塑料的冲击强度通常采用摆锤冲击的形式测试,但因多种因素影响,摆锤冲击测试往往很难获得变异系数 <5% 的测试结果。
针对测试设备和试样材质等固有性能对冲击强度的影响,可点击链接查看详情:摆锤冲击强度的影响因素(上)。本文将对人员操作对冲击强度的影响进行分享和讨论。
在确定测试设备和材料后,摆锤冲击的流程为:试样成型、缺口加工、测试。从裂纹萌生和裂纹扩展角度看,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。
大部分摆锤冲击样条都是通过注塑成型,或模压成型以及挤出成型后裁切得到。成型方式的不同会导致样品在结晶、取向、内应力上产生很大的区别。
模压成型的材料几乎是各向同性的,内应力较小;注塑成型一般会在流动方向上取向,也可通过控制注射速度、模温、保压压力等参数,结合模具设计,控制结晶度与内应力;挤出成型的样品在通过模具后往往会采用骤冷的方式,因此取向很明显,但结晶度较差。
注塑成型
模压成型
挤出成型
三种成型工艺中,最常用的是注塑成型,但不同的注塑工艺也会对样品微观结构造成很大影响。
通常注射温度过高会导致应力松弛,解取向增加,而注射温度过低会影响流动,产生熔接痕;注射速度过低则流动取向降低,过高会导致剪切加强,引起熔体破裂甚至样品烧伤等不适的情况;保压压力过高会产生飞边,过低会导致样品无法充满;保压时间太短,样品会产生变形,保压时间过长,样品内部甚至会产生负压;模温过低,样品冷却过快,内应力过大,模温太高,解取向增大。
结晶度越高、球晶尺寸越大,试样越脆,冲击强度越小;取向冻结度高,断裂需要破坏的主价键的比例提高,冲击强度越大;内应力越大,越容易产生裂纹,冲击强度往往越小。
在 Instron 的测试经验中曾遇到某种 HDPE,注塑成型试样的冲击强度是模压成型试样的冲击强度相差4倍,主要原因是注塑过程能很好地在流动方向上产生冻结取向,断裂时需要破坏的主价键比例大大增加。模压成型的试样没有取向,也没有控制好冷却过程,样品结晶度更高,断裂时需要破坏的主价键比例降低。
绝大部分材料都采用缺口冲击测试,高质量的缺口是确保冲击实验结果正确可靠的基础。
模塑缺口试样冲击强度往往大于机械加工的缺口试样,并且模塑的缺口试样和缺口尺寸还会受到成型工艺、模具收缩率等因素的影响,因此行业内通常采用机械加工的方式制备缺口。前面提到高结晶度的材料对缺口更加敏感,因此此类材料的缺口制备过程需要更加精细的控制。
根据刀片的运动方式,目前主流的缺口加工方式为线切割和旋转切割。
缺口的加工,一方面要考虑获得尺寸标准且稳定的缺口,另一方面要减少摩擦生热。稳定的缺口通常需要分多次精细切割,并且需要较低的给进速度。现代线切割方式的机器大都采用刀尖接触试样,并且一些高端机器退刀过程刀片和样品无摩擦,因此发热量大大减少。旋转切割由于较慢的给进速度,摩擦生热往往比线切割更严重,因此更需要很好的降温措施,才能获得更好的缺口。
好的缺口与烧焦的缺口
大部分材料都可以参考 ISO 2818 提供的参数做相应调整,以获得最佳的缺口制备效果。
在确保设备、样品都满足测试需求后,实际的测试过程还会受测试细节的影响。
锤头的选择
ISO 标准要求锤头吸收能量在 10%~80% 之间,并且几个锤头都满足需求的情况下,尽量用能量较高锤头。ASTM 标准则要求尽量用能量较小的锤头,并且吸收能量 <85%。
能量较高的锤头冲击过程中速度降低较少,试样断裂过程应变速率变化较小,更容易脆性断裂。小能量锤头测试过程速度降低较多,容易引起韧性断裂。在极端情况下,锤头的选择会引起测试结果巨大的变化。
*同时满足的情况下,按标准要求应选择能量更大的摆锤。例如有缺口冲击能量 30kJ/㎡,应选择 7.5J 摆锤。
*同时满足的情况下,按标准要求应选择能量更大的摆锤。例如有缺口冲击能量 30kJ/㎡,应选择 5.5J 摆锤。
试样摆放的影响
注塑试样因为存在脱模角,侧面实际上是梯形。简支梁冲击时,试样朝上和朝下摆放,会造成测试结果一定的偏差,在冲击强度较小的样条上尤其明显。
Instron 团队曾做过一种样条,两种摆放方式测冲击强度分别为1.3kJ/㎡ 和 1.2kJ/㎡。试样的对中也会明显影响测试结果,摆放试样时更应注意。
温度影响
温度升高,冲击强度提高,温度降低,冲击强度则降低。在常温测试中,抓取样条的时候要避免手接触试样缺口附近的位置,以免热传导引起升温。
Instron 团队曾做过一项测试,将样条放手里握 10s 后测试,发现冲击强度提高了 20%。此外,在低温冲击中,尤其是悬臂梁冲击,样条有一半夹在夹具内,夹具对试样的热传导不可忽视,需要将夹具也降低到测试温度,才能保证数据的准确性。
断裂样条动能的影响
在冲击强度较小的测试中,就不能忽略试样飞出去的动能,因此 ASTM D256 的方法 C 要求将断裂的试样捡回来再冲击一次,扣除试样动能。而在平时的测试中,也应注意试样的摆放,让飞出去的试样尺寸一致,以确保动能一致。
Instron 的摆锤试验系统拥有如下优势:
如下一体化铸造成型的机架、底座,最大限度减少结构性震荡导致的能量损失;
经专利设计的一体化成型摆锤,减少能量损失的同时,扁平化设计还能减少风阻造成的能量损失;
在线式低温冷却系统,让低温测试数据更加精准;
采用无线传输技术的仪器化摆锤,让仪器化冲击远离线缆连接的影响,测试结果更准确;
稳定的机架,让设备能满足高达 50J 的摆锤冲击的同时,也让小能量冲击结果更准确。
全自动缺口制样机采用线性切割,最大限度减少切割发热量。通过精确的单次切割量控制、准确的切割速度控制、定制刀片冷却系统以及独特的退刀方式,配合双缺口加载器和哑铃形试样的切边等装置,在保证缺口的高度准确情况下让样品制备既节省时间又节省人力,为您的冲击试验保驾护航。
*主要参考文献
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摆锤冲击强度的影响因素(上)
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