Приспособление для испытания на прочность при равноосном изгибе керамики (ASTM C1499 и ASTM F394)

Модель № WTF-CB (нержавеющая сталь)

керамическое приспособление для испытания на прочность при равноосном изгибе_0

Рис. 1: Собранное испытательное приспособление без образца.

ASTM C1499 (ссылка 1) - относительно новый стандарт, введенный в 2001 году. Тонкий круглый диск (допускается также квадратный образец) из монолитного керамического материала или композита с керамической матрицей, армированного вискерами или частицами, опирается на кольцо и нагружается концентрическим кольцом меньшего диаметра, так называемое нагружение "кольцо на кольцо". Необходимые диаметры опорного и нагрузочного кольца зависят от толщины и свойств материала испытываемого образца. В стандарте приведены выражения для расчета этих параметров.

Для достижения равномерного распределения нагрузки, либо поверхности образцов должны быть очень плоскими (обычно путем шлифовки поверхности), либо между каждым кольцом и образцом помещается относительно толстый (половина толщины образца) лист податливого материала (например, резины). Для достижения равномерной нагрузки нагрузочная головка имеет шарнирную конструкцию, опирающуюся на сферическое седло. Несмотря на эти проблемы с равномерным введением нагрузки, данный метод испытания становится все более популярным. Данное приспособление в собранном и разобранном виде показано на рис. 1 и 2.

приспособление для испытания керамики на равноосный изгиб_1

Рис. 2: Разобранное испытательное приспособление.

В дополнение к стандарту ASTM C1499, написанному для передовой керамики в целом, существует стандарт ISO 13356 (ссылка 2) для керамических материалов хирургических имплантатов, и в частности для иттрий-стабилизированного тетрагонального диоксида циркония (Y-TZP). В нем используется тот же тип приспособления, но указывается конкретный размер, а именно: опорное кольцо 30 мм, нагрузочное кольцо 12 мм и радиус поперечного сечения колец 2 мм.

Другой, гораздо более старый метод испытаний ASTM, ASTM F394 (ссылка 3), впервые представленный в 1974 году, до сих пор иногда используется, несмотря на то, что ASTM прекратил его применение в 2001 году. Приспособление для испытания показано на рис. 3. Тонкий диск диаметром 1,25 дюйма из керамического материала, подлежащего испытанию, опирается на три шарика диаметром 0,125 дюйма, равномерно расположенных по окружности диаметром 1 дюйм. Сжимающая нагрузка прикладывается к центру образца диска с помощью закаленного стального стержня диаметром 0,0625 дюйма с плоским концом. Тонкая (толщиной 0,002 дюйма) полимерная пленка (например, полиэтилен) помещается под плоский нагрузочный стержень диаметром 0,0625 дюйма для более равномерного распределения приложенной нагрузки. Минимальная толщина образца должна быть такой, чтобы его центральный прогиб при разрушении не превышал половины толщины образца.

приспособление для испытания на прочность при равноосном изгибе керамики_2

Рис. 3: Собранное приспособление ASTM F394 без образца

Одним из важных преимуществ этой конфигурации двухосного испытания является то, что коробление образца не является влияющим фактором, в отличие от испытания "кольцо на кольцо" (ASTM C1499). Искривление образца также является проблемой при испытании на изгиб прямой балки (ссылка 4), что требует использования шарнирного испытательного приспособления.

Оба метода двухосного испытания имеют преимущество по сравнению с испытанием на изгиб прямой балки в том, что максимальное (двухосное) растягивающее напряжение возникает в центре образца на нижней (выпуклой при отклонении) стороне. Таким образом, обработка поверхности края образца не имеет решающего значения. Это не так при испытании на изгиб прямой балки.

Источники дополнительной информации:

1) Стандарт ASTM C 1499-09 (2013), "Монотонная равноосная прочность при изгибе усовершенствованной керамики при температуре окружающей среды", Американское общество по испытаниям и материалам, Вест Коншохокен, штат Пенсильвания (впервые выпущен в 2001 году).

2) ISO 13356, "Имплантаты для хирургии - керамические материалы на основе иттрий-стабилизированного тетрагонального диоксида циркония (Y-TZP)", Международная организация по стандартизации, Женева, Швейцария, 1997.

3) Стандарт ASTM F 394-78 (вновь утвержден в 1996 году, а затем отменен в 2001 году), "Прочность при двухосном изгибе (модуль разрыва) керамических субстратов", Американское общество по испытаниям и материалам, West Conshohocken, PA (впервые издан в 1974 году).

4) Стандарт ASTM C 1161-13 (2013), "Прочность на изгиб усовершенствованной керамики при температуре окружающей среды", Американское общество по испытаниям и материалам, Западный Коншохокен, Пенсильвания (впервые издан в 1990 году).