Impactssterkte: Definities, Belang en Precieze Meettechnieken

Impactssterkte is de maat van het vermogen van een materiaal om barsting, breuk of plastische vervorming onder plotselinge en intense impact, of schokbelasting, te weerstaan. Het is een kritieke eigenschap die het materiaal's vermogen bepaalt om plotselinge krachten te weerstaan. Het ontwerpen van componenten die aan hoge impact- of schokbelasting blootgesteld zullen zijn, hangt af van een begrip van deze metingen, om potentiële falen toe te laten. De impactssterkte van een materiaal wordt doorgaans gekwantificeerd met de IZOD-test of Charpy-tests. Dit zijn indicatieve en gestandaardiseerde tests, gebruikt om materialen te graderen. Echter, ze zijn niet representatief voor echt gebruik en bieden beperkte informatie over cyclische of real-world belasting. Dit artikel beschrijft impactssterkte, hoe het berekend wordt, het belang, de factoren die het beïnvloeden, en de verschillende typen impactsterkte falen.

Wat is Impactssterkte?

Impactssterkte is een maat van het vermogen van een materiaal om breuk te weerstaan onder schok- en impulsbelasting. Het is alleen van toepassing op materialen die bros breuk ondergaan. Het wordt ook gebruikt in het testen van ductiele materialen die temperatuurs- en/of impuls-afhankelijke bros-ductiele overgang vertonen. Veel materialen die ductiel zijn onder "normale" belasting en operationele omstandigheden kunnen bros gedrag vertonen wanneer koud en/of plotselig geïmpacteerd. Het evalueren van deze gedragingen is informatief in productontwerp en materiaalselectie.

Wat is het belang van Impactssterkte?

Het begrijpen van de impactgedragingen van materialen is een kritiek stuk ontwerpinformatie dat zowel materiaalselectie als gedetailleerd ontwerp aandrijft. Componenten die waarschijnlijk zullen lijden onder hoge impuls (d.w.z. korte periode) impacten moeten gemaakt worden om de catastrofale effecten te weerstaan die deze kunnen creëren.

Goed ontwerp van veerkrachtige producten vereist dat diverse gedragingen begrepen worden naast basis impactssterkte. Het begrijpen van eigenschappen zoals vermoeidheid, microbreuk en gemengde ductiele/bros gedragingen dragen ook bij aan het reduceren/voorkomen van het maken van producten die prematuur in dienst falen. Levensduur is met name belangrijk in veel gebieden. Het stelt preventief onderhoud in staat en drijft een begrip van inspectieprocessen en -schema's om falen te voorkomen.

Hoe wordt Impactssterkte berekend of gemeten?

Hieronder staan de twee methoden voor het berekenen van impactssterkte opgesomd:

1. Charpy-impacttest

De Charpy-test is minder veel gebruikt dan de IZOD-test en resulteert in een meting van geabsorbeerde Charpy V-impactenergie, in Joules. Dit wordt gemeten door de na-impact beweging van de hamer, aangezien de overgebleven energie gedissipeerd wordt in de voortgezette zwaai van de zwaaihamer.

Om meer te leren, raadpleeg onze complete gids over Charpy-impacttest.

Wat zijn de factoren die de impactssterkte van materialen beïnvloeden?

Hieronder staan de factoren die de impactssterkte van materiaal beïnvloeden opgesomd:

1. Materiaaldikte

Dikker materiaal zal sterkte beïnvloeden door meer structuur/bindingen te bieden die gebroken moeten worden om breuk te bereiken.

2. Temperatuur

Veel materialen tonen significante veranderingen in eigenschappen als de temperatuur verandert. Het karakteriseren van deze wijzigingen is een kritisch deel van het materiaaldefinitie/testproces, en zowel IZOD- als Charpy-tests worden uitgevoerd bij een reeks standaardtemperaturen.

Metalen, in het bijzonder, hebben een aanlaagtemperatuur, waarop ze meer zelfherstellend kunnen worden. Aluminium, bijvoorbeeld, aanlaait bij 570°F, zodat alle kristalgrenzen in elkaar mengen en het materiaal erg ductiel wordt. Sommige materialen lijden aan verbrokkeling bij lage temperaturen. Veel materialen zwakken als ze heter worden, met ongewone overgangen die zichtbaar zijn bij temperaturen zoals de aanvang van glasovergang.

3. Notch Straal

Spanningsconcentratie is een grote factor in materiaalsterkte. Een scherpe notch tip zal breuk bevorderen door de spanning op een punt te focussen, dus notch straal is kritisch belangrijk bij het vergelijken van tests voor gelijksoortige materialen.

Wat zijn de verschillende typen impactsterkte falen?

Hieronder staan de verschillende typen impactsterkte falen opgesomd:

1. Bros Breuk

Een bros breuk is een waarin een monster materiaal in twee of meer delen geplast is. Deze delen kunnen terug gepast worden om de oorspronkelijke vorm/omtrek van het deel te vormen. Een cracker ondergaat bros breuk, wanneer vers en knapperig.

2. Ductiele Breuk

Een ductiele breuk is een zeldzame gebeurtenis. Ductiele falenmodi treden op wanneer een materiaal irreversibel nekvorming ondergaat (d.w.z., plastische vervorming ondergaat) en uitgebreid. In het algemeen ziet een massive ductiele fal in een trekteststuk eruit als plasticine die getrokken is om een nek te vormen. Dit wordt doorgaans gevolgd door een kleine bros breuk die netjes terug past – in plaats van uit te rekken tot een haar-fijn draadje.

3. Vervorming

Vervorming is een kenmerk van elastische materialen die hun elastische limiet bereiken en dan plastische vervorming ondergaan. Bij het ervaren van krachten onder het vervormingspunt, keert het materiaal terug naar de oorspronkelijke vorm/afmetingen wanneer de kracht vrijgegeven wordt. Aan de andere kant, wanneer het vervormingspunt of de rekgrens overschreden wordt, zal het materiaal een aantal plastische (d.w.z. permanente vervorming) ondergaan. Wanneer de kracht vrijgegeven wordt, herstelt het materiaal zijn elastische vervorming, maar niet de plastische component.

4. Licht Cracken

Het doel van zowel Charpy- als IZOD-tests wanneer correct uitgevoerd is het uiteengaan of breuk van het materiálmonster, in twee of meer stukken. Als het monster alleen licht beschadigd of gedeeltelijk gebroken is, kan een hogere energie of diepere notch test geschikt zijn. De fal kan bereikt worden uit een mengsel van modi – schuif, ductiel en bros. Faltypen worden opgesomd als: complete breuk, hinged breuk, onvolledige breuk en geen breuk.

Hoe hangt impactssterkte samen met 3D-printen?

De meeste 3D-geprinte kunststoffen tonen aanzienlijk lagere impactssterkte dan een gegoten of gefreesde blok van hetzelfde materiaal. Dit is een functie van de anisotrope eigenschappen van de constructiemethoden die gebruikt worden voor 3D-printen en kan significant verband houden met de bouworiëntatie. Bijvoorbeeld, FDM-delen bieden doorgaans betere inter-laaghechting dan intra-laag, dus de modellen hebben een redelijke mate van sterkte in het X-Y-vlak van de build, maar zijn veel zwakkere langs de Z-as. Deze variatie/richtingsgevoeligheid is waar voor andere modeltypen, in wisselende mate.

Wat is de ideale impactssterkte voor een 3D-geprint materiaal?

De ideale impactssterkte voor een 3D-geprint materiaal varieert afhankelijk van de materiaalkenmerken. In het algemeen is de impactssterkte van FDM-geprinte delen in, bijvoorbeeld, PLA bijna nul over de Z-as en tot 23 kJ/m² over de X-Y-assen in Charpy-tests.

Wat zijn de toepassingen van impactssterkte?

Hoewel impactsterktetesten geen absolute referentiepunt in het ontwerp van componenten kunnen leveren, is het een noodzakelijke schaalmeting. Hieronder staan enkele toepassingen van impactssterkte opgesomd:

1. De relatieve sterkte van materialen.
2. Falenmodi onder "normale" ongunstige omstandigheden. Deze resultaten kunnen het ontwerpproces informeren, door stijfheid en energie-dissipatie voor componenten te verbeteren. Het helpt de real-world prestaties te verbeteren door, bijvoorbeeld, ductiele vervorming beter te tolereren die voorspelbaar kan optreden.
3. Temperatuurprestaties begrijpen, om de selectie van materialen toe te laten die geschikt zijn voor de verwachte werkomstandigheden voor het deel.
4. Andere omgevingsfactoren begrijpen zoals vochtblootstelling/absorptie en het effect op delen.

Wat zijn voorbeelden van de impactssterkte van sommige materialen?

Materiaalimpacttesten is een gebied van gemengde uitkomsten. Niet alle testen zijn zo rigoureus als ze zouden moeten zijn. Materiaalfabricage kan variabiliteit introduceren die niet duidelijk is tot falen. In metalen kunnen warmtebehandeling en de resulterende kristallijnestructuurveranderingen verstrekkende effecten hebben die moeilijk te begrijpen of te kwantificeren zijn.legeringsmiddelen zijn vergelijkbaar belangrijk, hoewel minder verborgen. Ten slotte kunnen productieprocessen de prestaties zo markant veranderen dat basismateriaaltesten oninformatief kunnen zijn. Een goed voorbeeld is het verschil tussen een gesmeed en een gegoten staaldeel gemaakt in hetzelfde materiaal. Het grondstofmateriaal is identiek, maar het gesmeede deel kan orde van grootte stijver, sterker en meer breukvaste zijn.

Wat is de impactssterkte van kunststof?

De impactssterktes van enkele veelvoorkomende polymeren worden in Tabel 1 hieronder getoond:

Tabel 1: Impactssterktes van enkele veelvoorkomende polymeren

Tabel Credit: https://omnexus.specialchem.com/

Veelgestelde vragen over Impactssterkte

Wat is het sterkste impact-sterkte metaal?

In onderzoeksresultaten was de hoogste Charpy-testwaarde ooit behaald voor een metaalcompositemonster (~450J). Het was voor een gelaagd blok van afwisselende bladen van warm gewalste gebonden ferriet en martensiet stalen.

Welk apparaat wordt gebruikt om de impactssterkte van het materiaal te meten?

In zowel de IZOD- als Charpy-tests wordt het monster geïmpacteerd door een zwaaihamer wiens energie aangepast kan worden met een hogere of lagere bob gewicht. In IZOD-testen is het monster doorgaans geklemd aan één uiteind, verticaal gemonteerd, en het kan genot of (minder vaak) niet. De notch kan de hamer aanspreken of omgekeerd. Hoewel de metingen in principe weinig zouden moeten variëren, is consistentie in elke testcyclus belangrijk. In Charpy-testen overbrugt het monster de horizontale kloof tussen twee steunen waarop het rust. De hamer zwaait tussen deze steunen en is zwaarder voor hogere-sterkte materialen.

Wat is het verschil tussen impactssterkte en trekkracht?

Impactssterkte definieert het vermogen van een component om vervorming en breuk te weerstaan wanneer lateraal geïmpacteerd en één of beide uiteinden ondersteund worden. Trektesten passen een longitudinale belasting toe op één uiteind van een monster, terwijl het andere uiteind stevig bevestigd is in een 2D-klem. Trekcapaciteit is een heldere maat met een beter gekwantificeerde output, wat vertaalt in eenvoudige, berekenbare sterkte in trekking, voor componenten.

Om meer te leren, raadpleeg onze complete gids over Trekkracht.

Samenvatting

Dit artikel presenteerde impactssterkte, legde uit wat het is, en besprak wat het betekent in productie. Om meer te leren over impactssterkte, neem contact op met een Xometry-vertegenwoordiger.

Xometry biedt een wijd bereik aan productiemogelijkheden, inclusief 3D-printen en andere waarde-toegevoegde diensten voor al uw prototyping- en productiebehoeften. Bezoek onze website om meer te leren of om een gratis, zonder verplichtingen offerte aan te vragen.

Disclaimer

De inhoud die op deze webpagina verschijnt is alleen voor informatieve doeleinden. Xometry geeft geen enkele representatie of garantie van welke aard dan ook, uitdrukkelijk of impliciet, wat betreft de nauwkeurigheid, volledigheid of geldigheid van de informatie. Eventuele prestatieparameters, geometrische toleranties, specifieke ontwerpkenmerken, kwaliteit en typen materialen of processen mogen niet worden afgeleid om te vertegenwoordigen wat door derden leveranciers of fabrikanten via Xometry's netwerk geleverd zal worden. Kopers die offertes voor delen zoeken, zijn verantwoordelijk voor het definiëren van de specifieke eisen voor die delen. Raadpleeg onze voorwaarden voor meer informatie.

Dean McClements

Dean McClements is een B.Eng Honors afgestudeerde in Werktuigbouwkunde met meer dan twee decennia ervaring in de productie-industrie. Zijn professionele reis omvat significante rollen bij toonaangevende bedrijven zoals Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace en Hyster-Yale, waar hij een diep begrip ontwikkelde van engineering processen en innovaties.

Lees meer artikelen van Dean McClements