多功能動態沖擊機在塑料性能研究中的應用

張鐘黨 宋曉梅 陶俊東 楊斌

引言：隨著科技的進步，工程師們對塑料材料的研究更加深入。塑料材料在不同的用途中對其物理性能的要求是不同的。在通常的用途中只要求抗拉強度，它反映了材料的抗變形和斷裂的能力。但在另一些用途中還要求沖擊韌性，以反映材料的抗沖擊能力。如許多汽車保險杠用塑料材質，因塑料部件成形方便，通過調整配方可獲得較高的抗拉強度，在拉伸試驗中抗變形和斷裂應力高。而汽車保險杠的破壞形式主要是沖擊破壞，材料的沖擊韌性成為其主要的考核指標。塑料材料的沖擊韌性目前主要用沖擊試驗機來檢測，沖擊試驗機包括落錘沖擊試驗機和擺錘沖擊試驗機。這兩種沖擊試驗機都是檢測材料的能量吸收功（焦耳），是一個沖擊過程的總量檢測，不能描述沖擊時力值的變化過程，不能反映斷裂過程的細節。不同材料在沖擊能量吸收功相同的情況下，斷裂過程往往不同，脆性破壞力值點不同，沖擊韌性并不完全相同，這一點對受沖擊負荷的材料尤其重要。

應用多功能動態沖擊試驗機可以很好的解決以上問題。該儀器是一種集簡支梁與懸臂梁為一體，以傳統能量吸收功（焦耳）測量和動態沖擊力（牛頓）顯示分析為一體的現代智能型沖擊試驗機。在沖擊機中增加了高速沖擊力傳感器，真實反映沖擊破壞過程中力值變化過程。可以形成力值-時間曲線，力值-變形曲線等，用以分析沖擊力、能量、變形隨時間的變化規律。分析這些曲線，可以獲得沖擊過程中裂紋產生，裂紋擴展，裂紋失穩的力值點，可以確定材料對沖擊破壞的敏感度。增加試驗溫度參數，可以得到材料從韌性破壞轉變為脆性破壞的溫度值。通過設計專業的分析軟件，可以準確的確定最大力，屈服力、裂紋擴展產生力、裂紋擴展終止力。把沖擊功細分為裂紋形成功及裂紋擴展功，并以此確定材料的韌性指數。

國際上以美國的CEAST和美國MTS為代表的擺錘沖擊機頂尖制造商代表目前國際上最先進的儀器制造水平，對材料韌性的研究開始用儀器化沖擊機（動態沖擊機），特別是在混合過程的研究開發以及任何需要檢測材料斷裂細節時，儀器化沖擊試驗的應用范圍愈來愈廣。儀器化沖擊能建立完善的塑料沖擊數據，能更好地模擬真實情況，落錘沖擊試驗機和擺錘沖擊試驗機都可以實現儀器化沖擊，如Instron and Ceast生產的落錘沖擊試驗機和Tinius Olsen 生產的擺錘沖擊試驗機。ASTM研究組織指出，這些儀器化沖擊試驗得到的某些材料數據，與傳統擺錘式沖擊試驗所得到的數據有一些不同。儀器化落錘沖擊試驗適用于薄膜、板材、管件、及包裝材料。儀器化擺錘沖擊試驗適用于塑料標準試樣。

在國內最早是由上海通用汽車對材料供應商提出測量材料韌性的要求，為此上海通用汽車在沒有國家標準和國際標準的情況下，自行提出了測試要求和方法，主要是針對汽車保險杠的韌性研究，并由承德試驗機總廠承擔，鑒于當時的傳感器和數字采集技術而流產。目前國內在動態沖擊機領域做得較好的是長春智能儀器設備有限公司，他們生產的JJ-30已經投放市場。但經過我們的使用和研究發現該沖擊機有許多不完善的地方。

我公司研發生產的多功能動態沖擊試驗機是一款國內先進的儀器化擺錘沖擊機。在全面滿足擺錘沖擊機國家標準的基礎上，增加沖擊力檢測功能。其結構特點是在現有沖擊機結構的基礎上，增加沖擊力傳感器，優化設計沖擊擺錘。編制專業軟件，細化分析材料的沖擊過程，改進材料質量。該沖擊機可廣泛應用于塑料原料、工程塑料、高分子材料的性能檢測和配方研制。符合擺錘沖擊機國家標準及國際標準，基本不改變原有沖擊機的測量方法和使用習慣。該沖擊機采用石英晶體傳感器測力值，在力作用下位移小，受力感應快，適于高速沖擊測量。采用高光柵增量編碼器測位移量，提高位移測量精度。采用高速數據采集卡，可以快速準確的傳送檢測的信息。專業的分析軟件，具有傳統沖擊機的所有分析功能，包括沖擊強度的計算及能量損失的計算等。增加沖擊力-時間、沖擊力-位移曲線等功能。具有曲線分析功能，包括極限力值、屈服力值、延伸率、紋擴展失穩力及裂紋擴展終止力。把沖擊功分解成裂紋形成功及裂紋擴展功，可以分析材料的各種性能。

（作者單位：承德市考思科學檢測有限公司）