塑料的沖擊強度通常采用擺錘沖擊的形式測試,但因多種因素影響,擺錘沖擊測試往往很難獲得變異系數(shù) <5% 的測試結(jié)果。 針對測試設(shè)備和試樣材質(zhì)等固有性能對沖擊強度的影響,可點擊鏈接查看詳情:擺錘沖擊強度的影響因素(上)。本文將對人員操作對沖擊強度的影響進行分享和討論。
在確定測試設(shè)備和材料后,擺錘沖擊的流程為:試樣成型、缺口加工、測試。從裂紋萌生和裂紋擴展角度看,成型工藝、缺口加工、測試細節(jié)是決定試樣斷裂過程吸收能量的關(guān)鍵因素。
大部分擺錘沖擊樣條都是通過注塑成型,或模壓成型以及擠出成型后裁切得到。成型方式的不同會導(dǎo)致樣品在結(jié)晶、取向、內(nèi)應(yīng)力上產(chǎn)生很大的區(qū)別。
模壓成型的材料幾乎是各向同性的,內(nèi)應(yīng)力較小;注塑成型一般會在流動方向上取向,也可通過控制注射速度、模溫、保壓壓力等參數(shù),結(jié)合模具設(shè)計,控制結(jié)晶度與內(nèi)應(yīng)力;擠出成型的樣品在通過模具后往往會采用驟冷的方式,因此取向很明顯,但結(jié)晶度較差。
注塑成型
模壓成型
擠出成型
三種成型工藝中,經(jīng)常用到的是注塑成型,但不同的注塑工藝也會對樣品微觀結(jié)構(gòu)造成很大影響。
通常注射溫度過高會導(dǎo)致應(yīng)力松弛,解取向增加,而注射溫度過低會影響流動,產(chǎn)生熔接痕;注射速度過低則流動取向降低,過高會導(dǎo)致剪切加強,引起熔體破裂甚至樣品燒傷等不適的情況;保壓壓力過高會產(chǎn)生飛邊,過低會導(dǎo)致樣品無法充滿;保壓時間太短,樣品會產(chǎn)生變形,保壓時間過長,樣品內(nèi)部甚至?xí)a(chǎn)生負壓;模溫過低,樣品冷卻過快,內(nèi)應(yīng)力過大,模溫太高,解取向增大。
結(jié)晶度越高、球晶尺寸越大,試樣越脆,沖擊強度越?。蝗∠騼鼋Y(jié)度高,斷裂需要破壞的主價鍵的比例提高,沖擊強度越大;內(nèi)應(yīng)力越大,越容易產(chǎn)生裂紋,沖擊強度往往越小。
在 Instron 的測試經(jīng)驗中曾遇到某種 HDPE,注塑成型試樣的沖擊強度是模壓成型試樣的沖擊強度相差4倍,主要原因是注塑過程能很好地在流動方向上產(chǎn)生凍結(jié)取向,斷裂時需要破壞的主價鍵比例大大增加。模壓成型的試樣沒有取向,也沒有控制好冷卻過程,樣品結(jié)晶度更高,斷裂時需要破壞的主價鍵比例降低。
絕大部分材料都采用缺口沖擊測試,高質(zhì)量的缺口是確保沖擊實驗結(jié)果正確可靠的基礎(chǔ)。
模塑缺口試樣沖擊強度往往大于機械加工的缺口試樣,并且模塑的缺口試樣和缺口尺寸還會受到成型工藝、模具收縮率等因素的影響,因此行業(yè)內(nèi)通常采用機械加工的方式制備缺口。前面提到高結(jié)晶度的材料對缺口更加敏感,因此此類材料的缺口制備過程需要更加精細的控制。
根據(jù)刀片的運動方式,目前主流的缺口加工方式為線切割和旋轉(zhuǎn)切割。
缺口的加工,一方面要考慮獲得尺寸標準且穩(wěn)定的缺口,另一方面要減少摩擦生熱。穩(wěn)定的缺口通常需要分多次精細切割,并且需要較低的給進速度?,F(xiàn)代線切割方式的機器大都采用刀尖接觸試樣,并且一些較好機器退刀過程刀片和樣品無摩擦,因此發(fā)熱量大大減少。旋轉(zhuǎn)切割由于較慢的給進速度,摩擦生熱往往比線切割更嚴重,因此更需要很好的降溫措施,才能獲得更好的缺口。
好的缺口與燒焦的缺口
大部分材料都可以參考 ISO 2818 提供的參數(shù)做相應(yīng)調(diào)整,以獲得最佳的缺口制備效果。
在確保設(shè)備、樣品都滿足測試需求后,實際的測試過程還會受測試細節(jié)的影響。
錘頭的選擇
ISO 標準要求錘頭吸收能量在 10%~80% 之間,并且?guī)讉€錘頭都滿足需求的情況下,盡量用能量較高錘頭。ASTM 標準則要求盡量用能量較小的錘頭,并且吸收能量 <85%。
能量較高的錘頭沖擊過程中速度降低較少,試樣斷裂過程應(yīng)變速率變化較小,更容易脆性斷裂。小能量錘頭測試過程速度降低較多,容易引起韌性斷裂。在ji端情況下,錘頭的選擇會引起測試結(jié)果巨大的變化。
*同時滿足的情況下,按標準要求應(yīng)選擇能量更大的擺錘。例如有缺口沖擊能量 30kJ/㎡,應(yīng)選擇 7.5J 擺錘。
*同時滿足的情況下,按標準要求應(yīng)選擇能量更大的擺錘。例如有缺口沖擊能量 30kJ/㎡,應(yīng)選擇 5.5J 擺錘。
試樣擺放的影響
注塑試樣因為存在脫模角,側(cè)面實際上是梯形。簡支梁沖擊時,試樣朝上和朝下擺放,會造成測試結(jié)果一定的偏差,在沖擊強度較小的樣條上尤其明顯。
Instron 團隊曾做過一種樣條,兩種擺放方式測沖擊強度分別為1.3kJ/㎡ 和 1.2kJ/㎡。試樣的對中也會明顯影響測試結(jié)果,擺放試樣時更應(yīng)注意。
溫度影響
溫度升高,沖擊強度提高,溫度降低,沖擊強度則降低。在常溫測試中,抓取樣條的時候要避免手接觸試樣缺口附近的位置,以免熱傳導(dǎo)引起升溫。
Instron 團隊曾做過一項測試,將樣條放手里握 10s 后測試,發(fā)現(xiàn)沖擊強度提高了 20%。此外,在低溫沖擊中,尤其是懸臂梁沖擊,樣條有一半夾在夾具內(nèi),夾具對試樣的熱傳導(dǎo)不可忽視,需要將夾具也降低到測試溫度,才能保證數(shù)據(jù)的準確性。
斷裂樣條動能的影響
在沖擊強度較小的測試中,就不能忽略試樣飛出去的動能,因此 ASTM D256 的方法 C 要求將斷裂的試樣撿回來再沖擊一次,扣除試樣動能。而在平時的測試中,也應(yīng)注意試樣的擺放,讓飛出去的試樣尺寸一致,以確保動能一致。
Instron 的擺錘試驗系統(tǒng)擁有如下優(yōu)勢:
如下一體化鑄造成型的機架、底座,最大限度減少結(jié)構(gòu)性震蕩導(dǎo)致的能量損失;
經(jīng)設(shè)計的一體化成型擺錘,減少能量損失的同時,扁平化設(shè)計還能減少風(fēng)阻造成的能量損失;
在線式低溫冷卻系統(tǒng),讓低溫測試數(shù)據(jù)更加精準;
采用無線傳輸技術(shù)的儀器化擺錘,讓儀器化沖擊遠離線纜連接的影響,測試結(jié)果更準確;
穩(wěn)定的機架,讓設(shè)備能滿足高達 50J 的擺錘沖擊的同時,也讓小能量沖擊結(jié)果更準確。
全自動缺口制樣機采用線性切割,最大限度減少切割發(fā)熱量。通過精確的單次切割量控制、準確的切割速度控制、定制刀片冷卻系統(tǒng)的退刀方式,配合雙缺口加載器和啞鈴形試樣的切邊等裝置,在保證缺口的高度準確情況下讓樣品制備既節(jié)省時間又節(jié)省人力,為您的沖擊試驗保駕護航。
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