Trong quá trình thiết kế và sản xuất sản phẩm từ nhựa, việc kiểm tra độ bền cơ học thông qua thiết bị kiểm tra lực kéo (tensile tester) là một bước cần thiết để đảm bảo tính an toàn khi sử dụng sản phẩm trong thực tế. Khác với việc thử nghiệm đặc tính vật liệu thô, kiểm tra lực kéo trên sản phẩm hoàn thiện mang lại dữ liệu gần sát nhất với điều kiện sử dụng thực tế.
1. Nhựa có độ bền thấp hơn kim loại
Vì nhựa thường có giới hạn chịu lực thấp hơn so với kim loại, nên các mẫu thử thường được tạo hình theo tiêu chuẩn “xương chó” (dogbone) – một dạng mẫu có thiết kế đặc trưng để dễ dàng đánh giá ứng suất – và có thể được gia công bằng máy CNC.
Cắt mẫu thử kéo xương chó bằng nhựa bằng máy CNC
- Mẫu thử nhựa dạng dogbone
- Gia công mẫu thử bằng máy CNC
2. Kiểm tra sản phẩm thực tế tốt hơn mẫu dogbone
Mặc dù mẫu dogbone mang lại tính chuẩn hóa cao khi so sánh giữa các loại vật liệu, việc kiểm tra trực tiếp sản phẩm thật (nếu có thể) sẽ phản ánh chính xác hơn khả năng chịu lực trong điều kiện thực tế. Điều này đặc biệt quan trọng với các chi tiết nhựa chịu tải trong ứng dụng hằng ngày.
Quy trình kiểm tra lực kéo
Bắt đầu từ mô phỏng thiết kế bằng phần mềm CAD, khả năng chịu lực của sản phẩm được tính toán lý thuyết. Ví dụ: một chi tiết nhựa có thể chịu lực kéo lý thuyết 150 pounds, nhưng để đảm bảo an toàn, hệ số an toàn thường được áp dụng (ví dụ hệ số 3), nên tải trọng sử dụng khuyến nghị sẽ chỉ là 50 pounds.
Khi sản phẩm hoàn thiện, mẫu thử sẽ được gắn vào thiết bị kiểm tra lực kéo. Thông thường, lực phá hủy thực tế sẽ thấp hơn lý thuyết một chút – chẳng hạn từ 150 pounds xuống còn 137–140 pounds – và điều này là chấp nhận được. Tuy nhiên, nếu sản phẩm bị hỏng ở mức thấp hơn nhiều (ví dụ 75 pounds), có thể vấn đề nằm ở quy trình gia công như ép phun hoặc lắp ráp.
Cách hoạt động của thiết bị
Máy kiểm tra lực kéo dạng tay đòn hoạt động bằng cách truyền lực từ tay người vận hành thông qua một cánh tay gắn với đầu kẹp mẫu. Lực tác động được đo bằng cảm biến, cho biết chính xác lực tối đa mà mẫu chịu được trước khi đứt.
Máy kiểm tra lực kéo
- Máy kiểm tra lực kéo dạng tay đòn
Tổng quan về thử nghiệm lực kéo
Thử nghiệm lực kéo là một trong những phương pháp phổ biến nhất để xác định tính chất cơ học của vật liệu. Khi chịu lực kéo, mẫu sẽ bị kéo giãn cho đến khi đứt, từ đó xác định được giới hạn bền kéo, độ giãn dài, tính dẻo, độ cứng…
Ngoài lực kéo, còn có các thử nghiệm khác như:
- Nén (compression)
- Cắt (shear)
- Uốn (bending)
Mẫu thử dạng “xương chó” (tensile bar)
Mẫu thử dogbone thường được đúc từ vật liệu cần kiểm tra, với hai đầu có thể dạng trơn hoặc có ren tùy thuộc vào loại máy. Đối với vật liệu kim loại hoặc gốm, thiết bị thử cần dùng động cơ để tạo lực lớn hơn so với mẫu nhựa thông thường.
- Biểu đồ lực kéo – biến dạng (Stress-Strain)
- So sánh mẫu thử kim loại ở các mức nhiệt độ khác nhau
Biểu đồ Stress-Strain
Biểu đồ này mô tả mối quan hệ giữa ứng suất (σ – stress) và biến dạng (ε – strain) trong suốt quá trình thử:
- Giai đoạn tuyến tính (đàn hồi)
- Điểm chảy (Yield strength): vật liệu bắt đầu biến dạng vĩnh viễn
- Độ bền tối đa (Ultimate strength): lực tối đa trước khi đứt
- Giai đoạn cổ chai (Necking) và phá hủy
Việc hiểu rõ đặc tính cơ học của vật liệu giúp định hướng thiết kế và đảm bảo sản phẩm đạt chuẩn chất lượng và an toàn khi đưa vào sử dụng. Đây là bước không thể thiếu trong quy trình kiểm soát chất lượng của nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là nhựa kỹ thuật.
Tác giả: Duy Vinh
