擺錘沖擊強(qiáng)度的影響因素（上）

沖擊強(qiáng)度是衡量材料韌性的一種指標(biāo)，通常定義為試樣在沖擊載荷的作用下斷裂時單位截面積所吸收的能量，也是塑料最重要的力學(xué)性能之一。

塑料的沖擊強(qiáng)度通常采用擺錘沖擊的形式測試，但因受多種因素影響，擺錘沖擊測試往往很難獲得變異系數(shù)＜5%的測試結(jié)果。本文將結(jié)合公開文獻(xiàn)和 Instron 測試經(jīng)驗，分析沖擊強(qiáng)度的影響因素。

沖擊測試的準(zhǔn)確性主要取決于沖擊能量測試的準(zhǔn)確性。沖擊過程的錘頭能量損失分為兩部分，一部分是試驗機(jī)吸收的能量，另一部分是試樣斷裂過程吸收的能量。

試驗機(jī)吸收的能量主要有4個部分：擺錘運動過程的風(fēng)阻、軸承等零部件的摩擦、沖擊過程中機(jī)器的晃動、沖擊過程中各零部件的震動。

ISO 13802（GB/T 21189）對錘頭空擺產(chǎn)生的能量損失做了規(guī)定，并且通常認(rèn)為此摩擦為包含軸承的摩擦和錘頭的風(fēng)阻。為了減少此摩擦損失，通常需要選擇更優(yōu)質(zhì)的軸承。

此外，在錘頭設(shè)計方面，為了減少風(fēng)阻，錘頭包括擺桿應(yīng)該盡可能扁平化設(shè)計，從而符合流體力學(xué)，減少風(fēng)阻。

根據(jù) ISO 13802（GB/T 21189）的描述，機(jī)器的晃動主要和機(jī)器重量/錘頭重量的比值相關(guān)，比值越高，晃動產(chǎn)生的能量越小，能使用的能量上限越大。如果晃動能量占能量損失＜0.5%，并且錘頭可用能量為錘頭標(biāo)稱能量的 80% 以上，那機(jī)器重量/錘頭重量的比值至少為 62。

總的來說，機(jī)器越重，可用錘頭能量越高，能量損失越少，測試結(jié)果越準(zhǔn)確。所以即便是小能量的錘頭，選擇更高重量的主機(jī)，測試結(jié)果也會更精確。

機(jī)器的震動和機(jī)器的剛度相關(guān)。機(jī)器的剛度一方面和機(jī)器各部件的材料剛度相關(guān)，另一方面和零部件的連接相關(guān)，材料剛度越高，則連接件越少，機(jī)器的剛度越高，震動越小。

一臺好的擺錘沖擊試驗機(jī)，包括主機(jī)和錘頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)當(dāng)盡可能減少連接部件，盡量采用一體化設(shè)計，同時還要采取更合適的固定、連接設(shè)計，以減少機(jī)器的振動。

Instron 擺錘沖擊試驗機(jī)主機(jī)設(shè)計

試樣與錘頭接觸的過程中都會吸收能量：錘頭接觸試樣后，試樣先受力彎曲，隨后在應(yīng)力集中的地方產(chǎn)生裂紋。裂紋擴(kuò)展直到試樣斷裂，錘頭帶動斷裂的試樣飛出。此過程中試樣和錘頭還會有摩擦，測試后樣條上還會有永jiu變形。對于大部分材料，此部分的能量吸收最主要來源于裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展的過程。

裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展有多方面影響因素：試樣本身的內(nèi)應(yīng)力以及缺口的尺寸會影響裂紋的萌生，內(nèi)應(yīng)力越高、缺口越尖銳，裂紋越容易萌生。裂紋擴(kuò)展主要是克服主價鍵和次價鍵，主價鍵斷裂比例越高，沖擊強(qiáng)度越大。試樣的缺陷也會讓裂紋擴(kuò)展更容易，引起沖擊強(qiáng)度的降低。

綜合來看，材料特性、成型工藝、缺口加工、測試細(xì)節(jié)是決定試樣斷裂過程吸收能量的關(guān)鍵因素。

各種材料都有其基本的性能，主要是由重復(fù)單元結(jié)構(gòu)、分子鏈結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)等微觀結(jié)構(gòu)決定的。

重復(fù)單元結(jié)構(gòu)決定了鍵能大小，鍵能越大越難斷裂；分子鏈的結(jié)構(gòu)決定了分子鏈的柔性，柔性分子鏈在受沖擊時可以通過分子鏈變形傳遞能量，剛性分子鏈則因為難以傳遞能量而相對容易斷裂；聚集態(tài)的結(jié)構(gòu)主要是取向和結(jié)晶，結(jié)晶度高、球晶尺寸大，材料更脆，而取向度高的材料延垂直于取向方向沖擊破壞時需要破壞更多主價鍵。重復(fù)單元結(jié)構(gòu)會影響分子鏈結(jié)構(gòu)，分子鏈結(jié)構(gòu)又會影響聚集態(tài)微觀結(jié)構(gòu)。

總的來說，試樣的材質(zhì)決定了主價鍵斷裂的難易程度，同時也決定了試樣的結(jié)晶情況。因此，每種材料都有自身特性，也有比較典型的沖擊性能。

高結(jié)晶度材料的裂紋擴(kuò)展過程基本上是沿著晶體間隙進(jìn)行的，因此不會涉及過多的主價鍵斷裂，而是以次價鍵的破壞為主。裂紋擴(kuò)展吸收的能量往往較小，沖擊斷面表現(xiàn)為直線延伸式的脆性斷裂（如下圖c）。裂紋萌生反而有可能會消耗大量的能量，因此高結(jié)晶度的材料往往表現(xiàn)出很高的缺口敏感性。

無定型材料的裂紋擴(kuò)展過程中，主價鍵的斷裂占據(jù)的比例增加，裂紋擴(kuò)展吸收能量較大，沖擊斷面表現(xiàn)為扇形擴(kuò)展式的韌性斷裂（如下圖a和b）。裂紋萌生所消耗的能量反而占比降低，因此無定型材料往往缺口敏感性較低。

除此之外，部分材料的沖擊強(qiáng)度還會隨試樣尺寸的變化而產(chǎn)生巨大的變化。

例如 PC 材料，多項研究表明 PC 材料在 4mm 厚度附近，A型缺口的沖擊強(qiáng)度會產(chǎn)生突變，急劇減小，不論是機(jī)加工的缺口還是注塑的缺口均呈現(xiàn)相同的現(xiàn)象。這是因為隨著試樣厚度的增加缺口尖duan殘余應(yīng)力值逐漸增加，引發(fā)銀紋，導(dǎo)致破壞形式由韌性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>脆性破壞。

而不同 PC 試樣采用 ASTM D256 標(biāo)準(zhǔn)測試的缺口沖擊強(qiáng)度均最高，這可能與試樣缺口處剩余寬度較寬，具有更長的斷裂行程有關(guān)。

PC 沖擊強(qiáng)度和厚度的關(guān)系

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