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，通常定义为试样在冲击载荷的作用下断裂时单位截面积所吸收的能量，也是塑料最重要的力学性能之一。

塑料的冲击强度通常采用摆锤冲击的形式测试，但因受多种因素影响，摆锤冲击测试往往很难获得变异系数＜5%的测试结果。本文将结合公开文献和 Instron 测试经验，分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量测试的准确性。冲击过程的锤头能量损失分为两部分，一部分是试验机吸收的能量，另一部分是试样断裂过程吸收的能量。

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

ISO 13802（GB/T 21189）对锤头空摆产生的能量损失做了规定，并且通常认为此摩擦为包含轴承的摩擦和锤头的风阻。为了减少此摩擦损失，通常需要选择更优质的轴承。

此外，在锤头设计方面，为了减少风阻，锤头包括摆杆应该尽可能扁平化设计，从而符合流体力学，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，晃动产生的能量越小，能使用的能量上限越大。如果晃动能量占能量损失＜0.5%，并且锤头可用能量为锤头标称能量的 80% 以上，那机器重量/锤头重量的比值至少为 62。

总的来说，机器越重，可用锤头能量越高，能量损失越少，测试结果越准确。所以即便是小能量的锤头，选择更高重量的主机，测试结果也会更精确。

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。

一台好的摆锤冲击试验机，包括主机和锤头的结构设计，应当尽可能减少连接部件，尽量采用一体化设计，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都会吸收能量：锤头接触试样后，试样先受力弯曲，随后在应力集中的地方产生裂纹。裂纹扩展直到试样断裂，锤头带动断裂的试样飞出。此过程中试样和锤头还会有摩擦，测试后样条上还会有永久变形。对于大部分材料，此部分的能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多方面影响因素：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、成型工艺、缺口加工、测试细节是决定试样断裂过程吸收能量的关键因素。

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

重复单元结构决定了键能大小，键能越大越难断裂；分子链的结构决定了分子链的柔性，柔性分子链在受冲击时可以通过分子链变形传递能量，刚性分子链则因为难以传递能量而相对容易断裂；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主价键。重复单元结构会影响分子链结构，分子链结构又会影响聚集态微观结构。

总的来说，试样的材质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，每种材料都有自身特性，也有比较典型的冲击性能。

高结晶度材料的裂纹扩展过程基本上是沿着晶体间隙进行的，因此不会涉及过多的主价键断裂，而是以次价键的破坏为主。裂纹扩展吸收的能量往往较小，冲击断面表现为直线延伸式的脆性断裂（如下图c）。裂纹萌生反而有可能会消耗大量的能量，因此高结晶度的材料往往表现出很高的缺口敏感性。

无定型材料的裂纹扩展过程中，主价键的断裂占据的比例增加，裂纹扩展吸收能量较大，冲击断面表现为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，部分材料的冲击强度还会随试样尺寸的变化而产生巨大的变化。

例如 PC 材料，多项研究表明 PC 材料在 4mm 厚度附近，A型缺口的冲击强度会产生突变，急剧减小，不论是机加工的缺口还是注塑的缺口均呈现相同的现象。这是因为随着试样厚度的增加缺口尖端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为脆性破坏。

而不同 PC 试样采用 ASTM D256 标准测试的缺口冲击强度均最高，这可能与试样缺口处剩余宽度较宽，具有更长的断裂行程有关。

PC 冲击强度和厚度的关系

*主要参考文献

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