Ce este rezistența la tracțiune? Definiție, unități, formule și metode de testare

Ce este rezistența la tracțiune? Definiție și semnificație de bază

Rezistența la tracțiune este tensiunea maximă de tracțiune (de tracțiune) pe care o poate rezista un material în timp ce este întins înainte de a se rupe. Este una dintre cele mai citate proprietăți mecanice în inginerie, deoarece răspunde la o întrebare simplă, dar critică: câtă forță de tragere axială poate supraviețui o piesă înainte ca materialul să se separe? Rezistența la tracțiune este exprimată în megapascali (MPa) sau lire pe inch pătrat (psi) și se măsoară prin tragerea unui specimen standardizat până când acesta se rupe.

Pentru un procesor de materiale plastice, rezistența la tracțiune nu este un număr abstract de laborator. Dacă modelați un suport PA66 armat cu fibră de sticlă care ancorează o centură de siguranță pe cadrul unui vehicul, rezistența la tracțiune vă indică sarcina maximă de tracțiune axială pe care o poate suporta suportul înainte ca materialul să cedeze și, în cele din urmă, să se rupă. Inginerii de proiectare și echipele de achiziții folosesc această valoare pentru a compara polimerii candidați, pentru a calcula grosimea minimă a peretelui și pentru a decide dacă o calitate standard sau o calitate îmbunătățită este necesară pentru o anumită aplicație.

Rezistența la tracțiune are, de asemenea, un loc clar pe curba efort-deformare. Atunci când se aplică o sarcină de tragere, materialul se deformează mai întâi elastic, apoi plastic în polimeri ductili, cum ar fi nailonul, și în final se fracturează. Tensiunea la care are loc ruptura este rezistența la tracțiune, adesea numită rezistență la tracțiune finală. Este diferită de limita de curgere, care este solicitarea la care începe deformarea permanentă și este, de asemenea, diferită de rezistența la rupere, care este solicitarea înregistrată în momentul exact în care se rupe epruveta. Înțelegerea împreună a acestor trei valori previne greșelile costisitoare în selecția materialelor.

Cum se măsoară rezistența la tracțiune?

Rezistența la tracțiune este determinată cu o mașină de testare universală. Un specimen în formă de gantere, numit în mod obișnuit specimen de os de câine, este prins între două prinderi. Mașina trage proba cu o viteză constantă, în timp ce o celulă de sarcină înregistrează forța, iar un extenzometru înregistrează alungirea. Testul continuă până când specimenul se fracturează. Forța maximă înregistrată în timpul încercării este împărțită la aria secțiunii transversale inițiale a secțiunii ecartamentului pentru a obține rezistența la tracțiune în sistemul unitar selectat.

Rezultatul depinde în mare măsură de standardul de testare, geometria probei, viteza traversei, temperatură și umiditate. Materialele plastice și metalele folosesc standarde diferite, iar valorile nu pot fi comparate direct dacă condițiile de testare diferă. Tabelul de mai jos enumeră metodele principale de încercare la tracțiune utilizate pentru materialele de inginerie.

Când comparați datele privind rezistența la tracțiune pe o fișă de date din nailon, verificați întotdeauna ce standard a fost utilizat. Valorile generate cu ASTM D638 și ISO 527 nu sunt interschimbabile automat, deoarece dimensiunile epruvetei și vitezele de testare diferă, iar modul de defecțiune poate fi afectat de starea de umiditate a probei.

Tipuri cheie de rezistență la tracțiune: curgere, maximă și rupere

Termenul de rezistență la tracțiune este adesea folosit ca și cum s-ar referi la un singur număr. În practică, un test de tracțiune produce cel puțin trei valori distincte și fiecare are o semnificație inginerească diferită.

Puterea de curgere

Limita de curgere este tensiunea la care un material începe să se deformeze permanent. Pentru polimerii care nu prezintă un punct de curgere clar, inginerii folosesc metoda offset de 0,2%: o linie paralelă cu regiunea elastică este deplasată cu deformarea de 0,2%, iar intersecția ei cu curba efort-deformare definește limita de curgere compensată. Această valoare este baza pentru majoritatea proiectării structurale, deoarece marchează limita deformației recuperabile.

Rezistența maximă la tracțiune

Rezistența maximă la întindere este cea mai mare solicitare atinsă pe curba tehnică efort-deformare. Pentru nailonul ductil, acesta este punctul în care gâtul începe să concentreze deformarea într-o regiune localizată. Dincolo de acest punct, specimenul continuă să se alungească, dar capacitatea portantă a secțiunii transversale a gâtului scade până când apare fractura. Această valoare este cea mai frecvent raportată ca rezistență la tracțiune pe fișele de date ale materialelor.

Rezistența la fractură

Rezistența la rupere este stresul înregistrat în momentul ruperii. Într-un eșantion de nailon ductil, efortul de rupere este adesea mai mic decât rezistența maximă la tracțiune, deoarece secțiunea transversală s-a subțire în timpul gâtului. Într-un material fragil, cum ar fi un PPA foarte umplut cu sticlă, rezistența finală și la rupere sunt de obicei apropiate una de cealaltă. Recunoașterea acestei diferențe ajută la explicarea de ce un material prezintă o zonă lungă de ruptură plată, iar altul se rupe brusc.

Rezistența la tracțiune vs. rezistența la curgere vs. alungirea la rupere

Pentru o clemă de nailon turnată care trebuie să se fixeze în poziție, alungirea la rupere vă spune cât de mult se poate flexa clema fără să se crape. Limita de curgere vă spune dacă clema își va pierde definitiv forța de strângere după inserări repetate. Rezistența la tracțiune vă spune forța la care clema se separă în cele din urmă. Toate cele trei valori provin din același test de tracțiune, dar răspund la întrebări diferite de inginerie.

Un exemplu practic: un cârlig snap-fit din PA6 neîntărit poate prezenta o rezistență la tracțiune de 70 MPa și o alungire de 40% la rupere, ceea ce permite unui lucrător de asamblare să îndoaie cârligul fără crăpare. Înlocuiți-l cu o calitate PPA umplută cu sticlă de 45% la o rezistență la tracțiune de 250 MPa și o alungire de numai 1,5%, iar cârligul se va desprinde în timpul asamblarii, în ciuda faptului că este mult mai puternic la tragere dreaptă. Acesta este motivul pentru care valorile rezistenței sunt întotdeauna interpretate împreună cu ductilitatea.

Unități de rezistență la tracțiune și valori tipice ale materialelor

Rezistența la tracțiune este raportată în pascali (Pa) în sistemul SI, dar în practica ingineriei apare ca megapascali (MPa), unde 1 MPa = 1 N/mm². Piața nord-americană utilizează frecvent lire sterline pe inch pătrat (psi). O conversie simplă este 1 MPa = 145,038 psi și 1 ksi (1.000 psi) = 6,895 MPa. Când un furnizor citează o valoare într-o unitate diferită, convertiți-o înainte de a compara note.

Starea dry-as-molded (DAM) se referă la un specimen proaspăt turnat depozitat în condiții uscate. Starea condiționată este atinsă după ce materialul a absorbit umiditatea până la echilibru la 50% umiditate relativă. Piesele din nailon aflate în funcțiune sunt de obicei mai aproape de starea condiționată, astfel încât bazarea doar pe datele DAM poate supraestima rezistența reală a unei componente turnate.

Factori care afectează rezistența la tracțiune în materialele din nailon

Pentru polimerii pe bază de nailon, rezistența la tracțiune nu este un număr fix. Aceeași calitate PA6 poate prezenta valori de întindere foarte diferite în funcție de umiditate, armătură, temperatură și condițiile de prelucrare. Înțelegerea acestor variabile este esențială atunci când comparați fișele de date sau planificați o piesă turnată.

Absorbția umidității

Nailonul este higroscopic, iar apa absorbită acționează ca un plastifiant. Scade temperatura de tranziție a sticlei, crește rezistența la impact și reduce rezistența la tracțiune și rigiditatea. O rășină PA6 tipică neîntărită scade de la aproximativ 75 MPa uscat ca turnat la aproximativ 50 MPa după atingerea echilibrului de umiditate la 50% umiditate relativă. Acesta este motivul pentru care fișele de date din nailon listează atât valorile uscate, cât și cele condiționate și de ce piesele utilizate în medii umede trebuie proiectate în funcție de valorile condiționate, mai degrabă decât de valorile proaspăt turnate.

Armare cu fibră de sticlă

Adăugarea a 30% fibră de sticlă în greutate crește rezistența la tracțiune a PA66 de la aproximativ 85 MPa la aproximativ 190 MPa, în funcție de agentul de cuplare și de distribuția finală a lungimii fibrei. O bună aderență fibre-matrice este critică: cu o cuplare slabă, fibrele se trag la efort scăzut și câștigul de rezistență este mic. Din acest motiv, gradele îmbunătățite produse cu amestec controlat arată de obicei rezultate de tracțiune mai consistente decât amestecurile interne generice.

Temperatura

Rezistența la tracțiune scade pe măsură ce temperatura crește. La 80-100°C, un PA6 standard nearmat păstrează doar o fracțiune din rezistența sa la tracțiune la temperatura camerei. În compartimentele fierbinți ale motoarelor, inginerii aleg clase stabilizate la căldură sau pe bază de PPA. The Avantajele stabilității termice ale seriei de cipuri PA6 în medii cu temperatură ridicată sunt acoperite într-o analiză separată, dar regula generală este simplă: orice comparație de tracțiune trebuie efectuată la temperatura de aplicare, nu doar la 23°C.

Greutate moleculară, cristalinitate și procesare

Greutatea moleculară mai mare îmbunătățește încurcarea lanțului și, prin urmare, crește alungirea și duritatea, dar condițiile de procesare determină cristalinitatea finală. Răcirea rapidă în matriță produce un material mai puțin cristalin, mai moale; temperatura adecvată a matriței dezvoltă o cristalinitate mai mare, ceea ce crește rezistența la tracțiune și rigiditatea. Fiecare istoric de căldură degradează, de asemenea, polimerul într-o oarecare măsură, motiv pentru care remacinarea reciclată cu mai multe cicluri de căldură poate prezenta o scădere măsurabilă a rezistenței la tracțiune în comparație cu materialul virgin.

De ce este importantă rezistența la tracțiune atunci când alegeți PA6, PA66 și PPA

Când un procesor sau un inginer de materiale compară PA6, PA66 și PPA, rezistența la tracțiune este de obicei prima linie de proprietate din foaia de date. Este, de asemenea, proprietatea care separă cel mai clar cele trei materiale. Dacă aveți nevoie de o introducere mai largă în familiile de polimeri, ghidul nostru ce este materialul de nailon explică structura moleculară a PA6, PA66 și PPA în detaliu.

PA6: Rezistență, curgere și calitate a suprafeței echilibrate

PA6 oferă un aspect excelent al suprafeței, o rezistență bună și o prelucrare mai ușoară. În formă neîntărită, rezistența sa la întindere este de aproximativ 70–80 MPa uscat ca turnat. Pentru conectorii electrici, aparatele de consum și echipamentele sportive, producătorii aleg adesea cipuri PA6 de calitate îmbunătățită , care combină armătura cu fibră de sticlă cu o fereastră de vâscozitate îngustă pentru modelare stabilă și valori tipice de tracțiune în intervalul 160-185 MPa.

Furnizori de materiale PA6 GF personalizate, Companie de cip PA6 îmbunătățită Ningbo Fronttechnic New Material Technology Co., Ltd este furnizori de materiale PA6 GF din China și o companie îmbunătățită de cipuri PA6, personal specializat... Vizualizare produs →

PA66: Rezistență și rigiditate mai mare pentru părțile structurale

PA66 are un punct de topire mai mare și o rezistență mecanică mai mare decât PA6. PA66 nearmat atinge de obicei aproximativ 85 MPa uscat ca turnat, iar un grad de 30% armat cu fibră de sticlă ajunge la 185–210 MPa. Când designul necesită cea mai mare rezistență la tracțiune dintre nylonurile standard, cipuri PA66 de calitate îmbunătățită oferă rezistența și stabilitatea dimensională necesare pentru suporturile, angrenajele și carcasele structurale auto.

Furnizori de cipuri PA66 GF, companie de cipuri PA66 de calitate îmbunătățită Ningbo Fronttechnic New Material Technology Co., Ltd este furnizori de cipuri PA66 GF din China și o companie de cipuri PA66 de calitate îmbunătățită, profesională... Vizualizare produs →

PPA: Reținerea rezistenței la tracțiune sub căldură și umiditate

PPA, sau poliftalamida, este o poliamidă semi-aromatică. Cu 30–45% fibră de sticlă, gradele PPA ating rezistența la tracțiune de 200–280 MPa și, mai important, păstrează un procent mai mare din această rezistență în condiții calde și umede decât PA6 sau PA66. Acesta este motivul pentru care cipuri PPA îmbunătățite sunt specificate pentru conductele de aer ale turbocompresorului, piesele sistemului de răcire și conectorii din apropierea surselor de căldură. Mecanismul din spatele acestui comportament este explicat în articolul nostru despre de ce PPA îmbunătățit menține stabilitatea pe termen lung în medii dure .

Furnizori de așchii de plastic PPA poliftalamidă îmbunătățite, companie Ningbo Fronttechnic New Material Technology Co., Ltd este furnizori și companie de cipuri din plastic PPA poliftalamidă îmbunătățite din China, profesie... Vizualizare produs →

Concepții greșite comune despre rezistența la tracțiune

Rezistența la tracțiune mai mare înseamnă întotdeauna o parte mai bună

Rezistența vine de obicei cu prețul ductilității. Un grad foarte umplut cu rezistență la tracțiune de 280 MPa se poate alungi doar cu 1–2% înainte de rupere, în timp ce un nailon dur cu rezistență la tracțiune de 50 MPa se poate întinde cu 40–60%. Pentru ansamblurile cu fixare rapidă și piesele predispuse la impact, ductilitatea poate fi mai importantă decât rezistența brută la tracțiune. Nota cea mai puternică nu este automat cea mai bună notă pentru o anumită geometrie.

Numai rezistența la tracțiune prezice durata de viață

Piesele reale eșuează din cauza oboselii, fluajului, crăpăturii prin stres și impactului, nu numai din cauza unei singure tracțiuni statice. Rezistența la tracțiune descrie un singur test de viteză mică la temperatura camerei. O piesă poate rămâne cu mult sub limita sa de întindere și totuși să se defecteze sub încărcare ciclică după mii de cicluri sau să se defecteze în câteva săptămâni sub o sarcină susținută constantă. Proiectare pentru modul de încărcare, nu doar pentru maximum de date.

Valorile fișei de date se vor potrivi cu piesa dvs. turnată

Rezistența la tracțiune este măsurată pe un specimen standardizat de gantere. Într-o piesă turnată prin injecție reală, fibrele de sticlă se orientează de-a lungul direcției curgerii, liniile de sudură creează puncte slabe, iar stresul rezidual reduce rezistența locală. Rezistența locală reală în zonele critice poate fi cu 20-40% mai mică decât valoarea fișei de date. Testarea prototipului este încă necesară pentru piesele critice pentru siguranță.

Doar rezistența la tracțiune contează pentru selecția materialului

Rigiditatea (modulul de tracțiune), rezistența la impact, rezistența la căldură și alungirea sunt la fel de importante. Un angrenaj care se menține sub un test de tracțiune poate eșua la rădăcina dintelui din cauza oboselii la îndoire, iar o carcasă cu rezistență excelentă la tracțiune se poate crăpa atunci când este căzută. Citiți întotdeauna întregul set de proprietăți împreună cu valoarea rezistenței la tracțiune.

Întrebări frecvente despre rezistența la tracțiune

Care este diferența dintre rezistența la tracțiune și rezistența la curgere?

Limita de curgere este tensiunea la care un material începe să se deformeze permanent. Rezistența la tracțiune este tensiunea maximă pe care o poate suporta materialul înainte de rupere. Pentru un polimer ductil, cum ar fi nailonul, rezistența la curgere este de obicei mai mică decât rezistența finală la tracțiune; pentru materialele fragile cele două valori pot fi aproape identice. Proiectanții folosesc limita de curgere pentru a stabili limita sarcinii de lucru și rezistența la tracțiune pentru a evalua limita de rupere.

În ce unități se măsoară rezistența la tracțiune?

Megapascalii (MPa) sunt unitatea standard pe majoritatea fișelor tehnice, cu 1 MPa = 1 N/mm². Piața nord-americană utilizează în mod obișnuit lire pe inch pătrat (psi) sau kilopounds per inch pătrat (ksi). Pentru a converti, înmulțiți MPa cu 145,038 pentru a obține psi sau împărțiți psi cu 145,038 pentru a obține MPa.

Cum se calculează rezistența la tracțiune dintr-un test de tracțiune?

Înregistrați forța maximă aplicată în timpul testului și împărțiți-o la aria secțiunii transversale inițiale a secțiunii ecartamentului. Formula este rezistența la tracțiune = forța maximă / aria secțiunii transversale inițiale. Deoarece zona utilizată este zona originală, rezultatul este o valoare a tensiunii de inginerie mai degrabă decât o valoare a tensiunii reale.

Umiditatea reduce rezistența la tracțiune a nailonului?

Da. Nailonul absoarbe apa, iar umiditatea absorbita actioneaza ca un plastifiant. Un specimen tipic de PA6 uscat ca turnat poate prezenta aproximativ 75 MPa, în timp ce același grad condiționat la un echilibru de umiditate relativă de 50% poate scădea la aproximativ 45-55 MPa. De aceea, fișele tehnice din nailon raportează întotdeauna atât valorile uscate, cât și cele condiționate.

Care este rezistența la tracțiune a PA66 armat cu fibră de sticlă?

Un grad PA66 cu 30% fibră de sticlă prezintă de obicei 185–210 MPa măsurați uscat ca turnat, în funcție de sistemul de cuplare și de condițiile de procesare. Valoarea condiționată este mai mică, adesea în intervalul 120-150 MPa, dar totuși mult mai mare decât PA66 neîntărit. Această combinație face din GF30 PA66 o alegere comună pentru piese structurale auto și industriale.

Poate fi îmbunătățită rezistența la tracțiune fără a adăuga fibră de sticlă?

Da, într-o măsură limitată. Creșterea cristalinității prin controlul temperaturii matriței, creșterea greutății moleculare sau amestecarea cu o poliamidă semi-aromatică, cum ar fi PPA, poate îmbunătăți rezistența. Cu toate acestea, armătura cu fibră de sticlă rămâne cea mai eficientă și economică modalitate de a obține o creștere mare și fiabilă a rezistenței la tracțiune.

Sfaturi practice pentru evaluarea datelor privind rezistența la tracțiune

Când un furnizor vă trimite o fișă de date sau un raport de material, utilizați următoarea listă de verificare pentru a evita compararea valorilor care nu sunt comparabile.

1. Confirmați standardul de testare. Valorile din ASTM D638 și ISO 527 nu sunt automat comparabile, deoarece geometria probei și vitezele de testare diferă.
2. Citiți împreună valorile uscate și condiționate. Pentru piesele din nailon în aer normal, valoarea condiționată este mai aproape de performanța în funcționare.
3. Verificați viteza de testare. O tragere mai rapidă produce o rezistență la tracțiune măsurată mai mare în polimerii ductili.
4. Priviți alungirea la rupere și modulul de tracțiune în același raport. Aceste două numere vă spun dacă materialul este ductil și rigid, nu pur și simplu puternic.
5. Comparați valorile la temperatura aplicației dvs. Rezistența la tracțiune la 23°C nu reprezintă performanța la 80°C într-un compartiment motor.
6. Solicitați un raport de testare a lotului înainte de producția în masă. Rezistența la tracțiune se poate schimba între loturi atunci când greutatea moleculară sau nivelurile de aditiv variază.

Rezistența la tracțiune este un punct de plecare, nu întreaga poveste. Când o combinați cu limita de curgere, alungirea la rupere, modulul de tracțiune, datele de testare condiționate și gradul corect de material, obțineți o imagine realistă a modului în care o piesă se va comporta sub sarcină. Această combinație, mai degrabă decât orice număr unic, este cea care separă o piesă fiabilă din nailon de una care eșuează la începutul exploatării.