摆锤冲击强度的影响因素（上）

冲击强度是衡量材料韧性的一种指标，通常定义為(wèi)试样在冲击载荷的作(zuò)用(yòng)下断裂时单位截面积所吸收的能(néng)量，也是塑料最重要的力學(xué)性能(néng)之一。

塑料的冲击强度通常采用(yòng)摆锤冲击的形式测试，但因受多(duō)种因素影响，摆锤冲击测试往往很(hěn)难获得变异系数＜5%的测试结果。本文(wén)将结合公(gōng)开文(wén)献和 Instron 测试经验，分(fēn)析冲击强度的影响因素。

冲击测试的准确性主要取决于冲击能(néng)量测试的准确性。冲击过程的锤头能(néng)量损失分(fēn)為(wèi)两部分(fēn)，一部分(fēn)是试验机吸收的能(néng)量，另一部分(fēn)是试样断裂过程吸收的能(néng)量。

试验机吸收的能(néng)量主要有(yǒu)4个部分(fēn)：摆锤运动过程的风阻、轴承等零部件的摩擦、冲击过程中(zhōng)机器的晃动、冲击过程中(zhōng)各零部件的震动。

ISO 13802（GB/T 21189）对锤头空摆产(chǎn)生的能(néng)量损失做了规定，并且通常认為(wèi)此摩擦為(wèi)包含轴承的摩擦和锤头的风阻。為(wèi)了减少此摩擦损失，通常需要选择更优质(zhì)的轴承。

此外，在锤头设计方面，為(wèi)了减少风阻，锤头包括摆杆应该尽可(kě)能(néng)扁平化设计，从而符合流體(tǐ)力學(xué)，减少风阻。

根据 ISO 13802（GB/T 21189）的描述，机器的晃动主要和机器重量/锤头重量的比值相关，比值越高，晃动产(chǎn)生的能(néng)量越小(xiǎo)，能(néng)使用(yòng)的能(néng)量上限越大。如果晃动能(néng)量占能(néng)量损失＜0.5%，并且锤头可(kě)用(yòng)能(néng)量為(wèi)锤头标称能(néng)量的 80% 以上，那机器重量/锤头重量的比值至少為(wèi) 62。

总的来说，机器越重，可(kě)用(yòng)锤头能(néng)量越高，能(néng)量损失越少，测试结果越准确。所以即便是小(xiǎo)能(néng)量的锤头，选择更高重量的主机，测试结果也会更精(jīng)确。

机器的震动和机器的刚度相关。机器的刚度一方面和机器各部件的材料刚度相关，另一方面和零部件的连接相关，材料刚度越高，则连接件越少，机器的刚度越高，震动越小(xiǎo)。

一台好的摆锤冲击试验机，包括主机和锤头的结构设计，应当尽可(kě)能(néng)减少连接部件，尽量采用(yòng)一體(tǐ)化设计，同时还要采取更合适的固定、连接设计，以减少机器的振动。

Instron 摆锤冲击试验机主机设计

试样与锤头接触的过程中(zhōng)都会吸收能(néng)量：锤头接触试样后，试样先受力弯曲，随后在应力集中(zhōng)的地方产(chǎn)生裂纹。裂纹扩展直到试样断裂，锤头带动断裂的试样飞出。此过程中(zhōng)试样和锤头还会有(yǒu)摩擦，测试后样条上还会有(yǒu)永jiu变形。对于大部分(fēn)材料，此部分(fēn)的能(néng)量吸收最主要来源于裂纹萌生和裂纹扩展的过程。

裂纹萌生和裂纹扩展有(yǒu)多(duō)方面影响因素：试样本身的内应力以及缺口的尺寸会影响裂纹的萌生，内应力越高、缺口越尖锐，裂纹越容易萌生。裂纹扩展主要是克服主价键和次价键，主价键断裂比例越高，冲击强度越大。试样的缺陷也会让裂纹扩展更容易，引起冲击强度的降低。

综合来看，材料特性、成型工(gōng)艺、缺口加工(gōng)、测试细节是决定试样断裂过程吸收能(néng)量的关键因素。

各种材料都有(yǒu)其基本的性能(néng)，主要是由重复单元结构、分(fēn)子链结构、聚集态结构等微观结构决定的。

重复单元结构决定了键能(néng)大小(xiǎo)，键能(néng)越大越难断裂；分(fēn)子链的结构决定了分(fēn)子链的柔性，柔性分(fēn)子链在受冲击时可(kě)以通过分(fēn)子链变形传递能(néng)量，刚性分(fēn)子链则因為(wèi)难以传递能(néng)量而相对容易断裂；聚集态的结构主要是取向和结晶，结晶度高、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冲击破坏时需要破坏更多(duō)主价键。重复单元结构会影响分(fēn)子链结构，分(fēn)子链结构又(yòu)会影响聚集态微观结构。

总的来说，试样的材质(zhì)决定了主价键断裂的难易程度，同时也决定了试样的结晶情况。因此，每种材料都有(yǒu)自身特性，也有(yǒu)比较典型的冲击性能(néng)。

高结晶度材料的裂纹扩展过程基本上是沿着晶體(tǐ)间隙进行的，因此不会涉及过多(duō)的主价键断裂，而是以次价键的破坏為(wèi)主。裂纹扩展吸收的能(néng)量往往较小(xiǎo)，冲击断面表现為(wèi)直線(xiàn)延伸式的脆性断裂（如下图c）。裂纹萌生反而有(yǒu)可(kě)能(néng)会消耗大量的能(néng)量，因此高结晶度的材料往往表现出很(hěn)高的缺口敏感性。

无定型材料的裂纹扩展过程中(zhōng)，主价键的断裂占据的比例增加，裂纹扩展吸收能(néng)量较大，冲击断面表现為(wèi)扇形扩展式的韧性断裂（如下图a和b）。裂纹萌生所消耗的能(néng)量反而占比降低，因此无定型材料往往缺口敏感性较低。

除此之外，部分(fēn)材料的冲击强度还会随试样尺寸的变化而产(chǎn)生巨大的变化。

例如 PC 材料，多(duō)项研究表明 PC 材料在 4mm 厚度附近，A型缺口的冲击强度会产(chǎn)生突变，急剧减小(xiǎo)，不论是机加工(gōng)的缺口还是注塑的缺口均呈现相同的现象。这是因為(wèi)随着试样厚度的增加缺口尖duan残余应力值逐渐增加，引发银纹，导致破坏形式由韧性破坏转变為(wèi)脆性破坏。

而不同 PC 试样采用(yòng) ASTM D256 标准测试的缺口冲击强度均最高，这可(kě)能(néng)与试样缺口处剩余宽度较宽，具(jù)有(yǒu)更長(cháng)的断裂行程有(yǒu)关。

PC 冲击强度和厚度的关系

*主要参考文(wén)献

[1]于杰,金志(zhì)浩,周惠久.聚合物(wù)材料冲击缺口敏感性的研究[J].塑料工(gōng)业,1994(4):4

[2]邵景昌,吴云,付俊祺,等. 不同条件对聚碳酸酯缺口冲击强度测试结果的影响[J].工(gōng)程塑料应用(yòng)，2019,47(2):105–109.

[3]刁鹏杰,金玉顺,李响,等. POM结晶改性技(jì )术研究进展[J]. 工(gōng)程塑料应用(yòng),2023,51(3)：146−151

[4]肖亮,戚天银,柏莲桂,等. 注塑工(gōng)艺对哑光PC／ABS 冲击性能(néng)的影响[J].工(gōng)程塑料应用(yòng),2018，46(5):68–71.

[5]尚盈辉.注射成型光學(xué)级PC制品的力學(xué)行為(wèi)研究[D].郑州大學(xué),2012.DOI:10.766

[6]董跃,胡益林,刘俊龙.浅析简支梁冲击强度的影响因素[J].聚氯乙烯, 2007(6):22-24