ISO 178 权威指南

如何按照 ISO 178 执行塑料挠曲测试

作者:Daniel Caesar

 ISO 178 标头

塑料不仅成本低、重量轻、耐腐蚀,而且用途广泛,因此对很多行业十分重要。测定塑料的材料性能并据此说明它们在实际应用中展现的预期性能,这一点十分重要。其中的一个重要性能是塑料试样弯折时,应力与应变之间的关系,即塑料的挠曲性能。为规范用于测定这一性能的国际标准化方法,国际标准化组织 (ISO) 编制了 ISO 178。

本指南旨在向您介绍 ISO 178 挠曲测试的基本要素,并概述该标准涉及的测试设备、试样和结果。但是,计划进行 ISO 178 测试的任何人员都不应认为参阅本指南后便不必再阅读完整标准

该标准测量什么?

ISO 178 测试方法旨在使用通用测试系统进行三点弯曲测试,从而测定刚性和半刚性塑料的挠曲性能。进行三点弯曲测试时,会在矩形试样的中点施加力,该试样在两端获得自由支撑。施加的力采用载荷传感器来测量,产生的挠度根据该系统的十字头位移(结果经过系统柔度修正)或使用直接应变测量装置来测量。ISO 178 中概述了四种测试类型,每种都规定了相应的挠度测量方法(即通过十字头或直接应变传感器来测量)和相关的校准精度要求。

无论是内部实验室(例如研发实验室)还是第三方测试实验室等外部实验室,具体采用何种 ISO 178 测试类型,均取决于客户要求。重要的是确保在采购测试设备和执行测试前,与客户协商确定实验室的具体要求。

ISO 178 标准是否适合您?

ISO 178 与 ASTM D790 非常相似,但主要的不同之处在于:

  • ISO 178 要求使用挠度计或通过柔度修正来测定模量。ASTM D790 允许仅根据十字头位移计算模量。
  • 首选试样的尺寸不同,测试速度取决于试样深度,因此这两个标准的测试速度存在差异。ISO 178 采用的试样首选深度为 4 mm,而 ASTM D790 采用的试样首选深度为 3.2 mm。
  • 测量模量后,ASTM D790 仅允许采用一种测试速度,而 ISO 178 允许采用第二种更快的测试速度。
试样

ISO 178 采用的试样通过与 ISO 2818 要求相符的片材加工制成,或根据 ISO 293/295 或 ISO 294-1/10724-1,分别通过压缩或注射成型制成。规定的首选试样尺寸如下所示:

  • 长度:80 mm (± 2)
  • 宽度:10 mm (± 0.2)
  • 厚度:4 mm (± 0.2)

如果无法达到首选尺寸要求,可采用 ISO 178 中根据试样厚度规定的备选宽度。如果材料为各向异性材料,两个方向均应接受测试。

测试步骤

由于力容量要求相对较低,ISO 178 测试通常使用台式通用测试系统进行。测试机必须能够保持每分钟 1 至 500 mm 的恒定测试速度(采用该标准规定的公差范围)。英斯特朗 3400 系列6800 系列的所有机型均满足所需的速度和精度要求。测力装置或载荷传感器报告的力值范围必须符合 ISO 7500-1 的 1 类要求。重要的是确保实验室人员了解最小和最大测力要求,以便选择具有相应力容量和验证范围的载荷传感器。

ISO 178 测试装置

ISO 178 测试设置

1. 英斯特朗 6800

2. Bluehill Universal 仪表板 (2490-696)

3. 2580 系列载荷传感器

4. 3 点弯曲工装 (2810-400)

5. 挠度计柱塞 (2810-403) 

 

引伸计
 应变测量

1. AVE2 非接触式引伸计

2. AUTOX750 自动引伸计

3. 2630 系列夹式引伸计

 

ISO 178 允许根据所需结果及其相关精度使用不同的挠度测量系统。从最低精度到最高精度,允许的挠度测量类型为十字头位移、带有柔度修正的十字头位移,以及使用直接应变测量装置。在 2010 年 ISO 178 更新之前,挠度测量精度的误差不能超过值的 1%。但是,自 2010 年更新以来,操作员必须使用符合 ISO 9513 的 1 类挠度计,或使用能够从结果中移除机器柔度的软件。

无论您的实验室需要何种挠度精度,英斯特朗均有可满足其要求的解决方案。所有 3400 系列和 6800 系列测试机架均配备 Bluehill® Universal 软件,无论是否进行柔度修正,均能够测量十字头的挠度。英斯特朗还提供一系列直接应变测量解决方案。一个常见的解决方案是安装在柱塞上的夹式引伸计,或挠度计。最先进和最高测试量的解决方案包括 AutoX750高级视频引伸计 (AVE2)。

与系统的载荷传感器类似,挠度测量装置也必须在报告结果的操作范围内进行验证。特别是挠曲模量,是在非常小的挠度(小于 0.1 mm)下计算得出。这样有助于确定测试的最小位移和最大位移,从而能够正确地指导验证提供者。

ISO 178 引伸计

工装

针对 ISO 178 的测试需要三点弯曲工装。此工装由安装在移动十字头上的载荷上砧和带有两个可调铁砧的固定下部支撑梁组成。英斯特朗的 2810-400 挠曲工装完全符合工装要求,可与半径为 2.0 mm 的铁砧配合使用,用于测试厚度达 3.0 mm 的试样,或测试更厚试样的 5.0 mm 半径的铁砧。支承跨距要求基于试样厚度的比率,该比率因被测材料的刚度而异。可调铁砧允许操作员设置支承跨距的距离,并在支撑梁上设有刻度长度单位,以利于准确定位铁砧。它还允许在使用应变设备时轻松对中挠度计。由于试样对准会导致结果发生重大变化,必须谨慎以确保每次测试的试样均得到一致对准。英斯特朗弯曲工装还配有可根据试样宽度进行调节的对准臂。

2810-400
5 kN 型号 | 2810-400
试样测量

ISO 178 要求根据 ISO 16012 在试样的长度中心进行宽度和厚度测量。至少进行三次测量,并记录宽度和厚度的平均值。使用 Bluehill Universal 中英斯特朗的自动试样测量装置 (ASMD) 功能,操作员可以将最多两个千分尺或测量装置连接到计算机,让它们将测量值的平均值直接输入软件中。这样可消除出现操作员输入错误的可能性,并提高效率。

测试方法

三点弯曲工装的跨距(不同下砧之间的距离)配置为试样厚度的函数。例如,测试的环境条件(如低温或高温)取决于受测材料,并应由实验室及其客户商定。ISO 291 在没有此信息的情况下提供指导。英斯特朗提供完全集成的环境箱,以适应非环境测试。

ISO 178 指定方法 A 和方法 B 来设置十字头的速度。方法 A 在整个测试过程中使用单一速度,而方法 B 在初始模量区域使用一个速度,在其余测试过程中使用第二个更高的速度。使用的恒定十字头速度旨在估计指定的应变率。按照预加载程序,测试试样会发生挠曲,直到断裂或 5% 挠曲应变,以先发生者为准。在整个测试过程中,以足够的数据采集速率记录力和挠度数据。

在设置测试时,强烈建议进行充分的预加载,以确保精确且一致的应变测量。在开始测试之前在试样上施加的力的大小会直接影响计算的可重复性。

ISO 178 测试装置

ISO 178 测试设置

1. 英斯特朗 3400

2. Bluehill Universal 仪表板 (2490-696)

3. 2530 系列载荷传感器

4. 3 点弯曲工装 (2810-400)

5. 挠度计柱塞 (2810-403) 

 

结果

以下是可针对 ISO 178 报告的计算和结果列表:

  • 挠曲应力 – 所施加载荷、跨距、试样宽度和试样厚度的函数。它与拉伸或压缩应力不同,后者是单位面积上的力。
  • 挠曲应变 – 挠度、跨距和试样厚度的函数。它与拉伸或压缩应变不同,后者是标距长度相对于原始标距长度的变化。
  • 挠曲模量 – 挠曲应力和挠曲应变的函数,介于 0.05% 到 0.25% 挠曲应变之间。可以在挠曲应力与挠曲应变曲线上的那些点处拟合弹性模量。
  • 挠曲强度 – 在弯曲测试期间获得的最大挠曲应力。
  • 断裂挠曲应力 – 试样断裂时的挠曲应力。对于某些材料,试样会在达到屈服点之前断裂,这种情况下的挠曲强度与断裂挠曲应力相等。
  • 5% 挠曲应变时的挠曲应力 – 测试结束时的挠曲应力,用于试样在 5% 挠曲应变内不断裂的测试。

 

测试量

对于希望提高测试量的实验室,可以对系统设置进行多次修改。自动试样测量装置和试样对准装置均通过减少测试操作员所需的手动输入量来提高测试效率。另外还提供全自动测试系统,比如英斯特朗的 AT3AT6,旨在整合试样测量、试样加载、测试和移除功能。这些系统可以在不需要任何操作人员互动的情况下运行数小时。此外,这些系统还有助于减少人为错误造成的变化。

本指南有帮助吗?

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AutoX 750 是一款高分辨率、长行程自动接触式引伸计。可以将其安装到任何机电 3300、3400、5500、5900 或 6800 台式和落地式系统上,以及 LX、DX、HDX 和 KPX 静态液压测试系统上。它非常适合涉及塑料、金属、生物医学、复合材料、弹性体领域等的应用。AutoX 的最大行程为 750 mm,精度为 ± 1 µm。

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