高分子材料沖擊試驗

1、七、高分子材料沖擊試驗7.1 實驗目的（1）熟悉高分子材料沖擊性能測試的原理、方法、操作及其實驗結(jié)果處理；（2）了解測試條件對測定結(jié)果的影響。7.2 實驗原理對硬質(zhì)高分子材料試樣施加一次沖擊負荷使試樣破壞，記錄下試樣破壞時或過程中單位試樣截面積所吸收的能量，即沖擊強度，來衡量材料沖擊韌性。根據(jù)實驗中試樣受力形式和沖擊物的幾何形狀，板、條試樣的沖擊實驗方法可分為：簡支梁沖擊實驗（GB1093）、懸臂梁沖擊實驗（GB1043）和落錘式?jīng)_擊實驗（GB11548-89）。所有沖擊實驗均應按GB2918規(guī)定，在（23±2）、常濕下進行試樣環(huán)境調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時間不少于4h。7.3 簡支梁沖擊實驗（1

2、）原材料試樣注塑標準試樣 試樣表面應平整、無氣泡、裂紋、分層和明顯雜志。缺口試樣缺口處應無毛刺。試樣類型和尺寸以及相對應的支撐線間的距離見表7-1。試樣的缺口類型和缺口尺寸見表7-2。試樣的優(yōu)選類型為I型。優(yōu)選的缺口類型為A型。表7-1 試樣類型和尺寸以及相對應的支撐線間的距離（mm）試樣類型長度l寬度b厚度d支撐線間距離L基本尺寸極限偏差基本尺寸極限偏差基本尺寸極限偏差180±210±0.54±0.260250±16±0.24±0.2403120±215±0.510±0.5704125±213

3、±0.513±0.595表7-2 缺口類型和缺口尺寸（mm）試樣類型缺口類型缺口剩余厚度dk缺口底部圓弧半徑r缺口寬度n基本尺寸極限偏差基本尺寸極限偏差1-4AB0.8d0.251.0±0.051、32CCd0.120.8±0.2±0.1注：A型、B型、C型缺口的形狀和尺寸分別見圖7-1圖7-3。 圖7-1 A型缺口試樣 圖7-2 B型缺口試樣圖7-3 C型缺口試樣板材試樣 板材試樣厚度的313mm之間時取原厚。大于13mm時應從兩面均勻地進行機械加工到10±0.5mm。4型試樣厚度須加工到13mm。當使用非標準厚度試樣時，缺口深度與

4、試樣厚度尺寸之比也應分別滿足表7-2的要求。當厚度小于3mm的試樣不做沖擊實驗。（2）試樣制備模塑料或擠出料 按受試材料的產(chǎn)品標準規(guī)定制備試樣。若產(chǎn)品標準沒有規(guī)定，可按GB5471和GB9352制備試樣。I型試樣可以從標準多用途試樣上切取。板材 板材試樣是將板材進行機械加工制備。試樣缺口可在銑床、刨床或?qū)Ｓ萌笨诩庸C上加工。加工刀具應無傾角，工作后角為15°20°。推薦刀尖線速度約為90185m/min，進給速率為10130mm/min。檢查刀具的銳度，如果半徑和外形不在規(guī)定范圍內(nèi)，應以新磨的刀具更換。層壓材料 壓層材料應在使沖擊方向垂直于層壓方向（板面方向）和平行于層壓方

5、向（板邊方向）上各切取一組試樣。如果受試材料的產(chǎn)品標準有規(guī)定，可用帶模塑缺口的試樣。模塑缺口試樣和機械加工缺口的試樣實驗結(jié)果不能相比。除受試材料的產(chǎn)品標準另有規(guī)定外，每組試樣數(shù)應不少于10個。各向異性材料應從垂直和平行于主軸的方向上各切取一組試樣。本次試驗試樣是用多型腔模具注塑成型的共聚聚丙烯（CPP,MFR=15g/10min）長條試樣作為無缺口試樣，在CPP長條試樣上用機械加工方法銑出U形缺口的長條作為缺口簡支梁沖擊試樣。（3）實驗設備實驗機 實驗機應為擺錘式，并由擺錘、試樣支座、能量指示機構(gòu)和機體等主要構(gòu)件組成。能指示試樣破壞過程中所吸收的沖擊能量。實驗機應具備表7-3所示的特性參數(shù)。并

6、應定期由國家計量部門對這些參數(shù)進行檢定。表7-3 擺錘沖擊實驗機特性參數(shù)沖擊能量/J沖擊速度允許最大摩擦損失/%校正后允差/J基本速度/(m/s)極限偏差/%0.51.02.04.02.9±104210.50.010.010.010.027.515.025.050.03.8±100.50.050.050.100.10擺體 擺體是實驗機的核心部分，它包括旋轉(zhuǎn)軸、控桿、擺錘和沖擊刀刃等部件。旋轉(zhuǎn)軸心到擺錘打擊中心的距離與旋轉(zhuǎn)軸心至試樣中心距離應一致，兩者之差不應超過后者的±1%。沖擊刀刃規(guī)定夾角為30°±1°，端部圓弧半徑為（2.0

7、77;0.5）mm。擺錘下擺時，刀刃通過兩只座間的中央偏差不得超過±0.2mm，刀刃應與試樣的打擊面接觸。接觸線應與試樣長軸線相垂直，偏差不超過±2°。試樣支座 為兩塊安裝牢固的支撐塊，能使試樣成水平，其偏差在1/20以內(nèi)。在沖擊瞬間應能使試樣打擊面平行于擺錘沖擊刀刃，其偏差在1/200以內(nèi)。兩支撐塊的位置應可調(diào)節(jié)，其間隔應能足表1的要求。支撐刃前角為5°。后角為10°±1°，端部弧半徑為1mm。標準試樣沖擊刀刃和支座尺寸相互關(guān)系見圖7-4。 圖7-4 標準試樣的沖擊刀刃和支座尺寸1試樣；2沖擊方向；3沖擊瞬間擺錘位置；4一

8、下支座；5沖擊刀刃；6支撐塊能量指示機構(gòu) 能量指示機構(gòu)包括指示度盤和指針。應為亮度盤的摩擦、風阻損失和示值誤差做標準的校正。機體 機體為剛性良好的金屬框架，并牢固地固定在質(zhì)量至少為所用最重擺錘質(zhì)量40倍的基礎(chǔ)上。（4）實驗步驟對于無缺口試樣，分別測量試樣中部邊緣和試樣端部中心位置的寬度和厚度，并取其平均值為試樣的寬度和厚度。準確至0.02mm。缺口試樣應測量缺口處的剩余厚度，測量時應在缺口兩端各測一次，取其算術(shù)平均值。根據(jù)試樣破壞時所需的能量選擇擺錘，使消耗的能量在擺錘總能量的10%85%范圍內(nèi)。若符合這一能量范圍的不止一個擺錘時，應該用最大能量的擺錘。調(diào)節(jié)能量度盤指針零點，使它在擺錘處于起始

9、位置時與主動針接觸。進行空白實驗，保證總摩擦損失不超過表7-3的數(shù)值。抬起并鎖住擺錘，把試樣按規(guī)定放置在兩支撐塊上，試樣支撐面緊貼在支撐塊上，使沖擊刀刃對準試樣中心，缺口試樣刀刃對準缺口背向的中心位置。平穩(wěn)釋放擺錘，從度盤上讀取試樣吸收的沖擊能量。試樣無破壞的沖擊值應不作取值，實驗記錄為不破壞或NB。試樣完全破壞或部分破壞的可以取值。如果同種材料可以觀察到一種以上的破壞類型，須在報告中標明每種破壞類型的平均沖擊值和試樣破壞的百分數(shù)。不同破壞類型的結(jié)果不能進行比較。（5）實驗結(jié)果計算和表示無缺口試樣簡支梁沖擊強度a（kJ/m2） (7-1)式中 A試樣吸取的沖擊能量，J； b試樣寬度，mm； d

10、試樣厚度，mm。缺口試樣簡支梁沖擊強度（kJ/m2） （7-2）式中 缺口試樣吸收的沖擊能量，J； 試樣寬度，mm； 缺口試樣缺口處剩余厚度，mm。標準偏差S （7-3）式中 單個測定值；一組測定值的算術(shù)平均值；測定值個數(shù)。變異系數(shù)CV% (7-4)如果需要計算相對沖擊強度，其結(jié)果以百分比表示。計算10個試樣實驗結(jié)果的算術(shù)平均值、標準偏差和變異系數(shù)。全部計算結(jié)果以兩位有效數(shù)字表示。（6）實驗報告材料名稱、規(guī)格、來源、制造廠家。試樣的制備及缺口加工方法、取樣方向。試樣的類型、尺寸和缺口類型。試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)。擺錘的最大能量、沖擊速度。缺口試樣或無缺口試樣沖擊強度的算術(shù)平均值、標準偏差和變異系數(shù)。試樣

11、的破壞類型及試樣破壞百分率。如果同樣材料觀察到一種以上的破壞類型，須報告每種破壞類型的平均沖擊值及破壞百分率。解答思考題。（7）思考題在實驗中哪些因素會影響測定結(jié)果？缺口試樣與無缺口試樣的沖擊實驗現(xiàn)象有何不同？哪些試樣材料應采用缺口試樣或有無缺口兩種試樣都應測試？7.4 塑料懸臂梁沖擊實驗（1）原材料試樣 最佳試樣為I型試樣，長L=80mm，寬b=10.00mm。模塑和擠塑料 應采用A型或B型缺口試樣，如表7-4和圖7-5所示。最佳缺口為A型±，如果要獲得材料對缺口敏感性的信息，應實驗A型和B型缺口試樣。表7-4 方法名稱、試樣類型、缺口類型和尺寸方法名稱試樣類型缺口類型缺口底部半徑

12、rN/mm缺口底部的剩余寬度bN/mmGB1843/1UGB1843/1AGB1843/1BI無缺口AB0.25±0.05 1±0.058.0±0.28.0±0.2A型缺口 B型缺口缺口底部半徑rN=（0.25±0.05）mm 缺口底部半徑rN=（1±0.05）mm圖7-5 缺口半徑除受試材料標準另有規(guī)定，一組應測試10個試樣，當變異系數(shù)小于5%時，測試5個試樣。試樣制備a試樣制備應按照GB5471、GB9352或材料有關(guān)規(guī)范制備試樣。I型試樣可按GB11997方法制備的A型試樣的中部切取。b板材用機械加工制備試樣應盡可能采用A型缺口

13、的I型試樣。無缺口試樣的機加工面不應面朝沖錘。c各向異性的板材需從板材的縱橫兩個方向各取一組試樣。d試樣缺口可在銑床、刨床或?qū)Ｓ萌笨诩庸C上加工。切削齒的形狀應能將試樣切削出圖7-5所示缺口的形狀，切削齒的剖面應與它的主軸線垂直。推薦刀尖線速度為90185m/min，進給率為10130mm/min。檢查刀具的銳度，如果刀尖半徑和形狀不在規(guī)定的范圍內(nèi)，要及時更換刀具。如果受試材料規(guī)定，可使用模塑缺口試樣，測試結(jié)果同機加工試樣測試結(jié)果不可比。本次實驗試樣是用多型腔模具注塑成型的共聚聚丙烯（CPP，MFR=15g/10min）長條試樣經(jīng)機械加工方法銑出V型缺口的長條作為缺口懸臂梁沖擊試樣。（2）實驗

14、設備實驗機 擺錘式懸臂梁沖擊實驗機應具有剛性結(jié)構(gòu)，能測量破壞試樣所吸收的沖擊能量W，其值為擺錘初始能量與擺錘在破壞試樣之后剩余能量的差。應對該值進行摩擦和風阻損失的校正（見表7-5）。表7-5 擺錘沖擊實驗機的特性能量E（公稱的）/J沖擊速度V0/（m/s）無試樣時的最大摩擦損失/J有試樣經(jīng)校正后的允許誤差/J1.02.755.511.022.03.5（±10%）0.020.030.030.050.100.010.010.020.020.10擺錘 擺錘轉(zhuǎn)軸中心應水平，沖擊刃是半徑為（0.8±0.2）mm的圓柱面。沖擊刃的軸線應水平，并垂直于擺錘的運動平面。擺錘在整個沖擊過程

15、中應與試樣的整個被沖擊面接觸。其接觸線應與試樣的縱軸線垂直，偏差在±2°范圍內(nèi)。擺錘旋轉(zhuǎn)軸到試樣中心沖擊點之間的距離應在Lp±1%的范圍內(nèi)。擺長Lp（m）可由擺錘小振幅振動周期T實驗測定，按下式計算： （7-5）式中 gn自由落體的標準加速度（其值為9.81m/s2），m/s2； T擺錘往復一次擺動的時間，可由至少50次連續(xù)擺動來確定（已知精度為1/2000，擺動角度離開中心每側(cè)應小于5°）。圖7-6 缺口試樣沖擊處、虎鉗支座、試樣及沖擊刃位置圖1沖擊刃半徑R1=（0.8±0.2）mm；2一與試樣接觸的夾具面；3一夾具棱圓角半徑R2=（0.2&

16、#177;0.1）mm試樣支座 為固定夾具和活動夾具組成的虎鉗。夾具的夾持面應平行，偏差在±0.025mm以內(nèi)?；Q所夾持的試樣長軸線鉛直，與虎鉗頂面垂直（見圖7-6）。虎鉗夾具的頂棱圓角半徑為（0.2±0.1）mm。當缺口試樣夾在虎鉗中時，其頂部平面即為缺口角平分面，偏差在0.2mm以內(nèi)。調(diào)整虎鉗，使試樣位于沖擊刀刃的中心，偏差在±0.5mm以內(nèi)，并且刀刃中心離虎鉗頂面的距離為22±0.2mm。應避免虎鉗在夾持試樣和實驗過程中產(chǎn)生松動。（3）實驗步驟除有關(guān)方面同意采用別的條件如在高溫或低溫實驗外，都應在與狀態(tài)調(diào)節(jié)相同的環(huán)境中進行實驗。測量每個試樣中部的

17、厚度和寬度或缺口試樣的剩余寬度bN，精確到0.02mm。檢查實驗機是否有規(guī)定的沖擊速度和正確的能量范圍，破斷試樣吸收的能量在擺錘容量的10%至80%范圍內(nèi)。若表7-3所列的擺錘中有幾個都能滿足這些要求時，應選擇其中能量最大的擺錘。進行空白實驗，記錄所測得的摩擦損失，該能量損失不得超過表7-5規(guī)定的值。如果摩擦損失小于或等于表7-5所規(guī)定的值，此值才可用在修正吸收能量的計算中，如果超過表7-5所規(guī)定的值，就應仔細檢查其原因并對實驗機進行校正。抬起并鎖住擺錘，把試樣放在虎鉗中，按圖7-6所示的要求夾住試樣（也稱正置試樣沖擊）。測定缺口試樣時，缺口應在擺錘沖擊刃的一邊。釋放擺錘，記錄試樣所吸收的沖擊

18、能，并對其摩擦損失等進行修正（見表7-5）。試樣可能會有四種破壞類型，完全破壞（試樣斷開成兩段或多段）、鉸鏈破壞（斷裂的試樣由沒有剛性的很薄表皮連在一起的一種不完全破壞）、部分破壞（除鉸鏈破壞外的不完全破壞）和不破壞。測得的完全破壞和鉸鏈破壞的值用以計算平均值。在部分破壞時，如果要求部分破壞的值，則以字母P表示。完全不破壞時以NB表示，不報告數(shù)值。在同一樣品中，如果有部分破壞和完全破壞或鉸鏈破壞時，應報告每種破壞類型的算術(shù)平均值。將試樣用反置沖擊方式，重復實驗步驟至。（4）實驗結(jié)果計算和表示無缺口試樣懸臂梁沖擊強度aiu（kJ/m2） （7-6）式中 W破壞試樣所吸收并經(jīng)過修正后的能量，J；

19、h試樣厚度，mm；b試樣寬度，mm。 缺口試樣懸臂梁沖擊強度aiN（kJ/m2） （7-7）式中 W破壞試作所吸收并經(jīng)修正后的能量，J； h試樣厚度，mm； bN試樣缺口底部的剩余寬度，mm。 計算一組實驗結(jié)果的算術(shù)平均值，取兩位有效數(shù)字。在一種樣品中存在不同的破壞類型時，應注明各種破壞類型試樣數(shù)目和算術(shù)平均值。標準偏差s （7-8）式中 s標準偏差；單個測定值； 組測定值的算術(shù)平均值； n測定個數(shù)。（5）實驗報告 實驗報告應包括下列內(nèi)容：材料的名稱、型號、來源、制造代號、等級、形式等；沖擊速度；擺錘公稱能量；試樣的制備方法；如果材料為成品或半成品，應注明試樣在成品或半成品中的方位；試樣數(shù)目；

20、試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和實驗的標準環(huán)境，以及受試材料或產(chǎn)品標準所要求的特殊處理；觀察到的破壞類型；單個實驗結(jié)果；懸臂梁沖擊強度的算術(shù)平均值并報告破壞類型；如果有要求時，報告平均值的標準偏差及95%置信區(qū)間；實驗日期及實驗人員；解答思考題。（6）思考題影響懸臂梁沖擊實驗結(jié)果誤差的因素有哪些？正置缺口和反置缺口沖擊的區(qū)別是什么？如何確定使用何種方式進行沖擊？如果試樣上的缺口是機械加工而成，加工缺口過程中，哪些因素會影響測定結(jié)果？如何影響？懸臂梁和簡支梁沖擊時，試樣受到的作用力有何區(qū)別？選擇使用這兩種方法之一的依據(jù)是什么？7.5 落錘沖擊實驗落錘沖擊實驗適用于硬質(zhì)塑料管材、管件、異型材、板材及硬質(zhì)塑料零部件。

21、其具體方法分為A法和B法兩種。A法又稱通過法，是采用一定質(zhì)量的落錘在規(guī)定高度下沖擊試樣，一般用于產(chǎn)品的質(zhì)量控制。B法又稱梯度法，是用變換沖擊高度或落錘質(zhì)量沖擊試樣的方法而獲得沖擊破壞能。（1）原材料試樣試樣形狀及尺寸a管材 管材公稱外徑小于或等于75mm時，從五根管上沿長度方向分別截取150mm長的試樣。公稱外徑大于75mm時，從五根管材上沿長度方向分別截取200mm長的試樣。b板材 五塊板材上距邊緣不小于100mm處分別截取200mm*200mm的正方形試樣。厚度為板材原厚。c異型材 從五根異型材上沿擠出方向各截取200mm長的試樣。d管件及硬質(zhì)塑料零部件保持原形狀的整體試樣。試樣制備 試樣

22、不得有裂紋，端口平整，對管材和異型材試樣，兩端應與軸線垂直切平。通過法試樣數(shù)需10個。梯度法試樣數(shù)需25個以上。試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)與實驗的標準環(huán)境如下：a按GB2918中規(guī)定的標準環(huán)境與正常偏差范圍進行調(diào)節(jié)，時間不小于48h，并在此環(huán)境下進行實驗。b試樣需進行高低溫沖擊實驗時，可按產(chǎn)品標準中的有關(guān)規(guī)定或用戶要求的實驗條件進行。沖擊試樣離開預處理環(huán)境狀態(tài)后15s內(nèi)完成。本次實驗試樣是用熱塑性塑料模壓成型制備的PVC板材機械加工而成。（2）實驗設備落錘式?jīng)_擊實驗機 符合ZB N72 027要求的各種落錘式?jīng)_擊實驗機。落錘 落錘質(zhì)量分為0.5kg、1kg、2kg、3kg、4kg、5kg、6kg、8kg、1

23、0kg、15kg，錘頭半徑分為30mm、10mm、5mm 3種。夾具管材試樣采用V形夾具，夾角為120°，長度200mm。使試樣穩(wěn)固地夾在V形槽內(nèi)。板材或異型材等所用夾具形狀不作具體規(guī)定。但必須保證以下幾點。a夾具必須能夠?qū)⒃嚇訆A緊，保證其在受沖擊時不發(fā)生位移；b夾具夾緊點必須與支承點重合，夾力不可過大，以免試樣變形；c夾具裝上后的中心線必須與落錘中心線重合，其誤差不得大于2.5mm；（3）實驗步驟將試樣水平放置在夾具上。有困難時，可采用墊片等加以調(diào)整、固定。采用A法時，按產(chǎn)品標準中規(guī)定的沖擊高度及落錘質(zhì)量對10個試樣依次進行沖擊。采用B法時，首先確定初始沖擊高度和落錘質(zhì)量。實驗時，

24、第一個試樣若未被破壞，測第二個試樣時，高度增高一個增量d（m）。若第一個試樣已破壞，高度則下降一個，增量d（m）。直至試樣達到50%破壞時為止。每組試樣至少20個。對管材或?qū)ΨQ管件，沿圓周方向沖擊，沖擊點選在垂直直徑的頂部。對板材試樣選在中心部位。對于不對稱管件或異型材用一半試樣先沖擊一面，剩下一半再沖擊另一面。每個試樣只允許沖擊一次。試樣受沖擊后造成的裂紋和破碎均為破壞。（4）實驗結(jié)果表述通過法 按產(chǎn)品標準中有關(guān)規(guī)定處理。若無規(guī)定，10個試樣中有6個以上不破壞為合格。梯度法a50%沖擊破壞高度H50 （7-9)式中 H5050%沖擊破壞高度，m； H1實驗初始高度（預測的實驗破壞高度）m；

25、d每次升降的實驗高度，m； ni各實驗高度已破壞（或未破壞）的試樣數(shù)；I設H為0時，逐個增減的高度水準（I=···-3，-2，-1，0，1，2， 5···）；N已破壞（或未破壞）試樣之總數(shù)（N=ni）； ±1/2使用已破壞的數(shù)據(jù)時取負號，使用未破壞的數(shù)據(jù)時取正號。b50%沖擊破壞能E50 （7-10）式中 E5050%沖擊破壞能，J；m落錘質(zhì)量，kg；g重力加速度，9.81m/s2； E5050%沖擊破壞高度，m。c50%沖擊破壞高度的標準偏差SS=d· （7-11）式中 S標準偏差，m； d每次升降的實驗高度，m

26、； 由（4）式求出M值，再查“a值表”，見表7-6。 （7-12）表7-6 值表M0.000.010.020.030.040.050.060.070.080.090.300.51020.53160.55180.57110.58970.60770.62530.64260.65970.67650.400.69320.70980.72630.74270.75910.77540.79170.80790.82420.84050.500.85670.87290.88920.90540.92160.93790.95410.997030.98661.00280.601.01901.03531.05151.06

27、771.08391.10011.11641.13261.14881.16500.701.18121.19741.21351.22971.24591.26211.27831.29441.31061.32670.801.34291.35901.37521.39131.40751.42361.43971.45591.47201.48810.901.50431.52041.53651.55261.56871.58481.60091.61701.63311.64921.001.66531.68141.69751.71351.72941.74571.76181.77791.79391.81001.101.

28、82611.84221.85821.87431.89041.90641.92251.93861.95461.97071.201.98672.00282.01882.03492.05092.06702.08302.09912.11512.13121.302.14722.16332.17932.19532.21142.22742.24352.25952.27552.29161.402.30762.32362.33972.35572.37172.38782.40382.41982.43582.45191.502.46792.48392.49992.51592.53202.54802.56402.58002.59602.61211.602.62812.64412.66012.67612.69212.70822.72422.74202.75622.77221.702.78822.80422.