第四节冲击性能

第四节冲击性能 • 高分子材料在一般情况下，遇到冲击较易发生破裂。 • 同样大小的作用力，当缓慢地作用在高分子样条上时，不会产生破裂，但当突然快速作用时，样条就会破裂。 • 冲击性能试验 • 在冲击负荷作用下测定材料的冲击强度，用来衡量高分子材料在经受高速冲击状态下的韧性或对断裂的抵抗能力，冲击强度也称冲击韧性。 • 冲击强度表现为样条或制件承受冲击的程度，通常泛指样条在产生破裂前所吸收的能量。 • 冲击强度随样条形态、试验方法及试验条件表现出不同的价值，因此不能归为材料的基本性质。

冲击实验分类 • 摆锤式冲击试验 • 简支梁（Charpy）冲击试验 • 将样条两端水平夹住，以一定角度的锤冲击试样的中部 • 悬臂梁（Izod）冲击试验 • 样条的一端垂直夹住，另一端悬空。 • 落锤式冲击试验； • 其他方法： • 高速拉伸冲击、仪器化冲击、跌落冲击。 • 常温冲击、低温冲击和高温冲击试验

一、摆锤式冲击试验 • 将试样放在冲击试验机上规定位置，然后使摆锤自由落下，使试样受到冲击弯曲负荷而破坏，并用试样破坏时单位面积所吸收的冲击能量衡量材料的冲击韧性即冲击强度。（一）测试原理 • 摆锤挂起，扬角，获得位能 • 摆锤落下，则位能转化为动能，冲击试样 • 摆锤剩余能量使升角为，能量为

（二）简支梁式冲击试验 • GB/T 1043—1993、GB/T 16420—1996（小试样试验） • 无缺口冲击强度 • 无缺口试样在冲击负荷作用下，试样破坏时吸收的冲击能量与试样原始横截面积之比，J/m2 • 缺口试样冲击强度 • 缺口试样在冲击负荷作用下，试样破坏时吸收的冲击能量与试样原始横截面积之比，J/m2 • 结果判断 • 完全破坏，经过一次冲击使试样分成两段或几段。 • 部分破坏，指一种不完全破坏，即无缺口试样或缺口试样的横断面断开面至少断开90％的破坏。 • 无破坏，指一种不完全性破坏，即无缺口试样或缺口试样的横断面断开面断开部分小于90 ％的破坏。

试样制备、形状与尺寸试样 • 试样制备 • 直接模塑成型，压缩或注塑， • 从板材或多用途试样中机械加工方法制得。 • 试样为矩形截面的长条形， • 分无缺口试样和缺口试样。 • 标准中推荐1型试样和Ａ型缺口为首选。 • 板材试样厚度在3～13mm时取原厚试验， • 大于13mm时，从两面加工到10±0.5mm， • 小于3mm不做简支梁试验。

试验条件及步骤 • 冲击速度 2.9 m/s 和 3.8 m/s ； • 测量值处于摆锤最大能量的10％～80％之间。 • 实验步骤 • 选择适当量程的摆锤； • 不同能量的摆锤，结果不能比较，在几种摆锤进行选择时，应选择能量大的； • 温度和相对湿度， • 常温、低温、高温； • 按要求预处理试样； • 测量试样尺寸 • 宽度和厚度，或缺口试样的剩余厚度，精确到0.02mm； • 试验机调零，空击试验，指针指示为零。

试样安放 • 正确安放试样，缺口背向冲锤 • 根据试样形状和材料性能，选择相应的垫片或者固定钳口。 • 试样中心对摆锤锤头的安装误差不应大于 0.5mm • 摆锤的锤头与试样的整个宽度相接触，接触线与试样纵轴垂直，误差不大于 1.8 弧度

液晶式塑料冲击试验机操作规程 • 确认液晶控制盒与主机和针式打印机的电源连线和信号连线连接无误后，按下电源开关，系统通电，显示屏内显示应正常。 • 在液晶控制箱上，选择相应的试验方法和摆锤能量，输入试样形状、编号、温度。 • 使摆锤在竖直方向上静止，在液晶控制箱上按“清零”按钮。 • 按“打印表头”，打印出试验报告的表头。 • 挂摆：逆时针旋转、弹起手柄，摆锤逆时针扬起到底，按下手柄，牢靠地挂住摆杆。 • 冲击：左手逆时针旋转手柄到底并迅速松开，摆锤将顺时针落下打击试样。获得试验结果。 • 试验结束后，打印平均值。 • 试验结束后，摆锤回到铅垂位置。切断电源，清理断裂试样。

结果计算 • 冲击强度 • 式中：Ａ——冲断试样所消耗的功，J • ｂ——试样宽度，mm • ｄ——无缺口试样厚度或缺口试样缺口处的剩余厚度，mm。 • 试验结果以每组10个试样的算术平均值表示 • 如果试验中出现不同破坏类型的试样时，要分别计算每种破坏类型的平均值和百分数

（三）悬臂梁冲击试验方法 • 悬臂梁冲击试验的标准：GB/T 1843—1996 • 试样类型和尺寸表6－15 • 分缺口试样和无缺口试样； • 缺口分A型和B型 • 标准推荐使用1类试样A型缺口

缺口形状

试样制备 • 试样可以模塑成型或机械加工制备。 • 各向异性的板材试样，纵横各特征方向切割样条； • 1型板材试样 • 厚度大于10.2mm，单面加工成(10.0±0.2) mm； • 2型板材试样 • 厚度小于12.9mm时，取原厚度试验； • 厚度大于12.9时，单面加工成（12.7±0.2）mm。 • 试验时加工面背向冲锤。

试验步骤与结果计算 • 测量标准试样中部的厚度和宽度或缺口的剩余宽度， • 用适宜的夹持力把试样固定在夹持台上， • 挂摆、冲击试样，读取结果 • 选用摆锤冲击试验机，指示值应在试验机的容量的10%～80%范围内，否则要换用摆锤试验。

结果计算 • 悬臂梁冲击强度 KJ/m2 • 式中：Ｗ——试样破裂所消耗的能量，J • ｈ——试样的厚度，mm • ｂ——试样宽度或缺口试样的剩余宽度，mm

（四）影响因素 （1）冲击过程的能量消耗 • 当能量达到产生裂纹和裂纹扩展所需要的能量时，试样便开始破裂直到完全断裂。 • 在冲击试验过程中有以下几种能量消耗。 • ① 试样发生弹性和塑性形变所需的能量。 • ② 使试样产生裂纹和裂纹扩展断裂所需的能量。 • ③ 试样断裂后飞出所需的能量。 • ④ 摆锤和支架轴、摆锤刀口和试样相互摩擦损失的能量。 ⑤ 摆锤运动时，试验机固有的能量损失。

（2）温度和湿度 • 冲击强度随温度的降低而降低。 • 在低温下，冲击强度急剧降低；接近玻璃化温度时，冲击强度的降低则更为明显；在较高的测试温度下，冲击强度有明显的提高；

湿度对材料的冲击强度有影响 • 增塑作用机理 • 尼龙类塑料在湿度较大时，其冲击强度大大增加，在绝对干燥的状态下冲击强度很低。

（ 3 ）试样尺寸

( 4 ）冲击速度

二、落锤式冲击试验

（一）测试原理 • 把球、标准的重锤或投掷枪由已知高度自由落下对试样进行冲击，测定使试样刚刚破裂时所需能量的一种方法。 • 以测定出占试样数的50%试样被破坏时的冲击破坏能E50表示冲击强度。 • 在固定高度下改变质量（优先选用） • 在固定质量下改变高度

（二）测试方法 • 试验标准：GB/T 14153—1993 • 试验仪器　落锤、落管、支架 • 落锤的冲头半径有５mm、10mm、30mm， • 锤的质量有２、３、４、５、10、15Kg • 试样：制品不同，其尺寸要求不一样。 • φ（ 60 ± 2 ) mm 的圆片或（ 6o ± 2 ) mm 的方片 • 模塑试样：厚度最好为（ 2 土 0 . 1 ) mm ， • 片材取原厚，（l～ 4）mm ； • 要求试样的表面光洁，不得有裂纹或划伤等缺陷。 • 试样的数量按不同的测定方法而异，10～20个

梯度法测试 • 预试验：用10个试样进行，估计50%试样破坏的能量 • 主试验： • 1）选择接近于使试样冲击破坏的能量E1和能量增值△E，△E值在预测试样冲击破坏能的5～15%间。 • 2）如果第一个试样破坏，用“ x ”表示，则能量减少△E，进行下一次试验； • 如果不破坏，用“ O ”表示，则能量增加△E进行下次试验。 • 3）继续逐个试验。根据记录的数据，描图， • 4）按公式计算落锤冲击强度

结果计算 • E50——50%试样被破坏时的冲击破坏能，J • M0——试样破坏的最小（或不破坏的最大）质量，Kg • △Ｍ——落锤的质量增量，Kg； • N ——破坏或不破坏的试样总数，取较小者。 • i 为落锤质量等级顺序号； ni为落锤质量为 Mi 破坏或不破坏的试样数； Zi为从 M0开始质量增加的次数。

例题 固定试验高度H＝ 1.5m ，落锤质量改变△M=0.2Kg,对20个试样进行冲击试验，结果如图示：

计算A、N等值如表

（三）影响因素 • 试验机的影响 • 重锤冲头的形状尺寸对结果影响很大， • 一般冲击头都用半球状，冲头直径小则冲击破坏能低，反之则高。 • 试验的条件 • 落锤的下落高度及质量大小 • 试样的影响 • 制品的表面状况不同的，冲击点的选取对其测试结果有很大的影响。 • 管材，其冲击点需在其管子外径圆周的法向位置上，否则其测试结果数值偏高。

三、其他冲击试验方法 • （一）高速拉伸冲击试验 • 在拉伸设备进行，拉伸速率应大于 500mm / min 。 • 根据试验过程中仪器记录的载荷－时间曲线，由于应力－应变曲线下的面积正比于材料断裂所需的能量。 • 若曲线是在足够高的速度下得到的，则曲线下的面积直接正比于材料的冲击强度。

（二）仪器化冲击试验 • 在冲击试验仪器的撞锤上安装力传感器，并通过计算机控制，实现冲击过程中的动态检测——仪器化冲击试验。 • 在试验过程中，系统检侧并精确地记录了整个冲击情况。从加速作用开始到开始冲击，塑料开始弯曲，裂纹引发、扩展、一直到完全损坏全过程。 • 给出在整个破坏过程中作用于试样上的载荷变化，得到试样在一个完整历程中的力－时间、力－形变和能量－时间曲线， • 通过微处理技术，计算出如冲击速率、屈服力和位移、断裂、屈服和损坏能量等许多有用的数据。

（三）跌落冲击试验 • 常用于包装袋（薄膜袋、编织袋）、中空容器（油罐、塑料桶、塑料瓶）和箱壳内制品（周转箱、塑料船体、浴缸）。 • 试验时，在制品中封入与内袋材料质量相当的重物（视制品不同，可选用实际盛装物品、水、砂、砂袋或其他重物），从规定的高度坠落在混凝土地板上，检查破损情况，测出导致破损的坠落次数或者通过改变坠落高度，侧出导致破坏的最低高度。 • 通常采用水平坠落与角向坠落两种方式。

第五节剪切试验 • 剪切性能试验的类型 • 按受力形式分 • 单面拉伸剪切、单面压缩剪切、双面压缩剪切和纯剪切等； • 按试样方向分 • 平行板面剪切和垂直板面剪切； • 按胶接材料分 • 单搭接剪切和双搭接剪切；对复合材料又有短梁剪切等。 • 使用范围 • 拉伸剪切都适用于胶接材料； • 单面和双面压缩剪切适用于层压材料和取向材料； • 短梁剪切适用于各种纤维材料和层压材料； • 纯剪切则多适用于均质材料和层压材料

一、概念及原理 （一）测试原理 • 试样在受剪切力作用时，作用在试样两侧面上外力的合力大小相等，方向相反，作用线相隔较远，并将各自推着所作用的试样部分沿着与合力作用线平行的受剪面发生位移，直至试样破坏为止。 • 剪切力 F 作用于矩形试样的面积为 A ，产生的位移为 △ L ，则剪切应力与应变的关系表示如下： • d 为试样厚度， mm

（二）概念 • 剪切弹性模量：在比例极限内剪应力与剪应变之比 • 剪切应力：试验过程中任一时刻试样单位面积上所承受的剪切负荷。 • 剪切强度，试样在剪切力作用下破坏时单位面积上所能承受的负荷值。 • 层间剪切强度，在层间材料中沿层间单位面积上能承受的最大剪切负荷。 • 断纹剪切强度，沿垂直于板面方向剪断的剪切强度。 • 屈服剪切强度，在剪切负荷-变形曲线上，屈服点对应的剪切应力。

二、塑料的剪切试验方法 • （一）穿孔剪切试验， GB / T 15598 － 1995 。

1．测试原理 • 穿孔剪切试验属于纯双面压缩剪切试验方法。 • 用穿孔剪切的方式测定试样的剪切强度。 • 试验时将穿孔器插入试样的圆孔中，并用垫片和螺帽固定，然后组装压模的上下部分，均匀地拧紧螺栓以固定模块与支撑垫中的试样，通过穿孔器将剪切负荷施加于试样。 • 当对试样施加负荷时，穿孔器向下运行，使试样的受压部分与下模支撑部分产生方向相反的剪切力，并使试样的受压部分与试样分离，产生剪切破坏。

2．方法要点 • 1）试样制备，注塑、压塑、挤塑或机械加工， • 标准试样尺寸如图 6－ 12 。 • 2）使用专门夹具，夹具应能正确地把试样固定在穿孔器和压模上，使安装夹具时应使剪切夹具的中心线与试验机的中心线重合。 • 3）试验时应备有能测量任一时刻穿孔器压入试样产生形变的装置，并准确到 0 . 01mm 。 • 4）试验速度规定为（ l 士 0 . 5 ) mm / min 。 • 5）剪切强度：

（二）层间剪切试验 • GB 1450.1- 83 ，玻璃纤维增强塑料层间剪切强度 • 将试样放入层间剪切夹具中， A 面向上，夹持时以试样能上下滑动为宜，不可过紧。 • 把夹具置于试验机上，使受力面 A 的中心对准试验机上压板中心。压板的表面必须平整光滑。 • 以 5～15mm / min 的加载速度对试样施加均匀连续的载荷直到试样破坏，记录破坏载荷。 • 有明显内部缺陷或不沿剪切面破坏的试样应予作废。 • 层间剪切强度可按下式计算：

第四节 冲击性能