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ISO 178 权威指南

如何根据 ISO 178 标准对塑料进行弯曲测试
作者:Daniel Caesar

ISO 178 标题

由于塑料具有成本低、重量轻、耐腐蚀和通用性强等特点,在许多不同行业中都占据着重要地位。确定塑料的材料性能对于表征其在实际应用中的预期行为非常重要。一个重要的性能是塑料样品在弯曲或挠曲时应力和应变之间的关系:换句话说,就是材料的弯曲性能。为了规范确定这一性能的国际标准化方法,国际标准化组织(ISO)制定了 ISO 178。

本指南旨在向您介绍 ISO 178 弯曲试验的基本要素,并将概述标准中涉及的试验设备、试样和结果。但是,任何计划进行符合 ISO 178 标准试验的人都不应将本指南视为阅读完整标准的充分替代。

它测量什么?

塑料集线器图标

ISO 178 是一种通过在万能材料试验机上进行三点弯曲测试,来确定刚性和半刚性塑料弯曲性能的测试方法。 三点弯曲测试在矩形试样的中点施加力,试样的两端被自由支撑。施加的力由载荷传感器测量,产生的挠度通过系统的横梁位移(结果根据系统柔度进行修正)或通过直接应变测量装置进行测量。ISO 178 概述了四种测试类型,每种类型都规定了挠度测量方法(即通过横梁或直接应变传感器)以及相关的校准精度要求。

实验室执行的 ISO 178 试验类型是由其客户的要求规定的,无论是内部客户(如研发实验室)还是外部客户(如第三方试验实验室)。在购买试验设备和进行试验之前,确保识别并得到客户同意您实验室的具体要求非常重要。

ISO 178 是否适合您的标准?

ISO 178 与 ASTM D790 非常相似,但在几个关键点上有所不同:

  • ISO 178 要求使用挠度计或柔度校正来确定模量。ASTM D790 允许仅通过横梁位移计算模量。
  • 首选试样尺寸不同,由于试验速度取决于试样深度,两个标准之间的试验速度可能会有所不同。ISO 178 试样的首选深度为 4 毫米,而 ASTM D790 试样的首选深度为 3.2 毫米。
  • ASTM D790 仅允许一种试验速度,而 ISO 178 允许在测量模量后使用第二种(更快的)试验速度。

试样

ISO 178 试样要么按照 ISO 2818 从板材上加工,要么按照 ISO 293/295 或 ISO 294-1/10724-1 通过压缩或注射成型制备。首选试样尺寸规定为:

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

如果无法达到首选尺寸,ISO 178 提供了取决于试样厚度的替代宽度。如果材料是各向异性的,则需要测试两个方向。

程序

由于对力值的要求相对较低,ISO 178 测试通常在台式万能材料试验机上进行。试验机必须能够在标准规定的公差范围内保持 1 至 500 mm/min 之间的恒定测试速度。英斯特朗 (Instron) 3400 系列和 6800 系列试验机的所有型号均符合必要的测试速度精度要求。测力装置(即载荷传感器)在待报告的力值范围内必须符合 ISO 7500-1 的 1 级标准。务必确保您的实验室了解最小和最大测试力,以便选择具有合适量程和校准范围的载荷传感器。

ISO 178 试验设置

ISO 178 试验设置
6800 系列万能材料试验系统
Bluehill Universal 软件
2580 系列载荷传感器
三点弯曲夹具(2810-400)
挠度计柱塞(2810-403)

应变测量

应变测量
AVE2 非接触式引伸计
AUTOX750 自动引伸计
2630 系列夹持式引伸计

ISO 178 允许使用不同的挠度测量系统,具体取决于所需的结果及其相关精度。从精度最低到最高,允许的挠度测量类型包括横梁位移、带柔度校正的横梁位移和使用直接应变测量装置。在 ISO 178 2010 年更新之前,挠度测量精度误差不得超过数值的 1%。但自 2010 年更新以来,操作者必须使用符合 ISO 9513 的 1 级挠度计,或使用能够消除机器柔度的软件。

无论您的实验室需要何种挠度精度,英斯特朗 (Instron) 都能提供相应的解决方案。所有配备 Bluehill® Universal 软件的 3400 系列和 6800 系列测试机架,均能够通过横梁测量挠度(无论是否进行柔度修正)。英斯特朗还提供一系列直接应变测量解决方案。一种常见的解决方案是安装在压头上的夹持式引伸计或挠度计。最先进且最高效的解决方案包括 AutoX750 和 高级视频引伸计 (AVE3)。

与系统的负荷传感器类似,挠度测量装置也必须在报告结果的操作范围内进行验证。特别是弯曲模量是在极小的挠度下(低于 0.1 毫米)计算的。确定试验的最小和最大位移有助于正确指导验证提供者。

 


ISO 178 引伸计

工装

进行 ISO 178 试验需要三点弯曲夹具。该夹具由安装在移动横梁上的加载上部压头和带有两个可调压头的固定下部支撑梁组成。Instron 的2810-400 弯曲夹具完全符合夹具要求,可用于测试厚度不超过 3.0 毫米的试样的 2.0 毫米半径压头,或用于更厚试样的 5.0 毫米半径压头。支撑跨度要求基于试样厚度的比率,这因被测试材料的刚度而异。可调压头允许操作者设置支撑跨度的距离,支撑梁上的刻度长度单位便于准确定位压头。它还便于使用应变装置时对挠度计进行居中。由于试样对准可能导致结果的显著变化,应注意确保每次试验时试样都保持一致的对准。Instron 弯曲夹具还配备了可根据试样宽度调节的对准臂。

2810-400-03-18

5 kN 型号 | 2810-400

试样测量

ISO 178 要求根据 ISO 16012 标准,在试样长度的中心位置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。Instron 的 Bluehill Universal 中的 自动试样测量装置 (ASMD) 功能允许操作员将最多两个千分尺或测量设备连接到计算机,并将其测量平均值直接输入到软件中。这消除了操作员输入错误的几率,并提高了效率。

试验方法

三点弯曲夹具的跨距(下支座之间的距离)根据试样的厚度进行配置。测试的环境条件(例如低温或高温)取决于所测试的材料,并应由实验室及其客户协商确定。在缺乏此类信息的情况下,ISO 291 可提供指导。英斯特朗提供完全集成的环境箱,以适应非室温测试。

ISO 178 规定了方法 A 和方法 B 来设置横梁速度。方法 A 在整个试验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,在试验剩余部分使用第二个更高的速度。使用的恒定横梁速度旨在估计规定的应变率。在预载荷程序之后,试验试样弯曲直至断裂或达到 5% 弯曲应变,以先发生者为准。在整个试验过程中以足够的数据采集率记录力和挠度数据。

在设置试验时,强烈建议有足够的预载荷以确保准确和一致的应变测量。试验开始前施加到试样上的力直接影响计算的重复性。

材料试验系统上的 ISO 178 设置

ISO 178 试验设置

3400 系列万能试验系统


Bluehill Universal 软件


2530 系列载荷传感器


三点弯曲夹具(2810-400)

结果

以下是 ISO 178 可报告的计算和结果列表:

  • 弯曲应力 – 施加载荷、跨度、试样宽度和试样厚度的函数。这与拉伸或压缩应力不同,后者是单位面积上的力。
  • 弯曲应变 – 挠度、跨度和试样厚度的函数。这与拉伸或压缩应变不同,后者是标距长度的变化与原始标距长度的比值。
  • 弯曲模量 – 0.05% 和 0.25% 弯曲应变之间的弯曲应力和弯曲应变的函数。可以在弯曲应力与弯曲应变曲线上的这些点拟合弦模量。
  • 弯曲强度 – 弯曲测试期间获得的最大弯曲应力。
  • 断裂时的弯曲应力 – 试样断裂时的弯曲应力。对于某些材料,试样在屈服点之前就断裂,在这种情况下,弯曲强度等于断裂时的弯曲应力。
  • 5% 弯曲应变时的弯曲应力 – 对于试样在 5% 弯曲应变内不断裂的试验,试验结束时的弯曲应力。

 

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项修改。自动试样测量装置和试样对准装置都通过减少试验操作者所需的手动输入来提高试验效率。完全自动化的试验系统,也可用如 Instron 的 AT3 和 AT6,它们设计用于整合试样测量、试样装载、试验和移除。这些系统可以运行数小时而无需任何操作者交互。此外,这些系统有助于减少由人为错误造成的变异性。