工程塑料材料測試知識

                                                   工程塑料材料測試知識
理解材料性能的基礎(chǔ)是有了解關(guān)材料在負(fù)荷作用下的變化。知道了一定負(fù)荷（應(yīng)力）引起的變形量（應(yīng)變）后，設(shè)計者就可以開始預(yù)測產(chǎn)品在工作環(huán)境下的情況.
拉緊情況下的應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系是使用Z廣泛的用于比較材料或設(shè)計產(chǎn)品的機(jī)械性能。

拉伸應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系是這樣確定：一個狗骨形的試樣（見圖14－2）以恒定速率拉長，記錄下所加負(fù)荷和伸長量，然后計算應(yīng)力和應(yīng)變：

 · 應(yīng)力
 負(fù)荷/Z初截面積單位 
 MPa （psi）
· 應(yīng)變 
 （延長長度/原長度）×;
 其它由應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系決定的機(jī)械性能有：

其它由應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系決定的機(jī)械性能有：
模量 
 
 應(yīng)力/應(yīng)變

MPa （psi）
彎曲時應(yīng)力強(qiáng)度 
 
 Z初Z大應(yīng)力
MPa （psi）

斷裂時應(yīng)力 
 
 失效時的應(yīng)力
 MPa （psi）
斷裂應(yīng)變 
 
 失效時的應(yīng)變或Z大延長長度
比例極限 
 
 開始呈現(xiàn)非線性關(guān)系時的值
彈性模量 
 
 比例極限下的模量
 MPa （psi）
 彎曲強(qiáng)度和模量ASTM D 790（ISO 178）

彎曲強(qiáng)度用來衡量材料抵抗彎曲的能力，也就是材料的剛度。和拉伸負(fù)荷不同，所有的負(fù)荷都加在同一方向上。在試樣中部加上一個簡單的活動支撐梁，產(chǎn)生三點載荷（見下圖）。在標(biāo)準(zhǔn)測試機(jī)上，加載鼻以2mm/min的恒定速度壓向試樣。

通過記錄下來的數(shù)據(jù)畫出負(fù)荷撓曲曲線，然后計算出彎曲模量。這要用到五個負(fù)荷和撓曲并采用曲線剛開始的一段線性部分

在需要說明彎曲性能時，彎曲模量（應(yīng)力與應(yīng)變的比值）是使用Z廣泛的。彎曲模量相當(dāng)于應(yīng)力/應(yīng)變曲線**料未變形部分的切線的斜率

彎曲應(yīng)力和彎曲模量的值以Mpa（psi）為單位。

沖擊測試 
在標(biāo)準(zhǔn)測試，如拉伸或彎曲測試中，材料緩慢吸收能量。而在實際生活中，材料經(jīng)常遭受迅速的沖擊：下落物體、突然打擊、碰撞、跌落等。沖擊測試的目的就是模擬這些情況。Izod和Charpy方法被用來測驗試樣受到一定的沖擊力作用時的狀態(tài)，并估計其脆性或韌性。但這種數(shù)據(jù)不能用作元件設(shè)計計算時的數(shù)據(jù)來源。一種材料的典型狀態(tài)可以通過在不同條件、不同缺口半徑和測試溫度下測定不同類型的試樣而獲得。

兩種測試都在擺錘沖擊實驗機(jī)上進(jìn)行。試樣夾在夾具上，有一定半徑的硬化鋼沖擊刃的擺錘從預(yù)定高度落下，導(dǎo)致試樣受到突然負(fù)載而剪切。擺錘的剩余能量使它上升：根據(jù)下降高度和回升高度的差值可以求得試棒斷裂需要的能量。這個測試可以在室溫下進(jìn)行，也可以在低溫下進(jìn)行，以測量低溫脆性。試棒的類型和缺口尺寸可以不同。

重物落下沖擊測試，如Gardner和Flexed板的結(jié)果與落下重物和支持物的幾何形狀有關(guān)。它們只能用于測定材料相對等級。

除非測試設(shè)備和試樣的幾何形狀與Z終使用要求一致，否則沖擊值不能化。如果失效模式和沖擊速度相同的話，通過各種測試方法得到的材料相對等級應(yīng)該相同。

沖擊值的說明－ASTM與ISO比較

沖擊性能對試樣厚度和分子取向很敏感。ASTM和ISO方法中使用的試樣厚度差別可能對沖擊值有很大影響。厚度從3mm變?yōu)?mm甚至能夠通過分子質(zhì)量和試樣厚度對Izod缺口沖擊的影響使失效方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，從塑性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈孕阅埽ㄒ妶D14－9中所示LEXAN聚碳酸酯樹脂）。但在3mm厚度時已經(jīng)顯示出脆性的材料，如礦物和玻璃填充等級的材料不受影響。沖擊強(qiáng)化的材料也不會受到影響。

然而必須意識到——材料沒有改變，改變的只是測試方法；這里提到的塑性/脆性轉(zhuǎn)變很少在實際生活中出現(xiàn)：零件厚度大多為3mm或更小。

Izod沖擊強(qiáng)度ASTM D 256（ISO 180）

缺口Izod沖擊測試已經(jīng)成為比較塑料材料抗沖擊能力的標(biāo)準(zhǔn)（見圖14－10和14－11）。然而，這個測試測出的模型零件的性能和實際環(huán)境中測出的沖擊性能沒有相關(guān)性。因為材料的缺口敏感性不同，這個測試對某些材料的影響可能會大于另一些材料。盡管它們經(jīng)常被用來測量材料的抗沖擊能力，但這項測試更趨向于測量塑料的缺口敏感性而非其抗沖擊能力。測試值被廣泛接受為比較材料韌性的參考值。缺口Izod測試在確定具有許多尖角的零件，如加強(qiáng)筋、交*墻和其它增加應(yīng)力的零件的抗沖擊力時效果。無缺口Izod測試使用同樣的負(fù)載分布，只是試樣上沒有缺口（或者說試樣被反過來夾緊）。因為沒有引起應(yīng)力集中的部位，這種測試的結(jié)果總是高于缺口測試的結(jié)果。

ISO命名反應(yīng)了試樣類型和缺口類型：

 #ISO 180/1A表示試樣類型1和缺口類型A。如圖14－10所示，試樣類型1的尺寸是長80mm，寬10mm，厚4mm。

 #ISO 180/1U表示同樣的試樣類型1，但反向夾緊，（說明沒有缺口）。使用ASTM方法的試樣尺寸相似，缺口半徑和高度相同，但長度不同：63.5mm，而且更重要的在于厚度：3.2mm。

#ISO的結(jié)果定義為破碎試樣的以焦耳為單位的能量除以試樣的缺口面積。結(jié)果的單位為kJ/m2。

ASTM的結(jié)果定義為以焦耳為單位的沖擊能量除以缺口長度（試樣的厚度）。其單位為J/m。

如分別討論時所示的那樣，試樣厚度的不同可能導(dǎo)致不同的沖擊強(qiáng)度說明。

燃性測試

UL 94*總體 可燃性UL94等級是應(yīng)用Z廣泛的塑料材料可燃性能標(biāo)準(zhǔn)。它用來評價材料在被點燃后熄滅的能力。根據(jù)燃燒速度、燃燒時間、抗滴能力以及滴珠是否燃燒可有多種評判方法。每種被測材料根據(jù)顏色或厚度都可以得到許多值。當(dāng)選定某個產(chǎn)品的材料時，其UL等級應(yīng)滿足塑料零件壁部分的厚度要求。UL等級應(yīng)與厚度值一起報告，只報告UL等級而沒有厚度是不夠的。UL 94等級總結(jié)：

HB
 
 厚度<3mm的水平試樣緩慢燃燒，燃燒速度<76mm/min。
V-0
 
 垂直試樣在10秒內(nèi)停止燃燒；不允許有液滴。 
 
V-1 
 垂直試樣在30秒內(nèi)停止燃燒；不允許有液滴。

V-2 
 垂直試樣在30秒內(nèi)停止燃燒；允許有燃燒物滴下。
5V
對試棒燃燒5次，每次火焰都大于V測試中的火焰，每次持續(xù)5秒。燃燒在60秒內(nèi)停止。

 5VB
試樣板被燒穿（產(chǎn)生一個洞）。

5VA

試樣板未被燒穿（沒有產(chǎn)生洞）－ULZ高等級。

 1，UL 94 HB*水平測試過程

對可燃性有安全方面的要求時，不允許使用HB材料。通常情況下HB級的材料不能于電器，但機(jī)械或裝飾品除外。有時，人們會有誤解：非FR材料（或沒有打算用作FR材料的材料）不會自動滿足HB的要求。盡管Z不嚴(yán)格，UL 94 HB仍是一個可燃性分類等級，必須經(jīng)測試檢測。

 2，UL 94 V0，V1和V2*垂直測試過程

 垂直測試（見圖14－17）使用與HB檢測中相同的試樣。燃燒時間、發(fā)光時間、何時開始滴落以及下面的棉花是否被引燃都應(yīng)注明。燃燒滴落被認(rèn)為是燃燒擴(kuò)散的主要原因，也是區(qū)分V1與V2的標(biāo)準(zhǔn)。

 上圖14－17 UL 94 V0，V1，V2垂直測試過程

3，UL 94－5V*垂直測試過程

UL 94－5V是所有UL測試中Z嚴(yán)格的（見圖14－18）。

上圖14－18 UL 94－5V垂直測試過程，它包括兩個步驟：

步驟一：
垂直安裝一個標(biāo)準(zhǔn)可燃性試棒，使其經(jīng)受五次127mm火焰，每次持續(xù)5秒。如果此后試棒燃燒時間短于60秒且液滴不引燃下面的棉花，則通過測試。整個過程要對5個試棒進(jìn)行重復(fù)測試。

步驟二：
同樣厚度的試樣板在水平位置經(jīng)受同等火焰的測試，整個過程要對3個試樣板重復(fù)進(jìn)行測試。這個水平測試形成2個等級：5VB和5VA。5VB允許產(chǎn)生洞（燒穿）。5VA不允許產(chǎn)生洞。

UL94－5VA是所有UL測試中Z嚴(yán)格的，特別用于大型辦公機(jī)械的防火罩。對于那些預(yù)期壁厚小于1.5mm的產(chǎn)品，應(yīng)使用玻璃填充材料等級。

4，CSA可燃性CSA C22.2 第0.6號，測試A*

這個加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會的可燃性測試的方法與UL 94 5V測試的方法相似。然而，這個測試更加嚴(yán)格：每次測試火焰要持續(xù)15秒。而且在前4次火焰測試中，試樣必須在30秒內(nèi)熄滅；在第五次測試后，火焰在60秒內(nèi)熄滅（而UL94－5V的5次火焰測試各持續(xù)5秒）。滿足CSA測試的結(jié)果也被認(rèn)為滿足UL 94－5V。

5，有限氧氣指數(shù)ASTM D 2863（ISO 4589）*

有限氧氣指數(shù)用來測量材料在受控環(huán)境中的相對可燃性。有限氧氣指數(shù)是維持熱塑性塑料材料火焰時，空氣中所需的Z低氧氣含量。

測試所用氣體是外部控制的氮氣和氧氣的混合物。一個支撐的試樣由引火火焰點燃，然后拿走引火火焰。在下面過程中，氧氣濃度逐漸降低，直至試樣不能維持燃燒。有限氧氣指數(shù)或LOI定義為材料可以燃燒3分鐘或50mm所需的Z低氧氣濃度。LOI值越高就越不容易燃燒。

這項測試并不反映實際火情下材料的著火危險。

光學(xué)測試

模糊與光透射ASTM D 1003

模糊產(chǎn)生于光在材料中的散射，受到分子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度或聚合物表面或內(nèi)部不純凈的影響。模糊只適于半透明或透明的材料，不適于不透明材料。有時人們認(rèn)為模糊是光澤的反義詞，即吸收入射光線。然而，模糊測試方法實際上測量的是半透明材料對光線的吸收、透射和偏向。

試樣放在一窄束強(qiáng)光的信道中，使其中一些光通過試樣，另一些未受阻擋繼續(xù)前進(jìn)。兩部分光線都進(jìn)入安裝了光線探測器的球中。必須確定兩個量：

*光線的總強(qiáng)度*模糊度，或偏轉(zhuǎn)角大于2.5°的入射光線的量。根據(jù)這兩個量可以算出兩個值：

1，模糊度，或偏轉(zhuǎn)角大于2.5°的入射光線的比例

2，光透射量，或透過試樣的入射光線的比例。

光澤ASTM D 523

光澤是指表面在某些方向上的反射能力強(qiáng)于其它方向。光澤可以用光澤計測量。一束強(qiáng)光從試樣表面沿一定方向反射，反射光的亮度由光電探測器測出。多數(shù)情況下使用60°角，更有光澤的材料可以選用20°角，無光澤的材料選用85°角。光澤計用一塊光澤值為100的黑色玻璃進(jìn)行校準(zhǔn)。塑料的光澤度很低，且受注塑方法影響很大。

模糊度和光澤度

模糊度和光澤度測試測量材料反射和透射光線的能力，并將透明和閃亮等性質(zhì)量化。但模糊度僅適用于透明和半透明的材料，而光澤度可用于任何材料。光澤度和模糊度測試都很。但是它們經(jīng)常用于測量外觀，也就是一個很主觀化的概念。模糊度和光澤度之間的關(guān)系和人們?nèi)绾舞b定塑料的透明和發(fā)亮等級還不確定。

折射系數(shù)ASTM D 542

一束光線沿一定角度透過透明試樣。光線的偏轉(zhuǎn)--在光線通過試樣時由試樣產(chǎn)生--就是折射系數(shù)，由sin a除以sin b得到。