Độ bền kéo là gì? Định nghĩa, đơn vị, công thức và phương pháp kiểm tra

Độ bền kéo là gì? Định nghĩa và ý nghĩa cốt lõi

Độ bền kéo là ứng suất kéo (kéo) tối đa mà vật liệu có thể chịu được khi bị kéo căng trước khi bị gãy. Đây là một trong những tính chất cơ học được trích dẫn rộng rãi nhất trong kỹ thuật vì nó trả lời một câu hỏi đơn giản nhưng quan trọng: một bộ phận có thể tồn tại được bao nhiêu lực kéo dọc trục trước khi vật liệu tách ra? Độ bền kéo được biểu thị bằng megapascal (MPa) hoặc pound trên inch vuông (psi) và được đo bằng cách kéo một mẫu đã tiêu chuẩn hóa cho đến khi nó bị đứt.

Đối với bộ xử lý nhựa, độ bền kéo không phải là con số trừu tượng trong phòng thí nghiệm. Nếu bạn đang đúc một giá đỡ PA66 được gia cố bằng sợi thủy tinh để neo dây an toàn vào khung xe, độ bền kéo sẽ cho bạn biết tải trọng kéo dọc trục tối đa mà giá đỡ có thể mang trước khi vật liệu bị nhão và cuối cùng bị đứt. Các kỹ sư thiết kế và nhóm mua sắm sử dụng giá trị này để so sánh các polyme ứng cử viên, tính toán độ dày thành tối thiểu và để quyết định xem loại tiêu chuẩn hay loại nâng cao là cần thiết cho một ứng dụng nhất định.

Độ bền kéo cũng có một vị trí rõ ràng trên đường cong ứng suất - biến dạng. Khi tác dụng lực kéo, vật liệu đầu tiên sẽ biến dạng đàn hồi, sau đó trở nên dẻo ở dạng polyme dẻo như nylon, và cuối cùng là gãy. Ứng suất tại đó xảy ra đứt là cường độ kéo, thường được gọi là cường độ kéo cuối cùng. Nó khác với cường độ chảy, là ứng suất tại đó bắt đầu biến dạng vĩnh viễn, và nó cũng khác với cường độ đứt gãy, là ứng suất được ghi lại tại thời điểm chính xác mẫu bị gãy. Hiểu ba giá trị này cùng nhau sẽ ngăn ngừa những sai lầm tốn kém trong việc lựa chọn vật liệu.

Độ bền kéo được đo như thế nào?

Độ bền kéo được xác định bằng máy thử vạn năng. Một mẫu vật có hình quả tạ, thường được gọi là mẫu xương chó, được kẹp giữa hai tay cầm. Máy kéo mẫu ở tốc độ không đổi trong khi cảm biến tải trọng ghi lại lực và máy đo độ giãn ghi lại độ giãn dài. Thử nghiệm tiếp tục cho đến khi mẫu bị gãy. Lực tối đa ghi được trong quá trình thử nghiệm được chia cho diện tích mặt cắt ngang ban đầu của phần máy đo để thu được độ bền kéo trong hệ đơn vị đã chọn.

Kết quả phụ thuộc rất nhiều vào tiêu chuẩn thử nghiệm, hình dạng mẫu vật, tốc độ đầu trượt, nhiệt độ và độ ẩm. Nhựa và kim loại sử dụng các tiêu chuẩn khác nhau và không thể so sánh trực tiếp các giá trị nếu điều kiện thử nghiệm khác nhau. Bảng dưới đây liệt kê các phương pháp kiểm tra độ bền kéo phổ biến được sử dụng cho vật liệu kỹ thuật.

Khi bạn so sánh dữ liệu độ bền kéo trên biểu dữ liệu nylon, hãy luôn xác minh xem tiêu chuẩn nào đã được sử dụng. Các giá trị được tạo bằng ASTM D638 và ISO 527 không thể tự động thay thế cho nhau vì kích thước mẫu và tốc độ thử nghiệm khác nhau và chế độ lỗi có thể bị ảnh hưởng bởi trạng thái độ ẩm của mẫu.

Các loại độ bền kéo chính: Năng suất, tối đa và gãy xương

Thuật ngữ độ bền kéo thường được sử dụng như thể nó đề cập đến một con số duy nhất. Trong thực tế, thử nghiệm độ bền kéo tạo ra ít nhất ba giá trị riêng biệt và mỗi giá trị có ý nghĩa kỹ thuật khác nhau.

Sức mạnh năng suất

Độ bền chảy là ứng suất tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng vĩnh viễn. Đối với các polyme không thể hiện điểm chảy rõ ràng, các kỹ sư sử dụng phương pháp bù 0,2%: một đường song song với vùng đàn hồi bị dịch chuyển bởi biến dạng 0,2% và giao điểm của nó với đường cong ứng suất-biến dạng xác định cường độ chảy lệch. Giá trị này là cơ sở cho hầu hết các thiết kế kết cấu vì nó đánh dấu giới hạn biến dạng có thể phục hồi được.

Độ bền kéo tối đa

Độ bền kéo cuối cùng là ứng suất cao nhất đạt được trên đường cong ứng suất-biến dạng kỹ thuật. Đối với nylon dẻo, đây là điểm mà tại đó việc thắt cổ bắt đầu tập trung biến dạng ở một vùng cục bộ. Ngoài điểm này, mẫu thử tiếp tục dài ra nhưng khả năng chịu tải của mặt cắt ngang cổ giảm cho đến khi xảy ra đứt gãy. Giá trị này là giá trị được báo cáo phổ biến nhất là độ bền kéo trên bảng dữ liệu vật liệu.

Sức mạnh gãy xương

Độ bền gãy là ứng suất được ghi lại tại thời điểm gãy. Trong mẫu nylon dẻo, ứng suất đứt gãy thường thấp hơn độ bền kéo giới hạn vì mặt cắt ngang đã mỏng đi trong quá trình thắt cổ. Trong vật liệu giòn, chẳng hạn như PPA chứa nhiều thủy tinh, độ bền giới hạn và độ bền đứt thường gần nhau. Nhận ra sự khác biệt này giúp giải thích tại sao một vật liệu lại có vùng đứt gãy phẳng dài và một vật liệu khác lại gãy đột ngột.

Độ bền kéo so với độ bền năng suất so với độ giãn dài khi đứt

Đối với một chiếc kẹp nylon đúc phải khớp vào đúng vị trí, độ giãn dài khi đứt sẽ cho bạn biết chiếc kẹp có thể uốn cong được bao xa mà không bị nứt. Độ bền chảy cho bạn biết liệu kẹp có mất vĩnh viễn lực kẹp sau khi chèn nhiều lần hay không. Độ bền kéo cho bạn biết lực mà kẹp cuối cùng bị tách ra. Cả ba giá trị đều đến từ cùng một bài kiểm tra độ bền kéo nhưng chúng trả lời các câu hỏi kỹ thuật khác nhau.

Một ví dụ thực tế: một móc vừa khít làm bằng PA6 không được gia cố có thể có độ bền kéo 70 MPa và độ giãn dài 40% khi đứt, cho phép công nhân lắp ráp uốn móc mà không bị nứt. Thay thế nó bằng loại PPA chứa đầy thủy tinh 45% ở độ bền kéo 250 MPa và độ giãn dài chỉ 1,5%, móc sẽ bung ra trong quá trình lắp ráp mặc dù lực kéo thẳng mạnh hơn nhiều. Đây là lý do tại sao các giá trị độ bền luôn được diễn giải cùng với độ dẻo.

Đơn vị độ bền kéo và giá trị vật liệu điển hình

Độ bền kéo được báo cáo bằng pascal (Pa) trong hệ SI, nhưng trong thực tế kỹ thuật, nó xuất hiện dưới dạng megapascal (MPa), trong đó 1 MPa = 1 N/mm2. Thị trường Bắc Mỹ thường xuyên sử dụng pound trên mỗi inch vuông (psi). Một chuyển đổi đơn giản là 1 MPa = 145,038 psi và 1 ksi (1.000 psi) = 6,895 MPa. Khi nhà cung cấp báo giá một giá trị theo đơn vị khác, hãy chuyển đổi giá trị đó trước khi so sánh các cấp độ.

Trạng thái khô như đúc (DAM) đề cập đến mẫu mới đúc được bảo quản trong điều kiện khô ráo. Trạng thái điều hòa đạt được sau khi vật liệu hấp thụ độ ẩm đến trạng thái cân bằng ở độ ẩm tương đối 50%. Các bộ phận nylon đang sử dụng thường gần với trạng thái được điều hòa hơn, do đó, chỉ dựa vào dữ liệu DAM có thể đánh giá quá cao độ bền thực sự của bộ phận đúc.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kéo của vật liệu nylon

Đối với polyme gốc nylon, độ bền kéo không phải là một con số cố định. Cùng một loại PA6 có thể hiển thị các giá trị độ bền kéo rất khác nhau tùy thuộc vào độ ẩm, cốt thép, nhiệt độ và điều kiện xử lý. Hiểu các biến này là điều cần thiết khi so sánh các bảng dữ liệu hoặc lập kế hoạch cho một bộ phận đúc.

Hấp thụ độ ẩm

Nylon có tính hút ẩm và nước được hấp thụ hoạt động như một chất làm dẻo. Nó làm giảm nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh, tăng độ bền va đập và giảm độ bền kéo và độ cứng. Một loại nhựa PA6 không được gia cố điển hình giảm từ khoảng 75 MPa khô khi đúc xuống còn khoảng 50 MPa sau khi đạt đến trạng thái cân bằng độ ẩm ở độ ẩm tương đối 50%. Đây là lý do tại sao bảng dữ liệu nylon liệt kê cả giá trị khô và giá trị đã điều hòa, đồng thời tại sao các bộ phận được sử dụng trong môi trường ẩm ướt phải được thiết kế theo các giá trị đã điều chỉnh thay vì các giá trị mới đúc.

Gia cố sợi thủy tinh

Việc thêm 30% trọng lượng sợi thủy tinh sẽ làm tăng độ bền kéo của PA66 từ khoảng 85 MPa lên khoảng 190 MPa, tùy thuộc vào tác nhân ghép nối và sự phân bố chiều dài sợi cuối cùng. Độ bám dính của ma trận sợi tốt là rất quan trọng: với độ bám dính kém, các sợi bị kéo ra ở mức ứng suất thấp và độ bền đạt được nhỏ. Vì lý do này, các loại nâng cao được sản xuất bằng cách trộn có kiểm soát thường cho kết quả độ bền kéo ổn định hơn so với các loại hỗn hợp thông thường trong nhà.

Nhiệt độ

Độ bền kéo giảm khi nhiệt độ tăng. Ở 80–100°C, PA6 không được gia cố tiêu chuẩn chỉ giữ lại một phần độ bền kéo ở nhiệt độ phòng. Trong khoang động cơ nóng, các kỹ sư chọn loại ổn định nhiệt hoặc dựa trên PPA. các Ưu điểm ổn định nhiệt của dòng chip PA6 trong môi trường nhiệt độ cao được đề cập trong một phân tích riêng biệt, nhưng nguyên tắc chung rất đơn giản: mọi so sánh độ bền kéo phải được thực hiện ở nhiệt độ ứng dụng, không chỉ ở 23°C.

Trọng lượng phân tử, độ kết tinh và quá trình xử lý

Trọng lượng phân tử cao hơn giúp cải thiện sự vướng víu của chuỗi và do đó làm tăng độ giãn dài và độ dẻo dai, nhưng điều kiện xử lý quyết định độ kết tinh cuối cùng. Làm nguội nhanh trong khuôn sẽ tạo ra vật liệu mềm hơn, ít kết tinh hơn; nhiệt độ khuôn thích hợp sẽ phát triển độ kết tinh cao hơn, làm tăng độ bền kéo và độ cứng. Mọi quá trình xử lý nhiệt cũng làm phân hủy polyme ở một mức độ nào đó, đó là lý do tại sao việc nghiền lại tái chế với nhiều chu kỳ nhiệt có thể cho thấy độ bền kéo giảm đáng kể so với vật liệu nguyên chất.

Tại sao độ bền kéo lại quan trọng khi chọn PA6, PA66 và PPA

Khi một kỹ sư xử lý hoặc vật liệu so sánh PA6, PA66 và PPA, độ bền kéo thường là dòng thuộc tính đầu tiên trên biểu dữ liệu. Nó cũng là đặc tính phân biệt rõ ràng nhất giữa ba loại vật liệu. Nếu bạn cần giới thiệu rộng hơn về các họ polyme, hướng dẫn của chúng tôi chất liệu nylon là gì giải thích chi tiết cấu trúc phân tử của PA6, PA66 và PPA.

PA6: Cân bằng sức mạnh, dòng chảy và chất lượng bề mặt

PA6 mang lại bề mặt tuyệt vời, độ dẻo dai tốt và xử lý dễ dàng hơn. Ở dạng không gia cố, độ bền kéo của nó là khoảng 70–80 MPa khi khô như đúc. Đối với các đầu nối điện, thiết bị tiêu dùng, thiết bị thể thao, các nhà sản xuất thường lựa chọn chip PA6 nâng cao , kết hợp cốt sợi thủy tinh với cửa sổ độ nhớt hẹp để tạo khuôn ổn định và các giá trị độ bền kéo điển hình trong phạm vi 160–185 MPa.

Nhà cung cấp vật liệu PA6 GF tùy chỉnh, Công ty chip PA6 nâng cao Công ty TNHH Công nghệ Vật liệu Mới Ninh Ba Frontechnic là nhà cung cấp vật liệu PA6 GF Trung Quốc và công ty chip PA6 nâng cao, Dịch vụ giám sát chuyên nghiệp... Xem sản phẩm →

PA66: Độ bền và độ cứng cao hơn cho các bộ phận kết cấu

PA66 có điểm nóng chảy cao hơn và độ bền cơ học cao hơn PA6. PA66 không được gia cố thường đạt khoảng 85 MPa khi khô như đúc và loại được gia cố bằng sợi thủy tinh 30% đạt 185–210 MPa. Khi thiết kế yêu cầu độ bền kéo cao nhất trong số các loại nylon tiêu chuẩn, chip PA66 nâng cao mang lại độ bền và độ ổn định về kích thước cần thiết cho giá đỡ, bánh răng và vỏ kết cấu ô tô.

Nhà cung cấp chip PA66 GF, Công ty chip PA66 cấp nâng cao Công ty TNHH Công nghệ Vật liệu Mới Ninh Ba Frontechnic là nhà cung cấp chip PA66 GF Trung Quốc và công ty chip PA66 cấp nâng cao, Công ty chuyên nghiệp ... Xem sản phẩm →

PPA: Duy trì độ bền kéo dưới nhiệt và độ ẩm

PPA, hay polyphthalamide, là một polyamit bán thơm. Với 30–45% sợi thủy tinh, loại PPA đạt độ bền kéo 200–280 MPa và quan trọng hơn là giữ được tỷ lệ phần trăm độ bền đó cao hơn trong điều kiện nóng ẩm so với PA6 hoặc PA66. Đây là lý do tại sao chip PPA nâng cao được chỉ định cho các ống dẫn khí tăng áp, các bộ phận của hệ thống làm mát và các đầu nối gần nguồn nhiệt. Cơ chế đằng sau hành vi này được giải thích trong bài viết của chúng tôi về tại sao PPA nâng cao duy trì sự ổn định lâu dài trong môi trường khắc nghiệt .

Các nhà cung cấp, công ty chip nhựa PPA Polyphthalamide nâng cao Công ty TNHH Công nghệ Vật liệu Mới Ninh Ba Frontechnic là nhà cung cấp và công ty chip nhựa PPA polyphthalamide được tăng cường tại Trung Quốc, Chuyên nghiệp... Xem sản phẩm →

Những quan niệm sai lầm phổ biến về độ bền kéo

Độ bền kéo cao hơn luôn có nghĩa là một phần tốt hơn

Sức mạnh thường phải trả giá bằng độ dẻo. Loại có độ đầy cao với độ bền kéo 280 MPa có thể chỉ giãn ra 1–2% trước khi đứt, trong khi loại nylon cứng có độ bền kéo 50 MPa có thể giãn ra 40–60%. Đối với các cụm lắp ráp vừa khít và các bộ phận dễ bị va đập, độ dẻo có thể quan trọng hơn độ bền kéo thô. Cấp mạnh nhất không tự động là cấp tốt nhất cho một hình học cụ thể.

Độ bền kéo dự đoán tuổi thọ sử dụng

Các bộ phận thực tế bị hỏng do mỏi, dão, nứt do ứng suất và va đập, không chỉ do lực kéo tĩnh. Độ bền kéo mô tả một thử nghiệm tốc độ chậm duy nhất ở nhiệt độ phòng. Một bộ phận có thể vẫn ở dưới mức giới hạn độ bền kéo của nó và vẫn bị hỏng khi chịu tải theo chu kỳ sau hàng nghìn chu kỳ hoặc bị hỏng trong vòng vài tuần khi chịu tải liên tục. Thiết kế cho chế độ tải, không chỉ tối đa cho bảng dữ liệu.

Giá trị bảng dữ liệu sẽ khớp với phần đúc của bạn

Độ bền kéo được đo trên mẫu tạ tiêu chuẩn. Trong một bộ phận đúc phun thực, các sợi thủy tinh định hướng dọc theo hướng dòng chảy, các đường hàn tạo ra các điểm yếu và ứng suất dư làm giảm cường độ cục bộ. Cường độ cục bộ thực tế ở các vùng quan trọng có thể thấp hơn 20–40% so với giá trị biểu dữ liệu. Thử nghiệm nguyên mẫu vẫn cần thiết đối với các bộ phận quan trọng về an toàn.

Chỉ có vấn đề về độ bền kéo khi lựa chọn vật liệu

Độ cứng (mô đun kéo), độ bền va đập, khả năng chịu nhiệt và độ giãn dài đều quan trọng như nhau. Một bánh răng chịu được thử nghiệm kéo có thể bị hỏng ở chân răng do mỏi uốn và vỏ có độ bền kéo cao có thể bị nứt khi rơi. Luôn đọc toàn bộ thuộc tính cùng với giá trị độ bền kéo.

Câu hỏi thường gặp về độ bền kéo

Sự khác biệt giữa độ bền kéo và sức mạnh năng suất là gì?

Độ bền năng suất là ứng suất tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng vĩnh viễn. Độ bền kéo là ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được trước khi đứt. Đối với polyme dẻo như nylon, cường độ chảy thường thấp hơn cường độ kéo cuối cùng; đối với vật liệu giòn, hai giá trị có thể gần giống nhau. Các nhà thiết kế sử dụng cường độ năng suất để đặt giới hạn tải trọng làm việc và độ bền kéo để đánh giá giới hạn hư hỏng.

Độ bền kéo được đo bằng đơn vị nào?

Megapascal (MPa) là đơn vị tiêu chuẩn trên hầu hết các bảng dữ liệu kỹ thuật, với 1 MPa = 1 N/mm2. Thị trường Bắc Mỹ thường sử dụng pound trên inch vuông (psi) hoặc kilo pound trên inch vuông (ksi). Để chuyển đổi, nhân MPa với 145,038 để có psi hoặc chia psi cho 145,038 để có MPa.

Làm thế nào để bạn tính toán độ bền kéo từ một bài kiểm tra độ bền kéo?

Ghi lại lực lớn nhất tác dụng trong quá trình thử và chia cho diện tích mặt cắt ngang ban đầu của tiết diện đo. Công thức là độ bền kéo = lực tối đa / diện tích mặt cắt ngang ban đầu. Vì diện tích được sử dụng là diện tích ban đầu nên kết quả là giá trị ứng suất kỹ thuật chứ không phải là giá trị ứng suất thực.

Độ ẩm có làm giảm độ bền kéo của nylon không?

Đúng. Nylon hấp thụ nước và độ ẩm được hấp thụ hoạt động như một chất làm dẻo. Một mẫu PA6 khô như đúc điển hình có thể có áp suất khoảng 75 MPa, trong khi cùng loại được điều hòa ở trạng thái cân bằng độ ẩm tương đối 50% có thể giảm xuống khoảng 45–55 MPa. Đó là lý do tại sao bảng dữ liệu nylon luôn báo cáo cả giá trị khô và giá trị đã điều hòa.

Độ bền kéo của PA66 được gia cố bằng sợi thủy tinh là bao nhiêu?

Loại PA66 có 30% sợi thủy tinh thường có áp suất đo khô như đúc là 185–210 MPa, tùy thuộc vào hệ thống khớp nối và điều kiện xử lý. Giá trị được điều hòa thấp hơn, thường nằm trong khoảng 120–150 MPa, nhưng vẫn cao hơn nhiều so với PA66 không được gia cố. Sự kết hợp này làm cho GF30 PA66 trở thành sự lựa chọn phổ biến cho các bộ phận kết cấu ô tô và công nghiệp.

Độ bền kéo có thể được cải thiện mà không cần thêm sợi thủy tinh?

Có, ở một mức độ hạn chế. Tăng độ kết tinh thông qua kiểm soát nhiệt độ khuôn, tăng trọng lượng phân tử hoặc trộn với polyamit bán thơm như PPA có thể cải thiện độ bền. Tuy nhiên, gia cố bằng sợi thủy tinh vẫn là cách hiệu quả và kinh tế nhất để đạt được sự gia tăng lớn và đáng tin cậy về độ bền kéo.

Lời khuyên thiết thực để đánh giá dữ liệu độ bền kéo

Khi nhà cung cấp gửi cho bạn bảng dữ liệu hoặc báo cáo vật liệu, hãy sử dụng danh sách kiểm tra sau để tránh so sánh các giá trị không thể so sánh được.

1. Xác nhận tiêu chuẩn kiểm tra. Các giá trị từ ASTM D638 và ISO 527 không thể tự động so sánh được vì hình dạng mẫu và tốc độ thử nghiệm khác nhau.
2. Đọc các giá trị khô và điều hòa cùng nhau. Đối với các bộ phận nylon trong không khí bình thường, giá trị được điều hòa gần với hiệu suất sử dụng hơn.
3. Kiểm tra tốc độ kiểm tra. Lực kéo nhanh hơn tạo ra độ bền kéo đo được cao hơn trong các polyme dẻo.
4. Xem xét độ giãn dài khi đứt và mô đun kéo trong cùng một báo cáo. Hai con số này cho bạn biết vật liệu có dẻo và cứng hay không chứ không chỉ bền.
5. So sánh các giá trị ở nhiệt độ ứng dụng của bạn. Độ bền kéo ở 23°C không thể hiện hiệu suất ở 80°C trong khoang động cơ.
6. Yêu cầu báo cáo thử nghiệm hàng loạt trước khi sản xuất hàng loạt. Độ bền kéo có thể thay đổi giữa các lô khi trọng lượng phân tử hoặc mức phụ gia thay đổi.

Độ bền kéo là điểm khởi đầu, không phải là toàn bộ câu chuyện. Khi bạn kết hợp nó với giới hạn chảy, độ giãn dài khi đứt, mô đun kéo, dữ liệu thử nghiệm có điều kiện và loại vật liệu chính xác, bạn sẽ có được bức tranh thực tế về cách một bộ phận sẽ hoạt động dưới tải trọng. Sự kết hợp đó, chứ không phải bất kỳ con số đơn lẻ nào, là yếu tố phân biệt bộ phận nylon đáng tin cậy với bộ phận không hoạt động sớm trong quá trình sử dụng.