沖擊強(qiáng)度是衡量材料韌性的一種指標(biāo)，通常定義為試樣在沖擊載荷的作用下斷裂時(shí)單位截面積所吸收的能量，也是塑料最重要的力學(xué)性能之一。

塑料的沖擊強(qiáng)度通常采用擺錘沖擊的形式測試，但因受多種因素影響，擺錘沖擊測試往往很難獲得變異系數(shù)＜5%的測試結(jié)果。本文將結(jié)合公開文獻(xiàn)和 Instron 測試經(jīng)驗(yàn)，分析沖擊強(qiáng)度的影響因素。

沖擊測試的準(zhǔn)確性主要取決于沖擊能量測試的準(zhǔn)確性。沖擊過程的錘頭能量損失分為兩部分，一部分是試驗(yàn)機(jī)吸收的能量，另一部分是試樣斷裂過程吸收的能量。

試驗(yàn)機(jī)吸收的能量主要有4個(gè)部分：擺錘運(yùn)動(dòng)過程的風(fēng)阻、軸承等零部件的摩擦、沖擊過程中機(jī)器的晃動(dòng)、沖擊過程中各零部件的震動(dòng)。

ISO 13802（GB/T 21189）對錘頭空擺產(chǎn)生的能量損失做了規(guī)定，并且通常認(rèn)為此摩擦為包含軸承的摩擦和錘頭的風(fēng)阻。為了減少此摩擦損失，通常需要選擇更優(yōu)質(zhì)的軸承。

此外，在錘頭設(shè)計(jì)方面，為了減少風(fēng)阻，錘頭包括擺桿應(yīng)該盡可能扁平化設(shè)計(jì)，從而符合流體力學(xué)，減少風(fēng)阻。

根據(jù) ISO 13802（GB/T 21189）的描述，機(jī)器的晃動(dòng)主要和機(jī)器重量/錘頭重量的比值相關(guān)，比值越高，晃動(dòng)產(chǎn)生的能量越小，能使用的能量上限越大。如果晃動(dòng)能量占能量損失＜0.5%，并且錘頭可用能量為錘頭標(biāo)稱能量的 80% 以上，那機(jī)器重量/錘頭重量的比值至少為 62。

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

機(jī)器的震動(dòng)和機(jī)器的剛度相關(guān)。機(jī)器的剛度一方面和機(jī)器各部件的材料剛度相關(guān)，另一方面和零部件的連接相關(guān)，材料剛度越高，則連接件越少，機(jī)器的剛度越高，震動(dòng)越小。

一臺好的擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，包括主機(jī)和錘頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)盡可能減少連接部件，盡量采用一體化設(shè)計(jì)，同時(shí)還要采取更合適的固定、連接設(shè)計(jì)，以減少機(jī)器的振動(dòng)。

Instron 擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)主機(jī)設(shè)計(jì)

試樣與錘頭接觸的過程中都會吸收能量：錘頭接觸試樣后，試樣先受力彎曲，隨后在應(yīng)力集中的地方產(chǎn)生裂紋。裂紋擴(kuò)展直到試樣斷裂，錘頭帶動(dòng)斷裂的試樣飛出。此過程中試樣和錘頭還會有摩擦，測試后樣條上還會有永jiu變形。對于大部分材料，此部分的能量吸收最主要來源于裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展的過程。

裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展有多方面影響因素：試樣本身的內(nèi)應(yīng)力以及缺口的尺寸會影響裂紋的萌生，內(nèi)應(yīng)力越高、缺口越尖銳，裂紋越容易萌生。裂紋擴(kuò)展主要是克服主價(jià)鍵和次價(jià)鍵，主價(jià)鍵斷裂比例越高，沖擊強(qiáng)度越大。試樣的缺陷也會讓裂紋擴(kuò)展更容易，引起沖擊強(qiáng)度的降低。

綜合來看，材料特性、成型工藝、缺口加工、測試細(xì)節(jié)是決定試樣斷裂過程吸收能量的關(guān)鍵因素。

各種材料都有其基本的性能，主要是由重復(fù)單元結(jié)構(gòu)、分子鏈結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)等微觀結(jié)構(gòu)決定的。

重復(fù)單元結(jié)構(gòu)決定了鍵能大小，鍵能越大越難斷裂；分子鏈的結(jié)構(gòu)決定了分子鏈的柔性，柔性分子鏈在受沖擊時(shí)可以通過分子鏈變形傳遞能量，剛性分子鏈則因?yàn)殡y以傳遞能量而相對容易斷裂；聚集態(tài)的結(jié)構(gòu)主要是取向和結(jié)晶，結(jié)晶度高、球晶尺寸大，材料更脆，而取向度高的材料延垂直于取向方向沖擊破壞時(shí)需要破壞更多主價(jià)鍵。重復(fù)單元結(jié)構(gòu)會影響分子鏈結(jié)構(gòu)，分子鏈結(jié)構(gòu)又會影響聚集態(tài)微觀結(jié)構(gòu)。

總的來說，試樣的材質(zhì)決定了主價(jià)鍵斷裂的難易程度，同時(shí)也決定了試樣的結(jié)晶情況。因此，每種材料都有自身特性，也有比較典型的沖擊性能。

高結(jié)晶度材料的裂紋擴(kuò)展過程基本上是沿著晶體間隙進(jìn)行的，因此不會涉及過多的主價(jià)鍵斷裂，而是以次價(jià)鍵的破壞為主。裂紋擴(kuò)展吸收的能量往往較小，沖擊斷面表現(xiàn)為直線延伸式的脆性斷裂（如下圖c）。裂紋萌生反而有可能會消耗大量的能量，因此高結(jié)晶度的材料往往表現(xiàn)出很高的缺口敏感性。

無定型材料的裂紋擴(kuò)展過程中，主價(jià)鍵的斷裂占據(jù)的比例增加，裂紋擴(kuò)展吸收能量較大，沖擊斷面表現(xiàn)為扇形擴(kuò)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，部分材料的沖擊強(qiáng)度還會隨試樣尺寸的變化而產(chǎn)生巨大的變化。

例如 PC 材料，多項(xiàng)研究表明 PC 材料在 4mm 厚度附近，A型缺口的沖擊強(qiáng)度會產(chǎn)生突變，急劇減小，不論是機(jī)加工的缺口還是注塑的缺口均呈現(xiàn)相同的現(xiàn)象。這是因?yàn)殡S著試樣厚度的增加缺口尖duan殘余應(yīng)力值逐漸增加，引發(fā)銀紋，導(dǎo)致破壞形式由韌性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>脆性破壞。

而不同 PC 試樣采用 ASTM D256 標(biāo)準(zhǔn)測試的缺口沖擊強(qiáng)度均最高，這可能與試樣缺口處剩余寬度較寬，具有更長的斷裂行程有關(guān)。

PC 沖擊強(qiáng)度和厚度的關(guān)系

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