材料问题:材料选择过程
本白皮书针对的是计划定量分析零件，确定载荷，应力，应变和环境并根据分析做出最佳材料决策的工程师。如果涉及生命安全，或绝对需要可靠性或有效性，则每个部件都应相应地设计和选择材料。如果你看完这篇论文，看到了涉及的许多因素，以及环境和应用如何影响材料选择，你就能理解为什么工程师会非常不愿意为别人的零件推荐特定的材料。
然而，许多设计零件的Protolabs客户并不是工程师，而且Protolabs制造的零件的许多应用都是相当良性的，并且有望在普通塑料的性能范围内保持良好。如果您的应用程序在室温下运行，它没有明显的负载，并且您愿意制作一些部件并用锤子敲打它们，看看它们是否足够坚固，以供您使用，请查看底部关于选择材料的简化建议，称为“不要让我做数学”。
材料的选择可以是一个猜谜游戏。首先，在理解材料的内部结构与其性质之间的基本关系方面存在普遍差距。其次，准确定义应用程序需求通常没有得到足够的时间和关注。最后，即使克服了前两个障碍，也很难找到材料的准确属性数据。
在材料数据库中列出了超过85,000种塑料材料的商业选择，而实际数字可能超过90,000种。这些广泛的选择可以分为大约45个聚合物家族或混合物，而这45个家族可以进一步分为两大类:热固性和热塑性塑料。虽然热固性聚合物是第一个商业化的聚合物，但它们的使用已经减少到仅占给定年份加工的所有材料的15%左右。因此，本文主要研究热塑性塑料。
标准材料数据表
标准材料数据表几乎全部由在室温下测量的性能特征组成。此外，性能特性与灾难性事件有关，这些事件被认为是工程塑料产品不可接受的结果。屈服时的抗拉强度和断裂时的伸长率代表了材料性能的标准指标，但屈服和断裂并不是塑料部件在载荷作用下的理想响应。
为您的应用程序确定合适的材料需要综合来自各种不完整来源的信息。数据表是信息的主要来源，您应该学会从这个来源提取尽可能多的信息。附录A显示了30%玻璃纤维增强PBT聚酯的数据表。这是一个相当详细的数据表的好例子。
更详细的信息有时可以从个别材料供应商出版的设计手册和应用说明中获得，并可以填补数据表中的空白。对于高性能工程和特种材料，补充信息通常比商品材料更容易获得。如果你真的想了解一份材料，你需要准备做一点侦探工作。
了解短期使用的最高温度
最高短期使用温度可能是最重要的数据表参数。传统上，这是载荷下的挠曲温度(DTUL)，也称为热挠曲温度(HDT)。另一个相关参数是维卡软化温度。由于DTUL测量的是机械挠度，而维卡点更接近聚合物的实际熔化点或软化点，因此维卡数通常会更高。对于一种材料，如玻璃增强PBT附录A这是一种半结晶材料，所有这些值都非常接近聚合物的结晶熔点，223°C(435°F)。任何涉及到高于此温度的瞬时漂移的应用都将从考虑中消除这种聚合物。
填充或未填充的非晶聚合物的温度上限也可以通过查看HDT或DTUL找到。例如，对于未填充的聚碳酸酯，HDT值范围在130-140°C之间，具体取决于等级。维卡软化点(如有规定)要高几度。非晶态聚合物在凝固时不表现出明显的晶体结构，因此它们没有熔点。然而，它们确实表现出一种叫做“玻璃化转变”的东西。从实际的角度来看，这是非晶聚合物失去其承载性能的温度。
对于聚碳酸酯，当通过动态机械方法测量时，该值约为153°C，仅比维卡软化点高几度，比DTUL高10-20°C，具体取决于试样的几何形状和DTUL的测量方式。维卡软化温度和DTUL值不应作为长期性能特征。然而，当短期以分钟为单位定义时，它们可用于测量短期耐热性。任何涉及超出这些属性的温度的应用环境都将排除该特定材料，而不管它可能具有任何其他属性。
屈服强度和抗拉强度
当材料处于恒定应力下时，其长期性能涉及一种称为“抗蠕变”的特性;如果应力是周期性的，那么抗疲劳性就成为主要考虑因素。应力、时间和温度之间的关系是复杂的，而且经常无法获得对材料在载荷下的长期行为做出正确决策所需的数据。这里，数据表可以提供一个上限。韧性材料的上限是材料的屈服强度，脆性材料的上限是断裂应力。这两个值都定义了材料灾难性失效的点。任何环境涉及的应力和应变高于这些值排除材料甚至短期考虑。除了这个简单的过滤器，你还需要看看长期的温度影响。
| 表1 43%玻璃填充尼龙6/6在不同温度下的拉伸强度和模量 | |
|---|---|
| 温度(C) | 抗拉强度(MPa) |
| -40年 | 251.6 |
| 23 | 206.8 |
| 77 | 120.6 |
| 121 | 86.1 |
理解应力和温度之间的关系
预测长期高温表现需要访问多个数据点。随着温度的升高或产品预期寿命的增加，材料可使用的许用应力水平根据依赖于特定材料的热学和机械性能的函数而降低。短期和长期性能之间的相关性表明，热塑性塑料的长期工作应力水平通常在屈服或断裂时的短期强度的20-40%之间。未填充的材料往往落在这个范围的下端，而高度填充的化合物往往落在这个范围的上端。给定产品的安全系数会降低这些值，如果应用环境的温度接近DTUL值，则可持续工作应力可能仅为数据表上提供值的3-5%。一些数据表将给出在多个温度下的拉伸强度和模量值。如果可用，这些数据可以消除很多猜测。表1给出了玻璃纤维增强尼龙6/6在多种温度下抗拉强度值的例子。
了解温度与老化的关系
所有的聚合物对氧都有长期的敏感性，这种敏感性在较高的温度下会增加。与老化相关的退化被称为“相对热指数”或RTI的属性所捕获。该值来自Underwriters实验室授权和管理的测试。它是目前测量老化对聚合物机械和电学性能长期影响的最佳仪器。RTI测试首先测量关键基准性能，如抗拉强度、抗缺口冲击性能和抗电弧性能。然后在多个温度下对试样进行老化，并监测基准性能，直到它们下降到原始值的50%。达到50%性能所需的时间称为“失败时间”。如果使用三个或四个老化温度，并将失效时间的对数绘制为温度倒数的函数，则数据点可以拟合成一条直线。然后将这条线外推到一个标准时间(通常是8年左右)，在标准时间预测导致故障的温度是相对热指数。对于大多数热塑性塑料，RTI值低于DTUL和维卡软化值。 This is the case for the glass-filled PBT in our附录A样本数据表中，DTUL和Vicat值均高于200°C(392°F)，而RTI值为140°C(284°F)。然而，对于具有良好氧化稳定性的柔软、柔性材料(如PTFE)，其RTI值可能高于其DTUL值。RTI值可以用来预测老化是主要关注的长期表现。
老化过程遵循一个与温度有关的经验法则。温度每升高10°C，降解速度加倍。这是一个指数关系，因此20°C的变化将使降解率增加2^2或4倍，而30°C的增加将使降解率增加2^3或8倍。由于RTI以大约8年的时间框架为索引，您可以估计材料可以在高于RTI 10°C的温度下存活四年，在高于RTI 20°C的温度下存活两年，在高于RTI 30°C的温度下存活一年。由于研究表明，实际的加速系数(名义上为2)可以从低至1.8到高至2.5不等，因此在计算过程中应该考虑安全因素。
模量
几乎每个数据表都提供了模数。大多数情况下，这被提供为拉伸模量或弯曲模量。模量将应力与应变联系起来，可以被认为是刚度的度量。在大多数情况下，模量是在应力-应变曲线的线性区域计算的。在非常低的应变下，线性度经常会丢失。图1显示了高度玻璃纤维增强尼龙6/6的应力应变曲线的早期部分的放大视图。当该材料在室温下的模量为10600mpa (1537000psi)时，该图显示应力-应变图偏离线性约0.4%。超过这一点，应力的每一次增量增加都会产生相应的逐渐增大的应变。图2显示，虽然模数线的斜率反映了数据表上提供的值，但连接原点到屈服点的线的有效斜率仅为报告值的40%。因此，当使用模量作为选择属性时，了解应用应力在应力-应变曲线上的位置是很重要的。 As application stresses approach the yield point the expected lifetime of the product declines. Table 2 shows the maximum operating stress for a polycarbonate material as a function of time at two different temperatures. At very short times, less than an hour, the stress limit is nearly the same as the yield stress for the given temperature. As the time frame of the application increases under load, the maximum allowable working stress declines.
应力开裂——塑料件现场失效的最常见原因
如果在应用环境中存在一种化学物质，能够引起一种称为“应力开裂”的现象，则最大工作应力下降。表3显示了表2中所示的相同聚碳酸酯的最大工作应力，其中恒定应力与作为应力裂缝剂的流体相结合。结果表明，与不含该化学物质时相比，其力学性能有所下降。在应力和化学剂的共同作用下，塑料的失效被称为环境应力开裂(ESC)，它是塑料部件现场失效的最常见原因。
| 表2:两种温度下聚碳酸酯的最大工作应力随时间的函数 | ||
|---|---|---|
| 时间(小时) | 23℃(MPa)工作应力 | 60℃(MPa)工作应力 |
| 0.01 | 63.3 | 49.6 |
| 0.1 | 61 | 48.2 |
| 1 | 58.2 | 47.2 |
| 10 | 55.7 | 44.4 |
| One hundred. | 53 | 41.7 |
| 1000年 | 51.1 | 39.9 |
| 10000年 | 48.9 | 35.1 |
应变速率对模数和屈服应力的影响
有些材料的性质与应变率有关。如图3所示，材料加载的速率将对模量和屈服应力产生影响。较高的应变率产生较大的模量和屈服应力值。虽然在测试时，希望给定类型材料的所有供应商使用相同的应变率，但情况并非总是如此，并且由于缺乏协调，数据表性能可能存在明显差异。
模量随温度的变化
模量随温度变化。如表1所示，数据表列出了多种温度下的模量值，可以更全面地了解材料的性能。然而，很少找到超过四个温度的数据，这些温度可以跨越150-200°C的范围，在这些点之间或这些点所定义的范围之外，材料的行为留下了很大的不确定性。动态力学分析(DMA)允许在宽温度范围内连续测量模量。图4显示了聚碳酸酯(一种非晶聚合物)和尼龙6(一种半结晶聚合物)的模量随温度的变化曲线。
这两种材料代表了它们各自结构的典型行为。两者都具有玻璃跃迁，这代表了在结构的非晶区域中分子运动的开始。在非晶聚碳酸酯中，这导致在相对较窄的温度范围内所有有用的机械性能完全丧失。然而，在尼龙中，模量的下降虽然显著，但不是灾难性的，大约20%的室温性能仍然存在。这是对聚合物中晶体结构的贡献的一种度量。所有非晶聚合物都表现出与聚碳酸酯相似的温度依赖行为，所有半晶材料都表现出与尼龙相似的性能-温度曲线。本质的区别在于每种聚合物的确切转变温度。
耐冲击
根据典型的数据表值评估抗冲击性能是具有挑战性的，因为行业采用了许多不同的方法来测试抗冲击性并报告结果。评估抗冲击性最常用的测试方法是缺口试验。该试验采用在零件上加工有锋利缺口的试样，并使用摇摆摆来传递产生失效所需的能量。
伊佐德缺口的最小半径往往夸大了延性的差异，因为不同材料的缺口敏感性不同。例如，聚碳酸酯和无定形PET聚酯都具有良好的实用韧性。PET聚酯比聚碳酸酯对缺口更敏感。因此，室温下聚碳酸酯的缺口Izod冲击值可能比某些等级的PET聚酯高得多，给人的印象是聚碳酸酯是一种更坚韧的材料。如果能从不同类型的冲击试验中获得冲击结果，就能更全面地了解冲击性能。
落镖测试，如加德纳测试或仪器落镖冲击测试可以提供额外的数据点。这些测试使用没有应力集中的样品，并且可以更准确地反映设计良好的零件的预期性能。
冲击性能也受温度的影响。较低的温度更容易使材料产生脆性，并且从延性到脆性的转变可能非常突然。很难找到这种行为的全貌，因为材料供应商不愿意报告不利的性能特征。然而，一个搜索可以产生有价值的结果，即使这些结果是不可用于所有材料。图5显示了不同等级聚碳酸酯的缺口冲击性能与温度的关系。这些结果表明，从延性到脆性的快速变化通常是温度下降的函数。该图还表明，从延性到脆性的转变与聚合物的分子量有关。较低的熔体流动速率值与具有较高平均分子量的牌号有关。这一特性对冲击性能发生变化的温度有显著影响。
熔体流动速率
熔体流动速率是出现在大多数属性数据表上的属性。它试图用一个数字来捕捉材料行为的一个重要方面。熔体流动速率通常被加工者用来衡量材料在成型过程中如何流动。熔体流动速率值的意义在于它与聚合物平均分子量的关系。较低的熔体流动速率值与较高的平均分子量的材料有关。更高的分子量反过来又提供了更好的性能，特别是在抗冲击、蠕变和疲劳性能以及屏障性能方面。
基于熔体流动速率的材料比较只有在特定聚合物家族中才有效。此外，有些材料采用多种条件进行测试。例如，ABS可以在不同的条件下进行测试，这些条件由温度和施加在材料上的负载定义。这些试验条件见表4以及与每种情况相关的结果的典型差异。当比较两种等级的材料时，重要的是要注意测试参数并进行相应的调整。
| 表4:试验条件对ABS熔体流动速率的影响 | |
|---|---|
| 测试条件 | 公称熔体流动速率(克/10分钟) |
| 200 C / 5.0公斤 | 1.5 |
| 230℃/3.8 kg | 4.5 |
| 220℃/10.0 kg | 18.0 |
| 表5:43%玻璃填充尼龙6/6在不同温度范围内的膨胀系数 | ||
|---|---|---|
| 温度范围(℃) | CLTE(毫米/ mm /°C) | |
| -40 - 23 | 0.0000612 | |
| 23至55岁 | 0.0000792 | |
| 55至160 | 0.0001278 | |
其他材料特性
在特定的应用中，热学和力学以外的性能也很重要。这些包括电性能，如介电常数和强度，表面和体积电阻率，以及热膨胀系数。热膨胀系数的标准测量在-30°C和+30°C之间进行。然而，一些供应商将提供跨多个温度范围的值，如表5所示。当这张更完整的图片可用时，它表明这些类型的性质也依赖于温度，并且值倾向于随着温度的升高而增加。
塑料通常被认为是优秀的电绝缘体，除非一种化合物是专门通过添加碳或不锈钢等成分来消散静电或具有一定导电性的。因此，大多数材料的电阻率值非常高，表面和体积电阻率分别在10^10到10^16欧姆或欧姆-厘米之间。随着时间的推移，持续的电应力会导致材料的介电击穿。这种行为将取决于所施加电压的大小，并通过可能是标准数据表的一部分的特性最有效地捕获，但可能更容易在保险商实验室数据库中找到，作为其黄牌系统的一部分。该方法将数值应用于高安培点火、电弧轨迹电阻和连续跟踪指数等特性，每个指标的最低值表明性能优越，较高的值与较低的性能水平相关。
塑料通常被认为是优秀的电绝缘体，除非一种化合物是专门通过添加碳或不锈钢等成分来消散静电或具有一定导电性的。因此，大多数材料的电阻率值非常高，表面和体积电阻率分别在10^10到10^16欧姆或欧姆-厘米之间。随着时间的推移，持续的电应力会导致材料的介电击穿。这种行为将取决于所施加电压的大小，并通过可能是标准数据表的一部分的属性最有效地捕获，但可能更容易在保险商实验室数据库中找到，作为其黄牌系统的一部分。该方法将数值应用于高安培点火、电弧轨迹电阻和连续跟踪指数等特性，每个指标的最低值表明性能优越，较高的值与较低的性能水平相关。
别让我做数学!
顾问通常不会在不了解零件的完整应用需求，并且没有对零件的3D模型进行设计分析的情况下提出材料建议。有时，完全设计零件来选择材料并不划算。如果你想缩短材料工程的时间，并在材料选择上有一个受过教育的机会，这里有一些你可以使用的经验法则:
1试试ABS。ABS适用于很多很多的应用。它的价格合理，坚固，相对坚韧，有一个体面的外观，即使你不遵守所有的标准也是宽容的塑料零件设计原则。它的熔点确实相对较低。我们的样品模具中所有的零件都是ABS。
2如果它需要便宜，而且硬度和化妆品不是很重要，那就试试聚丙烯(PP)。我们的设计立方体是由PP制成的。
3.如果你需要比ABS更坚固一点的材料，或者能承受更高一点的温度，可以试试聚碳酸酯(PC)。如果你不遵守标准，PC比ABS更不宽容塑料零件设计原则。
4如果它需要美观和透明，试试丙烯酸(PMMA)。PMMA可能有点脆。透明的PC将比PMMA更坚固，但在外观上要差一些。
5如果规则1-4没有告诉你该怎么做，那么你需要开始计算了。
如果您要模具零件，您可以尝试在我们的CNC加工服务的目标材料中有几个测试零件，然后再投入模具。模具的设计与特定树脂的收缩率相匹配，因此在同一模具中运行多种树脂而不影响零件尺寸，公差和/或尺寸可能是不可能的。
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