu.

Absorpcia vlhkosti

Nylon je hygroskopický a absorbovaná voda pôsobí ako zmäkčovadlo. Znižuje teplotu skleného prechodu, zvyšuje rázovú húževnatosť a znižuje pevnosť v ťahu a tuhosť. Typická nevystužená živica PA6 po dosiahnutí rovnováhy vlhkosti pri 50 % relatívnej vlhkosti klesne zo zhruba 75 MPa v suchom stave na približne 50 MPa. To je dôvod, prečo sú v technických listoch nylonu uvedené hodnoty za sucha aj s kondicionérom a prečo diely používané vo vlhkom prostredí musia byť navrhnuté podľa kondicionovaných hodnôt a nie čerstvo vylisovaných.

Vystuženie sklenenými vláknami

Pridanie 30 % hmotnostných sklenených vlákien zvyšuje pevnosť v ťahu PA66 z približne 85 MPa na približne 190 MPa, v závislosti od spojovacieho činidla a konečnej distribúcie dĺžky vlákna. Dobrá priľnavosť vlákna k matrici je kritická: pri slabom spojení sa vlákna vyťahujú pri malom namáhaní a prírastok pevnosti je malý. Z tohto dôvodu vylepšené druhy vyrábané riadeným miešaním zvyčajne vykazujú konzistentnejšie výsledky v ťahu ako bežné domáce zmesi.

Teplota

Pevnosť v ťahu klesá so stúpajúcou teplotou. Pri 80–100 °C si štandardný nevystužený PA6 zachováva len zlomok svojej pevnosti v ťahu pri izbovej teplote. V horúcich motorových priestoroch si inžinieri vyberajú tepelne stabilizované triedy alebo triedy na báze PPA. The výhody tepelnej stability čipov série PA6 vo vysokoteplotnom prostredí sú zahrnuté v samostatnej analýze, ale všeobecné pravidlo je jednoduché: akékoľvek porovnanie ťahu sa musí vykonať pri aplikačnej teplote, nielen pri 23°C.

Molekulová hmotnosť, kryštalinita a spracovanie

Vyššia molekulová hmotnosť zlepšuje zapletenie reťazcov, a preto zvyšuje predĺženie a húževnatosť, ale konečnú kryštalinitu určujú podmienky spracovania. Rýchle ochladenie vo forme vytvára menej kryštalický, mäkší materiál; správna teplota formy vytvára vyššiu kryštalinitu, ktorá zvyšuje pevnosť v ťahu a tuhosť. Každá história tepla tiež do určitej miery degraduje polymér, čo je dôvod, prečo recyklované prebrúsenie s viacerými tepelnými cyklami môže vykazovať merateľný pokles pevnosti v ťahu v porovnaní s pôvodným materiálom.

Prečo je pevnosť v ťahu dôležitá pri výbere PA6, PA66 a PPA

Keď procesor alebo materiálový inžinier porovnáva PA6, PA66 a PPA, pevnosť v ťahu je zvyčajne prvou vlastnosťou v údajovom liste. Je to tiež vlastnosť, ktorá najjasnejšie oddeľuje tri materiály. Ak potrebujete širší úvod do rodín polymérov, náš sprievodca čo je nylonový materiál podrobne vysvetľuje molekulárnu štruktúru PA6, PA66 a PPA.

PA6: Vyvážená sila, prietok a kvalita povrchu

PA6 ponúka vynikajúci vzhľad povrchu, dobrú húževnatosť a jednoduchšie spracovanie. V nevystuženej forme je jeho pevnosť v ťahu približne 70–80 MPa za sucha. Pre elektrické konektory, spotrebné spotrebiče a športové vybavenie si výrobcovia často vyberajú čipy PA6 vyššej triedy , ktoré kombinujú výstuž zo sklenených vlákien s úzkym viskozitným oknom pre stabilné tvarovanie a typické hodnoty ťahu v rozsahu 160–185 MPa.

Custom PA6 GF Materials Suppliers, Enhanced PA6 Chip Company Ningbo Frontechnic New Material Technology Co., Ltd je Čína dodávateľmi materiálov PA6 GF a vylepšená spoločnosť s čipmi PA6, profesionálna... Zobraziť produkt →

PA66: Vyššia pevnosť a tuhosť pre konštrukčné časti

PA66 má vyššiu teplotu topenia a vyššiu mechanickú pevnosť ako PA6. Nevystužený PA66 typicky dosahuje asi 85 MPa v stave lisovania za sucha a 30 % stupeň vystužený sklenenými vláknami dosahuje 185 – 210 MPa. Keď dizajn vyžaduje najvyššiu pevnosť v ťahu spomedzi štandardných nylonov, čipy PA66 vylepšenej triedy poskytujú pevnosť a rozmerovú stabilitu potrebnú pre automobilové konzoly, ozubené kolesá a konštrukčné kryty.

Dodávatelia čipov PA66 GF, spoločnosť s vylepšenými čipmi PA66 Ningbo Frontechnic New Material Technology Co., Ltd je Čína dodávateľmi čipov PA66 GF a spoločnosť s vylepšenými čipmi PA66, profesionálna ... Zobraziť produkt →

PPA: Zachovanie pevnosti v ťahu za tepla a vlhkosti

PPA alebo polyftalamid je semiaromatický polyamid. S 30 – 45 % skleneného vlákna dosahujú triedy PPA pevnosť v ťahu 200 – 280 MPa a čo je dôležitejšie, zachovávajú si vyššie percento tejto pevnosti v horúcich a vlhkých podmienkach ako PA6 alebo PA66. Toto je dôvod vylepšené PPA čipy sú určené pre vzduchové kanály turbodúchadla, časti chladiaceho systému a konektory v blízkosti zdrojov tepla. Mechanizmus tohto správania je vysvetlený v našom článku o prečo vylepšený PPA udržuje dlhodobú stabilitu v drsnom prostredí .

Dodávatelia vylepšených polyftalamidových plastových čipov PPA, spoločnosť Ningbo Frontechnic New Material Technology Co., Ltd je dodávateľom a spoločnosťou PPA polyftalamidových plastových čipov s vylepšeným PPA, Profesia... Zobraziť produkt →

Bežné mylné predstavy o pevnosti v ťahu

Vyššia pevnosť v ťahu vždy znamená lepšiu časť

Pevnosť zvyčajne prichádza na úkor ťažnosti. Vysoko plnená trieda s pevnosťou v ťahu 280 MPa sa môže pred pretrhnutím predĺžiť len o 1–2 %, zatiaľ čo tvrdený nylon s pevnosťou v ťahu 50 MPa sa môže natiahnuť o 40–60 %. Pre zostavy so zaklapnutím a diely náchylné na náraz môže byť ťažnosť dôležitejšia ako surová pevnosť v ťahu. Najsilnejšia trieda nie je automaticky najlepšou triedou pre konkrétnu geometriu.

Samotná pevnosť v ťahu predpovedá životnosť

Skutočné diely zlyhávajú v dôsledku únavy, tečenia, praskania v dôsledku napätia a nárazu, nielen v dôsledku jedného statického ťahu. Pevnosť v ťahu opisuje jeden test pri nízkej rýchlosti pri izbovej teplote. Diel môže zostať hlboko pod hranicou ťahu a stále môže zlyhať pri cyklickom zaťažení po tisíckach cyklov, alebo môže zlyhať v priebehu týždňov pri konštantnom trvalom zaťažení. Dizajn pre režim načítania, nielen pre maximum údajového listu.

Hodnoty údajového listu budú zodpovedať vašej lisovanej časti

Pevnosť v ťahu sa meria na štandardizovanej vzorke činky. V skutočnom vstrekovanom diele sa sklenené vlákna orientujú pozdĺž smeru toku, zvarové línie vytvárajú slabé miesta a zvyškové napätie znižuje lokálnu pevnosť. Skutočná lokálna sila v kritických zónach môže byť o 20–40 % nižšia ako hodnota v údajovom liste. Testovanie prototypov je stále potrebné pre časti kritické z hľadiska bezpečnosti.

Pri výbere materiálu je dôležitá iba pevnosť v ťahu

Tuhosť (modul v ťahu), rázová húževnatosť, tepelná odolnosť a predĺženie sú rovnako dôležité. Ozubené koleso, ktoré drží pri skúške ťahom, môže zlyhať v koreni zuba v dôsledku únavy z ohybu a puzdro s vynikajúcou pevnosťou v ťahu môže pri páde prasknúť. Vždy si prečítajte celý súbor vlastností spolu s hodnotou pevnosti v ťahu.

Často kladené otázky o pevnosti v ťahu

Aký je rozdiel medzi pevnosťou v ťahu a medzou klzu?

Medza klzu je napätie, pri ktorom sa materiál začne trvalo deformovať. Pevnosť v ťahu je maximálne napätie, ktoré môže materiál niesť pred zlomením. Pre tvárny polymér, ako je nylon, je medza klzu zvyčajne nižšia ako konečná pevnosť v ťahu; pre krehké materiály môžu byť tieto dve hodnoty takmer totožné. Konštruktéri používajú medzu klzu na nastavenie limitu pracovného zaťaženia a pevnosť v ťahu na vyhodnotenie limitu porušenia.

V akých jednotkách sa meria pevnosť v ťahu?

Megapascaly (MPa) sú štandardnou jednotkou vo väčšine technických údajov, pričom 1 MPa = 1 N/mm². Severoamerický trh bežne používa libry na štvorcový palec (psi) alebo kilolibry na štvorcový palec (ksi). Ak chcete previesť, vynásobte MPa číslom 145,038, aby ste dostali psi, alebo vydeľte psi číslom 145,038, aby ste získali MPa.

Ako vypočítate pevnosť v ťahu zo skúšky ťahom?

Zaznamenajte maximálnu silu pôsobiacu počas skúšky a vydeľte ju pôvodnou plochou prierezu meracej časti. Vzorec je pevnosť v ťahu = maximálna sila / pôvodná plocha prierezu. Pretože použitá oblasť je pôvodná oblasť, výsledkom je skôr hodnota inžinierskeho napätia než skutočná hodnota napätia.

Znižuje vlhkosť pevnosť v ťahu nylonu?

áno. Nylon absorbuje vodu a absorbovaná vlhkosť pôsobí ako plastifikátor. Typická vzorka PA6 v suchom stave môže vykazovať asi 75 MPa, zatiaľ čo rovnaký stupeň kondicionovania na 50% rovnováhu relatívnej vlhkosti môže klesnúť na zhruba 45–55 MPa. To je dôvod, prečo nylonové technické listy vždy uvádzajú hodnoty suchého aj upraveného stavu.

Aká je pevnosť v ťahu PA66 vystuženého sklenenými vláknami?

Typ PA66 s 30 % skleneného vlákna zvyčajne vykazuje 185–210 MPa, merané za sucha po lisovaní, v závislosti od spojovacieho systému a podmienok spracovania. Podmienená hodnota je nižšia, často v rozsahu 120–150 MPa, ale stále oveľa vyššia ako nevystužená PA66. Táto kombinácia robí z GF30 PA66 bežnú voľbu pre konštrukčné automobilové a priemyselné diely.

Je možné zlepšiť pevnosť v ťahu bez pridania sklenených vlákien?

Áno, v obmedzenej miere. Zvýšenie kryštalinity reguláciou teploty formy, zvýšením molekulovej hmotnosti alebo zmiešaním so semiaromatickým polyamidom, ako je PPA, môže zlepšiť pevnosť. Vystuženie sklenenými vláknami však zostáva najefektívnejším a najhospodárnejším spôsobom, ako dosiahnuť veľké a spoľahlivé zvýšenie pevnosti v ťahu.

Praktické tipy na vyhodnotenie údajov o pevnosti v ťahu

Keď vám dodávateľ pošle údajový list alebo správu o materiáli, použite nasledujúci kontrolný zoznam, aby ste sa vyhli porovnávaniu hodnôt, ktoré nie sú porovnateľné.

1. Potvrďte testovaciu normu. Hodnoty z ASTM D638 a ISO 527 nie sú automaticky porovnateľné, pretože geometria vzorky a testovacie rýchlosti sa líšia.
2. Odčítajte hodnoty suchého a upraveného stavu spolu. Pre nylonové diely v normálnom vzduchu je upravená hodnota bližšie k prevádzkovému výkonu.
3. Skontrolujte testovaciu rýchlosť. Rýchlejší ťah vytvára vyššiu nameranú pevnosť v ťahu v tvárnych polyméroch.
4. Pozrite sa na predĺženie pri pretrhnutí a modul v ťahu v tej istej správe. Tieto dve čísla vám hovoria, či je materiál tvárny a tuhý, nie jednoducho pevný.
5. Porovnajte hodnoty pri teplote vašej aplikácie. Pevnosť v ťahu pri 23 °C nepredstavuje výkon pri 80 °C v motorovom priestore.
6. Pred hromadnou výrobou si vyžiadajte protokol o teste šarže. Pevnosť v ťahu sa môže medzi jednotlivými šaržami posunúť, keď sa mení molekulová hmotnosť alebo množstvo prísad.

Pevnosť v ťahu je východiskovým bodom, nie celým príbehom. Keď to skombinujete s medzou klzu, predĺžením pri pretrhnutí, modulom v ťahu, podmienenými testovacími údajmi a správnou triedou materiálu, získate reálny obraz o tom, ako sa bude diel správať pri zaťažení. Táto kombinácia, nie jedno číslo, je to, čo oddeľuje spoľahlivú nylonovú časť od tej, ktorá zlyhá na začiatku prevádzky.