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Ⅰ型和Ⅱ型材料挠曲强度检测

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发布时间：2025-08-01 20:59:42 更新时间：2025-07-31 20:59:43

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

Ⅰ型和Ⅱ型材料挠曲强度检测

挠曲强度（或弯曲强度）是衡量材料抵抗弯曲变形和断裂能力的关键力学性能指标，广泛应用于塑料、复合材料、陶瓷、金属等各类材料的质量控制和研发评价中。对于Ⅰ型和Ⅱ型材料的区分（常见于特定行业标准，如医疗器械中依据预期用途或风险等级的分类），挠曲强度检测尤为重要。Ⅰ型材料通常指预期与人体长期接触或植入体内的关键材料（如骨科植入物、牙科材料），对生物相容性和长期力学稳定性要求极高；Ⅱ型材料则可能指与人体短期接触或非植入的中等风险材料（如部分器械外壳、非承重部件）。精确评估其挠曲强度，直接关系到产品的安全性、可靠性与使用寿命。因此，建立科学、规范的检测流程，选择合适的项目、仪器、方法及严格遵循相应标准，是确保检测结果准确可靠、具有可比性的基石。

检测项目

挠曲强度检测的核心项目是测定材料在三点弯曲或四点弯曲载荷下发生断裂或达到规定挠度时的最大弯曲应力。主要参数包括：

挠曲强度 (Flexural Strength): 材料在弯曲载荷作用下断裂前所能承受的最大表面应力，通常以兆帕 (MPa) 表示。
挠曲模量 (Flexural Modulus): 反映材料在弹性弯曲变形阶段抵抗变形的能力，即弯曲应力与应变的比例关系，是材料刚度的度量，单位通常为兆帕 (MPa) 或吉帕 (GPa)。
最大挠度 (Maximum Deflection): 试样在断裂或测试结束时所达到的最大弯曲位移量。
载荷-挠度曲线 (Load-Deflection Curve): 记录整个弯曲过程中载荷与试样中点挠度变化的曲线，用于分析材料的变形行为和可能的屈服点。

对于Ⅰ型植入材料，还需特别关注在模拟体液环境（如生理盐水、PBS缓冲液）下进行长期或循环加载后的挠曲性能变化，以评估其体内服役的长期稳定性。Ⅱ型材料的检测则更侧重于常规条件下的基本力学性能达标。

检测仪器

挠曲强度检测主要依赖万能材料试验机 (Universal Testing Machine, UTM) 进行，并配备专用的弯曲夹具：

三点弯曲夹具 (Three-Point Bending Fixture): 结构简单，由两个下支撑辊和一个上加载辊组成。试样跨放在两个固定支撑辊上，加载辊在试样中心位置向下施加载荷。计算挠曲强度时主要考虑试样中心的最大应力。此方法操作简便，应用最广。
四点弯曲夹具 (Four-Point Bending Fixture): 由两个下支撑辊和两个上加载辊组成。两个加载辊在试样跨距内对称施加载荷。四点弯曲在加载辊之间的区域产生纯弯曲（即恒定弯矩），无剪切力影响，更能真实反映材料的弯曲性能，尤其适用于评估材料均匀性或表面缺陷的影响。

试验机需具备精确的载荷传感器（量程需覆盖预期断裂载荷）和高分辨率的位移测量装置（如引伸计或光学编码器）。对于Ⅰ型材料在模拟生理环境下的测试，还需配备环境箱，能够精确控制测试介质的温度（通常为37±1°C）和可能的浸泡条件。

检测方法

标准的挠曲强度测试方法主要依据三点弯曲或四点弯曲原理进行：

试样制备: 严格按照相关标准要求裁切或注塑成型试样（通常为矩形长条）。精确测量试样的宽度和厚度（关键尺寸），记录平均值。
跨距设定: 根据试样厚度和标准规定（通常跨距L是试样厚度h的16倍左右，如ASTM D790中L=16h），精确调整支撑辊之间的距离（跨距L）。
装样: 将试样水平放置在支撑辊上，确保试样长轴与支撑辊和加载辊垂直，试样中心对准加载点（三点弯曲）或位于加载辊对称中心（四点弯曲）。
测试参数设置: 设定试验速度。关键参数是加载点的移动速率。标准（如ISO 178, ASTM D790）通常根据材料类型规定应变速率（跨距中点外表面纤维的应变速率）或等效的横梁位移速率。常见范围为1 mm/min 到 10 mm/min，脆性材料宜慢，韧性材料可稍快。设置数据采集频率。
测试执行: 启动试验机，加载辊以恒定速度向下移动，对试样施加弯曲力。持续加载直至试样断裂（脆性材料）或达到规定的最大挠度（韧性材料，如5%应变）。
数据记录: 试验机软件实时记录载荷和挠度数据，并自动绘制载荷-挠度曲线。
结果计算:
- 三点弯曲挠曲强度 (σ_f3): σ_f3 = (3 * F * L) / (2 * b * h²) (F: 最大载荷, L: 跨距, b: 试样宽度, h: 试样厚度)
- 四点弯曲挠曲强度 (σ_f4): σ_f4 = (F * L) / (b * h²) (对于跨距内等弯矩情况，F为总载荷，L为外跨距)
- 挠曲模量 (E_f)): 通过载荷-挠度曲线的初始线性段斜率计算。E_f = (L³ * m) / (4 * b * h³) (三点弯曲, m: 线性段斜率即载荷/挠度) 或 E_f = (L³ * m) / (b * h³) (四点弯曲特定形式)。

检测标准

进行Ⅰ型和Ⅱ型材料挠曲强度检测时，必须严格遵循国际、国家或行业公认的标准规范。常用核心标准包括：

标准代号	标准名称	适用范围/要点
ISO 178	Plastics - Determination of flexural properties	国际通用塑料挠曲性能测试标准，规定三点弯曲方法为主，详细说明试样、步骤、计算。
ASTM D790	Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials	美国材料与试验协会标准，涵盖三点弯曲和四点弯曲（步骤A和步骤B），应用广泛。
ASTM F2606	Standard Guide for Three-Point Bending of Balloon Expandable Vascular Stents and Stent Systems	特定针对血管支架等Ⅰ型植入医疗器械的三点弯曲测试指南。
GB/T 9341	塑料弯曲性能的测定	中国国家标准，基本等同采用ISO 178。
ISO 5833	Implants for surgery - Acrylic resin cements	外科植入物用丙烯酸树脂骨水泥标准，其中包含对其挠曲强度测试的具体要求和指标。
YY/T 0346	外科植入物接骨板弯曲强度和刚度的测定	中国医药行业标准，专门规定骨科接骨板的弯曲性能测试方法。
ISO 20795-1	Dentistry - Base polymers - Part 1: Denture base polymers	牙科学标准，对义齿基托聚合物（Ⅰ型口腔材料）的挠曲强度有明确规定和测试方法。