淺析車用塑料機械性能檢測

王 鑫 金秀英 謝 宇

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津300300）

隨著經濟和科技的發展，汽車已成為了日常出行中重要的代步工具，我國也已成為年產銷量連續突破5000 萬輛（見圖1）的全球最大的汽車產銷國之一。在汽車生產過程中，為了提高汽車性能、美化汽車外觀、實現汽車輕量化的目標，塑料被越來越廣泛的應用在汽車零部件制造中[1]。如圖2 所示，由于塑料具有輕質化、易成型、耐腐蝕、安全環保、容易改性的優點[2]，塑料主要應用在汽車內飾件、外飾件、功能結構件制造領域[3]。隨著汽車制造業水平的發展和進步，汽車生產制造中單輛汽車的塑料用量逐年增加，車用塑料零部件的機械性能的優劣會影響到塑料零部件的耐久性、可靠性。因此，對車用塑料機械性能進行全面、客觀的檢測對保證汽車質量有著重要意義。本文主要闡述了車用塑料機械性能的測試方法，并闡述了測試過程中樣品的制備、選取及測試條件選擇的方法。

圖1 2010-2019 中國汽車產銷量

圖2 車用塑料應用

1 車用塑料機械能測試取樣方式

在車用塑料機械性能測試過程中，通常有兩種取樣方式:一是將塑料粒子原材料通過注塑的方式制備成標準樣條進行測試，這種方法能夠反應出原材料的機械性能，但是不能客觀反應塑料成品件的機械性能；二是直接在塑料成品件上進行取樣，根據塑料成品件實際面積大小選取合適的樣條類型及測試標準，通過機加工的方式制備試驗樣條，這種取樣的優點是能夠客觀的反應出塑料成品件的機械性能，對原材料的性能指標要求更高。由于成品件取樣方法測試結果能客觀反應出車用塑料成品件機械性能，該種取樣方法受到更多高端汽車生產商的青睞。

2 車用塑料機械性能測試

2.1 拉伸性能

塑料拉伸性能表征的是塑料在受到拉向應力時，材料的應力、應變性能。在拉伸性能測試過程中，沿試樣縱向主軸方向恒速拉伸，直至試樣發生斷裂，并記錄試樣在這一過程中的應力/應變曲線。車用塑料拉伸性能檢測，常用拉伸彈性模量、拉伸強度、斷裂伸長率、拉伸屈服應力、拉伸屈服應變等參數來表征塑料的拉伸性能。其中拉伸彈性模量是拉伸應力與拉伸產生的應變的比值，可用來表征材料剛度，其值越大，則該材料發生一定彈性變形所需的應力值也越大。拉伸強度表征的是材料在拉伸試驗過程中，觀測到的最大初始應力。斷裂伸長率表征的是材料在斷裂時的應變。根據試樣的拉伸應力/應變曲線類型，可將塑料分為脆性材料和非脆性材料，拉伸屈服應力、拉伸屈服應變表征的是非脆性材料在屈服點處（拉伸曲線中初次出現應力不增加但應變增加的點）的應力、應變值。對于各向異性塑料，應在每個受試方向制取試樣進行測試，在測試過程中應廢棄打滑或在非試樣平行段位置斷裂的試樣，并保證每組有效試樣的數量不少于5 個。在拉伸性能測試過程中，可根據材料性質（脆性材料、非脆性材料）選用合適的試驗速度，脆性材料多選用較低拉伸速度（如2 mm/min）進行測試，非脆性材料多選用較高拉伸速度（如50 mm/min）進行測試。但在測試拉伸模量時，試驗速度應盡可能使應變速率接近每分鐘1%標距，以保證拉伸模量測試結果的準確性。試樣的標距長度則是根據選取的試樣類型，進行確定。

2.2 彎曲性能

塑料彎曲性能表征的是塑料在受到壓向應力時，材料的應力、應變性能。車用塑料彎曲性能檢測，有三點彎曲、四點彎曲兩種測試方法。使用三點彎曲測試彎曲性能時，將試樣以一定距離支撐成橫梁，沿試樣跨度中心以恒定速率施加壓力，直至試樣發生斷裂或屈服，并記錄試樣在這一過程中的應力/應變曲線。常用彎曲模量、彎曲強度、彎曲強度下的彎曲應變等參數來表征塑料的彎曲性能。其中彎曲模量是彎曲應力與彎曲應變的比值，表征的是材料在彈性極限內抵抗彎曲變形的能力。彎曲強度表征的是材料在彎曲過程中承受的最大彎曲應力，彎曲應變表征的材料最大彎曲應力時的彎曲應變。在彎曲性能測試過程中，需要根據試樣實際厚度選擇相應規格的樣品支座，并根據試樣厚度確認試驗跨距（樣品厚度的16 倍）。在設置彎曲性能試驗速度時，應使彎曲應變速率盡可能接近1%/min，對于尺寸為（80*10*4）mm 的標準試樣，建議設定試驗速度為2 mm/min。當材料在兩個主要方向上的彎曲性能有較大差異時，應當在這兩個方向上分別取樣，進行彎曲強度測試。對于體積較小的內外飾塑料件或樣品平坦區域較小的塑料零部件，可選用四點彎曲進行測試，該測試標準所要求的試樣尺寸較小（長度15 mm，寬度10 mm，厚度（1.2～4.5）mm）,適用范圍較廣。在進行彎曲測試時以150o/min 的變形速率無沖擊的施加彎曲載荷，測定試樣彎曲角度為α3.5（28/樣品厚度）時的彎曲強度。這兩種彎曲強度的測試方法，都需要每組測試至少5 個平行樣，并取平均值作為彎曲強度的測試結果。

2.3 塑料沖擊性能

塑料沖擊性能表征的是塑料抵抗沖擊應力的耐受力，有簡支梁沖擊、懸臂梁沖擊、德標小試樣沖擊三種方法測試塑料的沖擊性能。簡支梁沖擊性能測試是將擺錘升至固定高度，然后釋放擺錘，以恒定的速度沖擊支撐成水平橫梁的試樣，沖擊軸線位于梁支座間的中點，對于缺口試樣，沖擊軸線應正對單缺口，且以試樣無缺口一側迎向擺錘沖擊。對于簡支梁缺口沖擊性能測試，試樣缺口類型有A型缺口、B型缺口、C型缺口三種缺口類型可選，推薦選用A型缺口進行沖擊性能測試。懸臂梁沖擊強度與簡支梁沖擊強度不同的是，懸臂梁沖擊是由已知能量的擺錘沖擊支撐成垂直懸臂梁的試樣，測量試樣接收沖擊時吸收的能量。擺錘沖擊線到試樣夾具為固定距離，對于缺口試樣，擺錘沖擊線到試樣缺口中心線為固定距離，在試驗過程中，應使試樣缺口一層迎向擺錘沖擊。對于懸臂梁缺口沖擊強度測試，試樣類型有A 型缺口、B 型缺口兩種缺口類型可選，推薦選用A型缺口進行測試。德標小試樣沖擊強度測試，適用于試驗要求塑料成品件取樣，但塑料成品件較小的情況。德標小試樣沖擊是由已知能量的擺錘沖擊試樣，但落錘舉升高度小于懸臂梁沖擊，且在試驗過程中，并無夾具夾持試樣，而是將試樣緊靠樣品支座，保持直立。對于德標小試樣缺口沖擊測試，需要將試樣缺口一側迎向擺錘沖擊，試驗缺口類型為U型缺口。在選用這三種方法測試塑料沖擊強度時，為保證測試數據的有效性，應合理選擇擺錘能量，使得沖斷試樣吸收的能量應在擺錘標稱能量10%到80%范圍內，建議每組測試至少選用10 個平行樣，取平均值作為測試結果。

2.4 硬度

塑料硬度表征的是塑料局部抵抗硬物壓入其表面的能力，有邵氏硬度、球壓痕硬度、洛氏硬度三種測試方法。邵氏硬度的原理是在規定載荷下，將壓針壓入塑料表面，測量壓針垂直壓入的深度，塑料硬度與壓針壓入深度呈反比。測量塑料的邵氏硬度時，應保證試樣的厚度至少為4 mm。如果樣品厚度不夠，可選用較薄的幾層樣品疊加至4 mm進行硬度測試，但應盡量保證各層之間接觸完全，同時疊加層數不超過三層。為保證塑料邵氏硬度測試結果的準確性，應選用尺寸足夠大的樣品進行測試，以保證任意測試點距離試樣邊緣至少9 mm，并在同一試樣上測量5 個點的硬度值，相鄰測量位置至少間隔6 mm，取平均值作為測試結果。在測試塑料邵氏硬度時，應根據材料硬度選用合適類型硬度計：當材料邵A硬度大于90 HA 時，應選用邵D 硬度計進行測試；當材料邵D 硬度小于20 HD時，應選用邵A硬度計進行測試。在測試前應確認邵氏硬度讀數之間，讀數時間不同，會影響最終邵氏硬度的測試結果。塑料球壓痕硬度是通過將直徑為5 mm 的鋼球以規定的負荷壓入試樣表面，在施加負載的狀態下測量鋼球壓入深度，根據壓入深度計算壓入的表面積，球壓痕硬度即為施加的負荷與鋼球壓入表面積的比值。球壓痕硬度需要根據材料硬度選擇試驗負荷，以保證鋼球壓入深度在（0.15～0.35）mm 之間。試驗負荷可在49.0 N，132 N，358 N，961 N中根據材料硬度進行選擇，在測試過程中，應保證試驗載荷在（2～3）s 內平穩地施加在樣品表面上，在施加試驗載荷30 s 后，測量鋼球壓入深度。為保證測試結果準確性，推薦使用厚度為4 mm的試樣進行測試，相鄰壓痕點之間及每個壓痕點距離試樣邊緣的位置都不小于10 mm，且應在一個或多個試樣表面進行10 次有效性測試，取平均值作為測試結果。塑料洛氏硬度的測試原理是在規定的負荷加載時間內，通過鋼球向試樣施加一個恒定的初負荷，隨后施加主負荷，然后再恢復到相同的初負荷，測量結果是由鋼球壓入總深度減去初負荷引起的壓入深度以及卸去主負荷后規定時間內的彈性恢復量。根據施加的主負荷大小不同、鋼球壓頭直徑不同（見表1），有三種洛氏硬度標尺可供選擇，分別是R、L、M，這三種標尺適用的塑料硬度依次增加。根據塑料的實際硬度，應選擇合適的標尺，以使得洛氏硬度的測量值在50～115 之間，若洛氏硬度測試結果超出范圍，應根據測試結果大小更換相鄰標尺重新測試。對于塑料硬度較小，需要比R 標尺更低硬度的標尺時，應采用邵氏硬度的方法測試塑料硬度。為保證測試結果準確性，試樣厚度至少為6 mm，相鄰壓痕點之間及每個壓痕點距離試樣邊緣的位置都不小于10 mm，且應在試樣的同一表面測量5 次，取平均值作為測試結果。

表1 洛氏硬度標尺參數

2.5 負荷變形溫度

塑料負荷變形溫度表征的是塑料在受到恒定三點彎曲負荷下，隨著溫度的升高，試樣達到規定彎曲應變時對應的溫度。根據負荷變形溫度測試過程中，施加的恒定載荷不同，有三種試驗方法可供選擇，分別是A法（1.80 MPa）、B法（0.45 MPa）、C法（8.00 MPa）。測試過程中應準確測量樣品的寬度、厚度，并根據樣品尺寸計算出施加恒定載荷所需要的砝碼質量，試驗開始后，以120℃/h 的升溫速率進行測試。對于塑料成品件取樣，樣品如有翹曲現象，應當使試樣分別以不同的面朝著載荷頭進行試驗，分別記錄試驗結果并標注試樣放置方向。每組樣品至少選用兩個平行樣進行測試，若兩個試樣測試結果相差2℃以上，則應重新進行測試，以保證測試結果準確性。

3 結論

車用塑料機械性能測試項目及試驗方法眾多，為客觀、全面表征車用塑料機械性能，應當根據實際應用需要選擇合適的測試項目、制樣方法、試驗條件。通過對車用塑料拉伸性能、彎曲性能、沖擊性能、硬度、負荷變形溫度的測試，為客觀評估車用塑料零部件的使用可靠性、使用耐久性提供依據。