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低溫沖擊測試是評價材料在低溫環(huán)境狀態(tài)下的韌脆性能。因為材料在不同工況環(huán)境溫度下反應(yīng)出來的力學(xué)狀態(tài)屬性不同，為了評估其在不同工況環(huán)境溫度下的性能，尤其是低溫環(huán)境下的沖擊韌性，故此引入低溫沖擊測試。

 

通常，塑料材質(zhì)的低溫沖擊性能采用懸臂梁或簡支梁擺錘沖擊測試來衡量。常用的測試方法是將規(guī)定尺寸的試樣在試驗溫度下的冷凍箱進行調(diào)節(jié)，待調(diào)節(jié)完畢后迅速取出，將樣條一端固定在懸臂梁或簡支梁試樣夾具上，然后釋放具有一定能量的擺錘對試樣施加沖擊負荷，之后記錄其吸收的能量并依據(jù)公式計算得出該材料的沖擊強度。

 

低溫沖擊韌性是塑料材料重要的性能指標(biāo)。而目前的研究主要集中在常溫沖擊強度測試，鮮少有學(xué)者對材料的低溫沖擊強度進行研究，如擺錘能量、試驗跨距、缺口加工方式在低溫時的測試影響是否與常溫一致有待驗證。故針對此，筆者選取聚丙烯（PP）和丙烯腈—丁二烯—苯乙烯（ABS）兩種材料，分別探究擺錘能量、冷凍溫度、缺口加工方式、試驗跨距因素對低溫沖擊強度的影響，以期為正確評定塑料材質(zhì)的低溫韌脆性提供依據(jù)。

 

01試驗方案

 

為探究擺錘能量、冷凍溫度、缺口加工方式對低溫沖擊的影響，設(shè)計不同因素對于懸臂梁沖擊強度影響的試驗方案。將沖擊樣條同保溫介質(zhì)一起放入MQ-80-TE低溫冷凍箱內(nèi)進行冷凍。冷凍后用保溫介質(zhì)存儲沖擊樣條，在環(huán)境溫度(23±2) ℃、(50±10) %相對濕度條件下，使用擺錘沖擊試驗儀按照ISO 180:2019標(biāo)準(zhǔn)進行懸臂梁沖擊強度測試。測試過程每次10秒內(nèi)完成沖擊，計算其變異系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的比值）判定測試穩(wěn)定性。

 

為探究試驗跨距對低溫沖擊的影響，設(shè)計簡支梁試驗研究方案。將沖擊樣條同保溫介質(zhì)一起放入MQ-80-TE低溫冷凍箱內(nèi)進行冷凍。冷凍后用保溫介質(zhì)存儲沖擊樣條，在環(huán)境溫度(23±2) ℃、(50±10) %相對濕度條件下，使用擺錘沖擊試驗儀按照ISO 179-1:2010標(biāo)準(zhǔn)進行簡支梁沖擊強度測試。測試過程每次10秒內(nèi)完成沖擊，計算其變異系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的比值）判定測試穩(wěn)定性。

 

02結(jié)果與討論

 

2.1  擺錘能量的影響

 

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求沖斷試樣吸收的能量應(yīng)在擺錘標(biāo)稱能量10%至80%范圍內(nèi)。如果不止一個擺錘符合這些要求,應(yīng)選擇其中能量最大的擺錘。本實驗室沖擊試驗儀懸臂梁擺錘配有3種能量的擺錘，分別是1J擺錘、2.75J擺錘和5.5J擺錘。針對此探究不同能量的擺錘對低溫沖擊測試結(jié)果的影響，測試結(jié)果見表1。擺錘能量對低溫沖擊強度的影響見圖1。

 

表1不同擺錘能量時的低溫沖擊測試結(jié)果圖片

                                              

 

  圖1 擺錘能量對低溫沖擊強度的影響

 

從圖1可以看出，使用不同能量的擺錘，低溫沖擊強度差異并不明顯。這是因為由磨擦和空氣阻力影響而損失的能量，在更換擺錘空打時會進行修正，修正后再使用不同擺錘進行測試，其對測試結(jié)果影響較小。

 

2.2 冷凍溫度的影響

 

塑料的低溫沖擊樣條冷凍溫度應(yīng)在最低的設(shè)計溫度下進行。常用的塑料低溫沖擊冷凍溫度從-10℃至-40℃。為了驗證冷凍溫度對沖擊結(jié)果的影響，將沖擊樣條分別在-10℃、-20℃、-30℃、-40℃溫度下冷凍4h進行懸臂梁沖擊測試。試樣未冷凍時在標(biāo)準(zhǔn)試驗環(huán)境里（23℃,50%RH）測試的數(shù)據(jù)也一同列出。測試結(jié)果見表2。冷凍溫度對低溫沖擊強度和沖擊強度變異系數(shù)的影響見圖2和圖3。

 

表2 不同冷凍溫度下的低溫沖擊測試結(jié)果圖片

 

 

圖4 ABS低溫沖擊斷口形貌

 

從圖2可以看出，低溫沖擊強度隨著冷凍溫度的降低而下降。觀察圖2曲線斜率，在-10℃至-40℃區(qū)間，低溫沖擊強度下降的比較緩慢，降低速率明顯減小。從圖3可以看出，在不同溫度下測試，變異系數(shù)均小于10%，其中未冷凍時的沖擊變異系數(shù)較低，測試波動性較小。

 

用二次元影像測量儀對不同冷凍溫度下的斷口形貌進行觀測, ABS材料斷口形貌如圖4所示。從斷口形貌上看，未冷凍時的沖擊樣條斷口處呈大面積韌性發(fā)白。隨著冷凍溫度的降低，聚合物分子鏈的活動性變差，斷口處發(fā)白纖維區(qū)面積明顯縮小，放射形結(jié)晶狀區(qū)面積增大，材料由韌變脆，發(fā)白現(xiàn)象越不明顯，沖擊強度越低。PP材料斷口形貌具有相同的特征。

 

在進行低溫沖擊測試時，應(yīng)合理選擇冷凍溫度。不同冷凍溫度之間測試結(jié)果不能相比較。

 

2.3  缺口加工方式的影響

 

標(biāo)準(zhǔn)試驗方法中提到可以用機加工或注塑的方式制備缺口沖擊樣條。本試驗考察缺口加工方式對懸臂梁低溫沖擊強度的影響。測試數(shù)據(jù)見表3。缺口加工方式對低溫沖擊強度的影響見圖5。

 

表3 不同缺口加工方式的低溫沖擊測試結(jié)果

 

 

圖5 缺口加工方式對低溫沖擊強度的影響

 

從圖5可以看出，機銑缺口的低溫沖擊強度小于注塑缺口的測試結(jié)果。這是因為使用注塑方法一次性直接成型時，由于材料的收縮率不同，脫模后試樣得到缺口的實際外形尺寸總要發(fā)生不同程度的改變，特別是缺口底部曲率半徑變化較大，難以保證缺口各部分符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，從而影響其沖擊強度。

 

2.4  試驗跨距的影響

 

懸臂梁沖擊樣條支撐成垂直懸臂梁，簡支梁沖擊樣條支撐成水平梁，跨距是簡支梁沖擊非常重要的測試參數(shù)。針對此探究不同跨距對低溫沖擊性能測試的影響，測試數(shù)據(jù)見表4。試驗跨距對低溫沖擊強度和沖擊強度變異系數(shù)的影響見圖6和圖7。

 

表4不同試驗跨距的低溫沖擊測試結(jié)果

 

 

常溫時，PP半結(jié)晶聚合物沖擊吸收功隨著跨距的增加而下降。非結(jié)晶性塑料ABS沖擊吸收功隨著跨距的增加而增加。從圖6可以看出，與常溫不同，PP材料和ABS材料62mm跨距時的低溫沖擊強度均高于40mm跨距時的結(jié)果。這說明同一試樣試驗跨距越大，低溫沖擊強度結(jié)果越高。從圖7可以看出，PP材料和ABS材料的低溫沖擊強度變異系數(shù)，隨著跨距增大，變異系數(shù)增大。即同一試樣試驗跨距越大，低溫沖擊測試穩(wěn)定性越差。

 

03結(jié)論

 

本文針對低溫擺錘沖擊強度的影響，從測試環(huán)節(jié)的擺錘能量、冷凍溫度、缺口加工方式、試驗跨距4個方面展開研究，主要結(jié)論如下：

 

1）  擺錘能量對低溫沖擊強度無明顯影響。

 

2）  冷凍溫度對低溫沖擊強度影響顯著。冷凍溫度越低，沖擊測試結(jié)果越低。在進行低溫沖擊測試時，應(yīng)合理選擇冷凍溫度。不同冷凍溫度之間測試結(jié)果不能相比較。

 

3）  注塑缺口與機銑缺口低溫沖擊強度比較，機銑缺口測試結(jié)果小于注塑缺口測試結(jié)果。

 

4）  針對PP和ABS材料，簡支梁試驗跨距越大，低溫沖擊強度結(jié)果越大。