擺錘衝擊強度的影響因素（上）

衝(chong) 擊強度是衡量材料韌性的一種指標，通常定義(yi) 為(wei) 試樣在衝(chong) 擊載荷的作用下斷裂時單位截麵積所吸收的能量，也是塑料最重要的力學性能之一。

塑料的衝(chong) 擊強度通常采用擺錘衝(chong) 擊的形式測試，但因受多種因素影響，擺錘衝(chong) 擊測試往往很難獲得變異係數＜5%的測試結果。本文將結合公開文獻和 Instron 測試經驗，分析衝(chong) 擊強度的影響因素。

衝(chong) 擊測試的準確性主要取決(jue) 於(yu) 衝(chong) 擊能量測試的準確性。衝(chong) 擊過程的錘頭能量損失分為(wei) 兩(liang) 部分，一部分是試驗機吸收的能量，另一部分是試樣斷裂過程吸收的能量。

試驗機吸收的能量主要有4個(ge) 部分：擺錘運動過程的風阻、軸承等零部件的摩擦、衝(chong) 擊過程中機器的晃動、衝(chong) 擊過程中各零部件的震動。

ISO 13802（GB/T 21189）對錘頭空擺產(chan) 生的能量損失做了規定，並且通常認為(wei) 此摩擦為(wei) 包含軸承的摩擦和錘頭的風阻。為(wei) 了減少此摩擦損失，通常需要選擇更優(you) 質的軸承。

此外，在錘頭設計方麵，為(wei) 了減少風阻，錘頭包括擺杆應該盡可能扁平化設計，從(cong) 而符合流體(ti) 力學，減少風阻。

根據 ISO 13802（GB/T 21189）的描述，機器的晃動主要和機器重量/錘頭重量的比值相關(guan) ，比值越高，晃動產(chan) 生的能量越小，能使用的能量上限越大。如果晃動能量占能量損失＜0.5%，並且錘頭可用能量為(wei) 錘頭標稱能量的 80% 以上，那機器重量/錘頭重量的比值至少為(wei) 62。

總的來說，機器越重，可用錘頭能量越高，能量損失越少，測試結果越準確。所以即便是小能量的錘頭，選擇更高重量的主機，測試結果也會(hui) 更精確。

機器的震動和機器的剛度相關(guan) 。機器的剛度一方麵和機器各部件的材料剛度相關(guan) ，另一方麵和零部件的連接相關(guan) ，材料剛度越高，則連接件越少，機器的剛度越高，震動越小。

一台好的擺錘衝(chong) 擊試驗機，包括主機和錘頭的結構設計，應當盡可能減少連接部件，盡量采用一體(ti) 化設計，同時還要采取更合適的固定、連接設計，以減少機器的振動。

Instron 擺錘衝(chong) 擊試驗機主機設計

試樣與(yu) 錘頭接觸的過程中都會(hui) 吸收能量：錘頭接觸試樣後，試樣先受力彎曲，隨後在應力集中的地方產(chan) 生裂紋。裂紋擴展直到試樣斷裂，錘頭帶動斷裂的試樣飛出。此過程中試樣和錘頭還會(hui) 有摩擦，測試後樣條上還會(hui) 有永jiu變形。對於(yu) 大部分材料，此部分的能量吸收最主要來源於(yu) 裂紋萌生和裂紋擴展的過程。

裂紋萌生和裂紋擴展有多方麵影響因素：試樣本身的內(nei) 應力以及缺口的尺寸會(hui) 影響裂紋的萌生，內(nei) 應力越高、缺口越尖銳，裂紋越容易萌生。裂紋擴展主要是克服主價(jia) 鍵和次價(jia) 鍵，主價(jia) 鍵斷裂比例越高，衝(chong) 擊強度越大。試樣的缺陷也會(hui) 讓裂紋擴展更容易，引起衝(chong) 擊強度的降低。

綜合來看，材料特性、成型工藝、缺口加工、測試細節是決(jue) 定試樣斷裂過程吸收能量的關(guan) 鍵因素。

各種材料都有其基本的性能，主要是由重複單元結構、分子鏈結構、聚集態結構等微觀結構決(jue) 定的。

重複單元結構決(jue) 定了鍵能大小，鍵能越大越難斷裂；分子鏈的結構決(jue) 定了分子鏈的柔性，柔性分子鏈在受衝(chong) 擊時可以通過分子鏈變形傳(chuan) 遞能量，剛性分子鏈則因為(wei) 難以傳(chuan) 遞能量而相對容易斷裂；聚集態的結構主要是取向和結晶，結晶度高、球晶尺寸大，材料更脆，而取向度高的材料延垂直於(yu) 取向方向衝(chong) 擊破壞時需要破壞更多主價(jia) 鍵。重複單元結構會(hui) 影響分子鏈結構，分子鏈結構又會(hui) 影響聚集態微觀結構。

總的來說，試樣的材質決(jue) 定了主價(jia) 鍵斷裂的難易程度，同時也決(jue) 定了試樣的結晶情況。因此，每種材料都有自身特性，也有比較典型的衝(chong) 擊性能。

高結晶度材料的裂紋擴展過程基本上是沿著晶體(ti) 間隙進行的，因此不會(hui) 涉及過多的主價(jia) 鍵斷裂，而是以次價(jia) 鍵的破壞為(wei) 主。裂紋擴展吸收的能量往往較小，衝(chong) 擊斷麵表現為(wei) 直線延伸式的脆性斷裂（如下圖c）。裂紋萌生反而有可能會(hui) 消耗大量的能量，因此高結晶度的材料往往表現出很高的缺口敏感性。

無定型材料的裂紋擴展過程中，主價(jia) 鍵的斷裂占據的比例增加，裂紋擴展吸收能量較大，衝(chong) 擊斷麵表現為(wei) 扇形擴展式的韌性斷裂（如下圖a和b）。裂紋萌生所消耗的能量反而占比降低，因此無定型材料往往缺口敏感性較低。

除此之外，部分材料的衝(chong) 擊強度還會(hui) 隨試樣尺寸的變化而產(chan) 生巨大的變化。

例如 PC 材料，多項研究表明 PC 材料在 4mm 厚度附近，A型缺口的衝(chong) 擊強度會(hui) 產(chan) 生突變，急劇減小，不論是機加工的缺口還是注塑的缺口均呈現相同的現象。這是因為(wei) 隨著試樣厚度的增加缺口尖duan殘餘(yu) 應力值逐漸增加，引發銀紋，導致破壞形式由韌性破壞轉變為(wei) 脆性破壞。

而不同 PC 試樣采用 ASTM D256 標準測試的缺口衝(chong) 擊強度均最高，這可能與(yu) 試樣缺口處剩餘(yu) 寬度較寬，具有更長的斷裂行程有關(guan) 。

PC 衝(chong) 擊強度和厚度的關(guan) 係

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