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冲击实验也有高大上 - 记SGS材料实验室多轴冲击测试
2021-10-15 17:49:27
技术文章
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WHY多轴冲击测试？
对于汽车和航空航天行业而言，为确保安全性，在开发过程中会着重考察用于内外饰生产的塑料材料的常温和高低温韧性，以避免高分子部件在碰撞过程中产生碎片，危及驾乘人员的安全。
多轴冲击试验是一种能用于表征材料韧性的方法，用来检验内外饰材料在受到强大冲击力或破坏力时的表现。其实验结果相当于缺口冲击与面冲击的结合。缺口冲击常用的方法有简支梁和悬臂梁两种，此测试主要用于表征材料吸收能量的能力；面冲击实际上就是落球冲击，主要用来衡量材料抵抗破坏的能力。
HOW多轴冲击测试？
以下根据现行的基本多轴冲击标准ISO 6603-2:2000、ASTM D3763-15简要介绍一下具体的测试原理、样品的破坏类型及测试过程中的影响因素。
实验原理
多轴冲击试验可以确定材料的低温脆性温度，同时也能比较不同材料的性能。在实际测试中，要根据产品的功能要求选择对应的材料试验温度，用高速行驶的落锤冲击材料样板，根据设备采集的曲线以及材料样板的断裂方式来确定材料在此温度和速度下的冲击韧性。
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材料的断裂面有韧性断裂和脆性断裂两种形态，其中韧性断裂随裂口的不同其延展度分为多种情况，脆性断裂随冲击部位的不同其断裂形态也存在多种情况。按照IS0 6603标准的描述，判断材料脆性断裂和韧性断裂的方式主要有4种—YD、YS、YU和NY
YD型断裂方式在曲线图中表现为有明显的屈服点，断裂表面有整体深度一致的延展，击穿孔只有一圈裂纹；
YS型断裂方式在曲线图中表现为有明显的屈服点，断裂表面有稳定但不一致的延展性，可均匀区分，击穿孔有不重复的两圈裂纹；
YU型断裂方式在曲线图中表现为有明显的屈服点，断裂表面有不稳定延性断裂，可能有延性断裂的部分，击穿孔有不重复的两圈裂纹或者击穿部位发生不稳定的无延展性断裂，有明显裂纹但未与样板间脱落；
NY型断裂方式表现为无屈服。
多轴冲击试验的影响因素
从试验的结果分析来看，影响多轴冲击试验的因素主要有以下几个：测试温度、冲击速度、锤头直径、落锤总重量、锤头润滑程度、样板厚度和材料种类等。
测试温度
根据零件使用的环境，内饰材料一般考察的温度为常温23℃和低温-20℃、-30℃以及-35℃共4个温度工况，外饰材料一般考察常温23℃的工况。测试温度越低，材料韧性越差，样板吸收的能量越低，其表面的断裂形态越差。
冲击速度
冲击速度代表落锤与材料样板接触时的行驶速度。根据ISO 6603标准，针对一般韧性材料，常温下的冲击速度通常选择4.4m/s；根据ASTM D3763标准则选择6.6m/s，脆性材料可选择1m/s。值得一提的是，4.4m/s及以下速度可由落锤自由落体实现，也可由机器控制匀速下降，但6.6m/s或更大的速度只能由机器控制。冲击速度的选择以落锤冲穿样板后的速度衰减在20%以内为最佳。而根据F=mv， 冲击速度越大，样板受到冲击的瞬间作用力越大，其表面的断裂形态越差。
锤头直径
对于同种材料样板的测试，在冲击速度和测试温度一致时，采用10mm直径的锤头时，样板的断裂状态比采用20mm直径锤头时好。
落锤总重量
对于同种材料样板的测试，在冲击速度和测试温度一致时，根据 F=mv ，落锤总重量越大，样板受到冲击的瞬间作用力越大，其表面的断裂形态越差。因此在选择落锤重量时，既要保证选择的锤头能将样板击穿，也要保证样件的击穿状态为最佳。若不能冲穿，则需增加落锤总重量。一般，改性PP材料的落锤总重量选择在11 kg以上；ABS、PC等材料需选择更大的落锤配重。
锤头润滑程度
锤头润滑后会降低锤头与样板间的摩擦力，若不润滑锤头，会降低样板在被击穿过程中吸收的能量，使曲线图发生变化。
样板厚度
同种材料的样板越厚，击穿时间越长，样板吸收的总能量越高，也会对曲线图产生影响。厚度对力值和能量非线性渐进相关。
材料种类
一般，PP材料吸收能量的能力比ABS、PC/ABS、PA6和PA66类的材料低。在PP材料中，脆性PP其吸收能量的能力比韧性较好的PP差。
相关测试标准
ISO 6603-2:2000; Determination of puncture impact behavior of rigid plastics; Instrumented impact testing；
GMW14797-2015/ISO 6603-2:2000; Painted Plastic Parts Performance Requirements；
GMW 14867-2011& ISO 6603-2:2000; Performance Requirements of Paints on Interior Plastic Substrates；
GMW14797-2015/ASTM D3763-15; Painted Plastic Parts Performance Requirements；
ASTM D3763-15; Standard Test Method for High Speed Puncture Properties of Plastic Using Load and Displacement；
FIAT 50424:2011; Falling Dart Impact Test-Rigid Plastics；
GM 9904P-1997; Multi-Axial Impact Test
SGS材料实验室万能多轴冲击试验机
SGS高分子实验室的ADWT400万能多轴冲击试验机由伺服提升装置，加速装置，导轨系统，冲击锤头，温控箱，手动控制器，控制器，PC及Test expert相关程序组成，目前已经配备了全面的ISO 6603、ASTM D3763标准的相关夹面和锤头。
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