工程塑料三點彎曲試驗相關問題

1為什么我的彎曲強度結果和供應商/其他實驗室的結果差那么大？

2為什么我的模量結果和別人的差那么大？

3彎曲模量必須用撓度計嗎？

以上是關于塑料的三點彎曲測試，我們經常被問及的問題。如何來辨別數據差異的原因，獲得正確的，可比較的測試數據，是我們一直致力于幫助客戶解決的問題。由于篇幅的原因，本文針對大家*關心的彎曲強度和彎曲模量這兩個測試結果中的彎曲強度來談一談如何分析有疑問的結果是否正確，及注意事項。

為什么我的彎曲強度結果和供應商/其他實驗室的結果差那么大？

針對這個問題，我們首先從彎曲應力的定義出發(fā)。彎曲應力與力，跨度以及試樣尺寸相關。所以，我們要考慮力的測量準確性，即力傳感器的測量值是否準確；軟件中是否把試樣的初始受力清零了；跨度設置是否正確；尺寸測量等問題。另外，還有就是速度對結果的影響。力傳感器的測量值是否準確可以通過計量來確定，我們主要討論幾點*常見的問題。

試樣尺寸測量

比較常見的原因之一是試樣尺寸測量。部分用戶在做測試時，直接采用標準試樣尺寸，即10.0mm寬度和4.0mm厚度。但是，事實上，很多時候，注塑試樣的尺寸并不能很**的正好是10.0mm寬×4.0mm厚。這時候，在彎曲試驗中測量試樣尺寸時要特別注意。尤其是試樣厚度會以平方的形式參與彎曲應力的計算，測量誤差也是平方的。即使一個厚度為4.0 mm（標稱）的試樣的測量誤差僅為0.1 mm，也會導致彎曲應力有約5%的誤差。

圖1 試樣尺寸變化引起的彎曲強度差異

試樣尺寸不僅僅是要測量，還要正確測量。試樣尺寸的測量精度，接觸面尺寸等都需按照標準要求進行。由于注塑樣品會有拔模角，且冷卻過程不同造成試樣會有凹痕，對于這類樣品的寬度和厚度測量，就不能用卡尺，而需要用精度達到±0.01mm的螺旋測微器，這樣才能如圖2所示進行正確的測量。同時，螺旋測微器測頭可以有不同的幾何形狀，但對于球面測頭，其半徑應≥50mm。推薦使用平接觸面。圓柱形測頭的表面直徑應為1.5mm≤φ≤6.4mm范圍內，而矩形測頭的長邊應在4mm到6.4mm之間。

圖2 注塑樣品正確的尺寸測量方式

為了提高測試效率，減少人為因素導致的錯誤，建議采用試樣尺寸自動測量裝置（ASMD,圖3）。ASMD可將直接將試樣尺寸自動輸入到Bluehill軟件中，并通過軟件計算平均值，無需手動計算和輸入數據，減少人為的錯誤風險。

彎曲強度σ_fB/彎曲應力σ_fc

對于這個問題，我們先來看下您的材料所測得的曲線類型。圖4是ISO 178-2019標準中列出的三種典型的彎曲應力-彎曲應變（撓度）曲線圖。曲線a代表在屈服之前斷裂的試樣，即脆性試樣，比如纖維增強材料。曲線b代表出現(xiàn)*大力后，在規(guī)定撓度前破壞的試樣。曲線c代表在達到規(guī)定撓度前既沒有出現(xiàn)*大力也沒有破壞的試樣。

圖3典型的彎曲應力-彎曲應變（撓度）曲線圖

如果您的試樣曲線是曲線a或b，也就是說，您的測試過程中是明確出現(xiàn)了*大力的，那么彎曲強度也是確定的。但如果您的試樣曲線是曲線c這類的，有一點經常被忽略，那就是標準規(guī)定測試到試樣斷裂或應變達到5%停止。那么，試驗停止了，但是試樣沒有斷，怎么取彎曲強度呢？這時候就要關注到另外一個術語“在規(guī)定撓度時的彎曲應力σ_fc”，也就是3.5%彎曲應變對應的彎曲應力。當彎曲應變超過3.5%還未出現(xiàn)*大力時，就需要用在3.5%時的彎曲應力替代彎曲強度。當您的材料是柔軟的延性材料時，一方采用規(guī)定撓度時的彎曲應力，一方一直測試到出現(xiàn)*大彎曲應力作為彎曲強度，結果必然有較大差異。

測試速度

*后，我們還需要考慮的一點，就是測試速度可能不同。由于塑料的粘彈性，其力學性能對使用的測試速度敏感。比如您采用ISO 178:2019方法A，全程采用2mm/min的應變速率測彎曲應力，而您的供應商采用方法B，采用2mm/min測定彎曲模量后，根據材料的韌性選擇10mm/min或100mm/min測定彎曲應力-應變曲線的剩余部分時，獲得的彎曲強度或規(guī)定撓度時的彎曲應力也會有大的差異。

表1來自于ISO 178:2019附錄B。從表1中ASA和PBT-GF30兩種材料在不同測試速度下的測試結果就可以看出，隨測試速度增加，彎曲強度或規(guī)定撓度時的彎曲應力增大。

表1 測試速度的變化對彎曲性能測量值的影響

如果您在測試中也遇到了一樣的問題，但無從下手，不妨跟著本文一步一步排查。

下一期我們將就彎曲模量的結果差異和測量問題展開分析。如果您有更多問題，歡迎留言，我們可以進行更多的探討。如有不足之處，請指正。