落下塔試験機は引張強度衝撃試験をどのように改善するか?
材料開発において、モデル化された性能と実験的挙動との間のギャップは常に課題となっています。正確で高品質な入力データがなければ、最も高度なCAEモデルでさえ、実際の使用条件下で材料がどのように挙動するかを予測できない可能性があります。
落下塔を使用した動的引張衝撃試験は、そのギャップを埋めるのに役立ち、材料科学者やエンジニアに、シミュレーションが現実を反映しているという確信を与えます。
引張衝撃試験が重要な理由
初期段階の材料特性評価のほとんどは、以下のような基本的な機械的特性に焦点を当てています。
- 密度
- 剛性
- 引張強度
これらの特性は通常、静的または準静的引張試験を使用して測定されます。この試験では、荷重がゆっくりと加えられ、変形が数秒または数分かけて発生します。
しかし、これらの材料に突然荷重を加えた場合、何が起こるでしょうか?
静的試験と動的試験:何が違うのか?
準静的試験は、定常荷重または長期荷重下での材料挙動を理解するために不可欠です。しかし、材料が衝撃的または高速の負荷を受ける場合、明確な限界があります。
動的事象では:
- 変形と破壊がミリ秒単位で発生します。
- 材料は低ひずみ速度の場合とは異なる挙動を示すことがよくあります。
エンジニアは、衝撃挙動を予測するために静的データを外挿せざるを得ません。ポリマー、プラスチック、フィルム、複合材料などの材料の場合、この外挿はリスクを伴う可能性があります。
高ひずみ速度データが材料開発に不可欠な理由
多くの業界において、動的負荷下での信頼性は譲れません。
- 自動車および航空宇宙では、安全性が重要な部品は、衝突または衝撃事象時に予測可能な性能を発揮する必要があります。
- 電気自動車では、バッテリーセパレーターフィルムは、突然の機械的および熱的過渡現象時に完全性を維持する必要があります。
- 電子機器では、薄膜および接着剤は、落下、衝撃、高速製造プロセスに耐える必要があります。
UL 2580などの規格は、バッテリー部品を静的試験から推測するのではなく、動的条件下で特性評価することを明示的に要求しています。
材料開発者はまた、公表された規格とは異なる、またはそれを超えるOEM内部仕様を満たすために、動的試験をますます使用しています。
動的試験を困難にする要因は何か?
歴史的に、動的試験は静的方法よりもアクセスが困難でした。
主な課題には以下が含まれます。
- 高速破壊 — 破壊が従来のセンサーで捕捉するには速すぎる可能性があります
- データの忠実度 — サンプリングレートが不十分だと、力のピークや破壊メカニズムが不明瞭になる可能性があります
- 計測機器のコストと複雑さ
いくつかの動的方法および衝撃試験システムが存在します。
- 非常に高いひずみ速度用のスプリットホプキンソン圧力棒(SHPB)
- シャルピー衝撃試験やアイゾット試験などの標準化された破壊評価用の振り子衝撃試験
しかし、これらのアプローチは、幅広い材料にわたる引張衝撃特性評価に必要な柔軟性や計測機能を常に提供するわけではありません。
落下塔引張衝撃試験はどのように機能するか?
落下塔引張衝撃試験は、誘導された落下ストライカーを使用して、試験片に制御された高速引張荷重を加えます。
典型的なセットアップでは:
- 試験片は引張衝撃バイスに垂直に固定されます。
- ストライカーは目標速度を達成するために定義された高さから解放されます。
- 計測されたタップは、ひずみゲージまたは圧電センサーのいずれかを使用して、衝撃中に加えられた力を記録します。
- 破壊までに吸収されたエネルギーは、試験片が破断するまで計算されます。
この機械引張試験方法により、以下の直接測定が可能になります。
- 引張衝撃強度
- エネルギー吸収
- 変形挙動
- 破壊モード
重要なことに、高ひずみ速度データを提供し、準静的結果からの外挿への依存を減らします。
材料開発における落下塔の利点
最新の落下塔システムは、以前は材料試験室で利用できなかった機能を提供します。
高速イメージング
統合された高速カメラは、わずか数ミリ秒しか続かない場合でも、破壊事象をフレームごとに捕捉します。
力データと同期すると、エンジニアは以下を確認できます。
- 亀裂の開始
- 弾性変形から塑性変形への遷移
- 最終破壊の進行
デジタル画像相関法(DIC)
DICは、引張衝撃試験に空間分解能を追加します。
平均ひずみ計算に依存するのではなく、DICにより以下が可能になります。
- 全視野ひずみマッピング
- 局所的な応力集中の特定
- 異方性または層状材料のより良い理解
高分解能データ収集
動的引張衝撃試験には、柔軟なサンプリングレートが必要です。
- 脆性材料は10ミリ秒未満で破壊する可能性があります。
- 延性材料は数十ミリ秒にわたって変形する可能性があります。
高度な落下塔システムは、広範なサンプリング周波数範囲と高い取得点数をサポートし、両方の挙動に対して正確な力-時間曲線およびエネルギー-時間曲線を保証します。
外挿を超えて
静的および準静的試験は依然として不可欠なツールですが、全体像を語るものではありません。
落下塔引張衝撃試験は、現実的な高速負荷条件下で材料がどのように挙動するかについて、直接的な実験的知見を提供します。その知見は以下を改善します。
- シミュレーション精度
- 材料選択の決定
- 製品の安全性と信頼性
ポリマー、複合材料、フィルム、その他のひずみ速度依存性材料を扱うR&Dチームにとって、落下塔は最新の特性評価ワークフローの中核部分となっています。
Instron落下塔システムの詳細
Instronの9400シリーズ落下塔(9450高エネルギー落下塔を含む)は、幅広い材料およびアプリケーションにわたって正確で再現性のある引張衝撃データを提供するように設計されています。
落下塔引張衝撃試験が材料開発プログラムをどのように強化できるかを探るには、デモをリクエストするか、Instronアプリケーションスペシャリストにご相談ください。
Instron Updateを購読する
業界のトレンド、試験規格、アプリケーション、ヒントやコツなど、最新情報を入手しましょう。
落下塔引張衝撃試験が、材料シミュレーションを強化する正確で再現性のあるデータをどのように提供するかをご覧ください。