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ISO 178 權威指南

如何根據 ISO 178 進行塑料彎曲試驗

作者:Daniel Caesar

ISO 178 標題

由於塑料具有成本低、重量輕、耐腐蝕和通用性強等特點,在許多不同行業中都佔有重要地位。確定塑料的材料性能對於表徵其在實際應用中的預期行為非常重要。其中一個重要特性是塑料樣品在彎曲或撓曲時的應力和應變關係:換言之,即材料的彎曲性能。為了規範確定這一性能的國際標準化方法,國際標準化組織(ISO)制定了 ISO 178。

本指南旨在向您介紹 ISO 178 彎曲試驗的基本要素,並概述標準中涉及的試驗設備、試樣和結果。然而,任何計劃進行符合 ISO 178 標準試驗的人都不應將本指南視為閱讀完整標準的替代品。

它測量什麼?

塑膠中心圖示

ISO 178 是一種測試方法,通過在萬能試驗系統上進行三點彎曲試驗來確定剛性和半剛性塑料的彎曲性能。三點彎曲試驗在兩端自由支撐的矩形試樣中點施加力。施加的力由負荷傳感器測量,而產生的偏移則通過系統的橫梁位移(結果經系統柔度校正)或直接應變測量裝置來測量。ISO 178 中概述了四種試驗類型,每種類型都規定了偏移測量方法(即通過橫梁或直接應變傳感器)和相關的校準精度要求。

實驗室執行的 ISO 178 試驗類型是由其客戶的要求決定的,無論是內部客戶(如研發實驗室)還是外部客戶(如第三方試驗實驗室)。在購買試驗設備和進行試驗之前,確保識別並得到客戶同意您實驗室的具體要求非常重要。

ISO 178 是否是適合您的標準?

ISO 178 與 ASTM D790 非常相似,但在幾個關鍵點上有所不同:

  • ISO 178 要求使用撓度計柔度校正來確定模量。ASTM D790 允許僅通過橫梁位移計算模量。
  • 首選試樣尺寸不同,由於試驗速度取決於試樣深度,標準之間的試驗速度可能會有所不同。ISO 178 試樣的首選深度為 4 毫米,而 ASTM D790 試樣的首選深度為 3.2 毫米。
  • ASTM D790 只允許一種試驗速度,而 ISO 178 允許在測量模量後使用第二種(更快)試驗速度。

標本

ISO 178 試樣要麼按照 ISO 2818 從板材上加工,要麼按照 ISO 293/295 或 ISO 294-1/10724-1 通過壓縮或注射成型製備。首選試樣尺寸規定為:

  • 長度:80 毫米(± 2)
  • 寬度:10 毫米(± 0.2)
  • 厚度:4 毫米(± 0.2)

如果無法達到首選尺寸,ISO 178 提供了根據試樣厚度的替代寬度。如果材料具有各向異性,則需要測試兩個方向。

程序

由於相對較低的力量容量要求,ISO 178 試驗通常在台式萬能試驗系統上進行。試驗機必須能夠在標準規定的公差範圍內保持 1 至 500 毫米/分鐘之間的恆定試驗速度。Instron 的所有 3400 系列6800 系列試驗機都符合必要的速度精度要求。力測量裝置或負荷傳感器必須在要報告的力範圍內符合 ISO 7500-1 的 1 級要求。確保您的實驗室了解最小和最大試驗力非常重要,以便選擇具有適當力容量和驗證範圍的負荷傳感器。

ISO 178 試驗設置

ISO 178 試驗設置
6800 系列萬用測試系統
Bluehill Universal 軟體
2580 系列荷重元
三點彎曲夾具(2810-400)
撓度計柱塞(2810-403)

應變測量

應變測量
AVE2 非接觸式伸長計
AUTOX750 自動伸長計
2630 系列夾式伸長計

ISO 178 允許使用不同的偏移測量系統,具體取決於所需的結果及其相關精度。從精度最低到最高,允許的偏移測量類型包括橫梁位移、帶有柔度校正的橫梁位移,以及使用直接應變測量裝置。在 ISO 178 的 2010 年更新之前,偏移測量精度的誤差不得超過數值的 1%。然而,自 2010 年更新以來,操作者必須使用符合 ISO 9513 的 1 級撓度計,或使用能夠消除機器柔度的軟件。

無論您的實驗室需要什麼樣的偏移精度,Instron 都有解決方案可以滿足。所有配備 Bluehill® Universal 軟件的 3400 系列和 6800 系列試驗機都能夠從橫梁測量偏移,無論是否進行柔度校正。Instron 還提供一系列直接應變測量解決方案。一個常見的解決方案是安裝在柱塞上的夾式伸長計,即撓度計。最先進和最高產能的解決方案包括 AutoX750先進視頻伸長計(AVE2)

與系統的負荷傳感器類似,偏移測量裝置也必須在報告結果的操作範圍內進行驗證。特別是彎曲模量是在極小的偏移(低於 0.1 毫米)下計算的。確定試驗的最小和最大位移有助於正確指導驗證提供者。

 


ISO 178 伸長計

治具

進行 ISO 178 試驗需要三點彎曲夾具。該夾具包括安裝在移動橫梁上的加載上壓頭和帶有兩個可調壓頭的固定下支撐梁。Instron 的 2810-400 彎曲夾具完全符合夾具要求,可用於測試厚度達 3.0 毫米的試樣的 2.0 毫米半徑壓頭,或用於更厚試樣的 5.0 毫米半徑壓頭。支撐跨度要求基於試樣厚度的比率,這因被測試材料的剛度而異。可調壓頭允許操作者設置支撐跨度的距離,支撐梁上的刻度單位便於準確定位壓頭。使用應變裝置時,它還便於撓度計的居中。由於試樣對準可能導致結果的顯著變化,應注意確保每次試驗時試樣都保持一致的對準。Instron 彎曲夾具還配備了可根據試樣寬度調節的對準臂。

2810-400-01-16

5 kN 型號 | 2810-400

試樣測量

ISO 178 要求依照 ISO 16012 的規定,在試樣長度的中心點進行寬度和厚度測量。至少進行三次測量,並記錄寬度和厚度的平均值。Instron 的 Bluehill Universal 中的自動試樣測量裝置 (ASMD) 功能,讓操作員最多可將兩個測微計或測量裝置連接到電腦,並將測量值的平均值直接輸入到軟體中。這消除了操作員輸入錯誤的可能性,並提高了效率。

試驗方法

三點彎曲夾具的跨度(下壓頭之間的距離)配置為試樣厚度的函數。試驗的環境條件 - 例如低溫或高溫 - 取決於被測試的材料,應由實驗室和其客戶達成一致。在缺乏這些信息的情況下,ISO 291 提供指導。Instron 提供完全集成的環境箱以適應非環境溫度試驗。

ISO 178 規定了方法 A 和方法 B 來設置橫梁速度。方法 A 在整個試驗過程中使用單一速度,而方法 B 在初始模量區域使用一個速度,在試驗的剩餘部分使用第二個更高的速度。使用的恆定橫梁速度旨在估計指定的應變率。在預載荷程序之後,試樣被偏移直至斷裂或達到 5% 彎曲應變,以先發生者為準。在整個試驗過程中以足夠的數據採集率記錄力和偏移數據。

在設置試驗時,強烈建議有足夠的預載荷以確保準確和一致的應變測量。試驗開始前施加到試樣上的力直接影響計算的重複性。

材料試驗系統上的 ISO 178 設置

ISO 178 試驗設置

3400 系列萬能試驗系統


Bluehill Universal 軟體


2530 系列荷重元


三點彎曲夾具(2810-400)

結果

以下是 ISO 178 可報告的計算和結果列表:

  • 彎曲應力 – 施加載荷、跨度、試樣寬度和試樣厚度的函數。這與拉伸或壓縮應力(每單位面積的力)不同。
  • 彎曲應變 – 偏移、跨度和試樣厚度的函數。這與拉伸或壓縮應變(標距長度的變化與原始標距長度之比)不同。
  • 彎曲模量 – 在 0.05% 和 0.25% 彎曲應變之間的彎曲應力和彎曲應變的函數。可以在彎曲應力與彎曲應變曲線上的這些點擬合弦模量。
  • 彎曲強度 – 彎曲試驗過程中獲得的最大彎曲應力。
  • 斷裂時的彎曲應力 – 試樣斷裂時的彎曲應力。對於某些材料,試樣在屈服點之前斷裂,在這種情況下,彎曲強度等於斷裂時的彎曲應力。
  • 5% 彎曲應變時的彎曲應力 – 試驗結束時的彎曲應力,適用於試樣在 5% 彎曲應變內不斷裂的試驗。

 

產能

對於希望提高產能的實驗室,可以對系統設置進行多項修改。自動試樣測量裝置和試樣對準裝置都通過減少試驗操作者所需的手動輸入來提高試驗效率。完全自動化的試驗系統,如 Instron 的 AT3AT6,也可用於整合試樣測量、試樣裝載、試驗和移除。這些系統可以運行數小時而無需任何操作者互動。此外,這些系統有助於減少由人為錯誤造成的變異性。