力学性能测量(冲).ppt

1、3. 冲击试验,冲击试验是用来量度材料在高速状态下的韧性,或对动态断裂的抵抗能力的一种试验方法.冲击试验所获得的数据,可以用来评价材料抵抗冲击的能力或判断材料脆性或韧性的程度。冲击试验作为一项标准测试已形成规范,被生产部门广泛. 冲击试验也是观察材料断裂现象一个方法,在宽广的温度范围和不同缺口尺寸条件下,对材料的冲击强度进行研究,可以了解它们的断裂特性,特别是对断裂表面形状、能量吸收形式和裂纹增长速度的细微研究,都有助于深入了解材料在冲击载荷下裂纹的发生和发展过程.,材料的冲击强度与其它极限性能不同,它是指标准试样在破断的单位面积上所需要的能量,而不是通常所指的“断裂应力”. 冲击强度不是材料

2、的基本参数,而是一定几何形状的试样在特定试验条件下韧性的一个指标.因此只有在试样形状和大小相同,又在相同试验条件下测得的冲击强度数据,才具有工程使用意义上的可比性,才能用以确定不同的高分子材料哪些是韧性的,哪些是属于脆性的. 例如,玻璃钢一类的纤维增强塑料,虽然是以脆性形式断裂,但其冲击强度却很高.,但是材料的冲击性能是很难准确表征的力学参数之一，影响因素复杂，试验的方法也很多。即使是用标准样品和标准试验方法，也只能得出这种特定条件下有相对比较价值的实验结果，很难对某一影响因素作出规律性的评价。 冲击试验方法很多： 例如依据试验温度可分为常温冲击、低温冲击和高温冲击三种； 依据试样的受力状态可

3、分为弯曲冲击（包括简支梁冲击和悬臂梁冲击）、拉伸冲击、扭转冲击和剪切冲击； 依据采用的能量和冲击次数，可分为大能量一次冲击（简称一次冲击试验或落锤冲击试验）和小能量多次冲击试验（简称多次冲击试验）。,我国常用的是简支梁冲击试验，而美国常用的是悬臂梁冲击试验。但是，无论是简支梁冲击还是悬臂梁冲击，试样都分为无缺口试样和缺口试样。 两者的物理意义： 无缺口冲击强度：反映裂纹引发前的瞬间，试样延性变形所吸收的能量； 缺口冲击强度：反映的是材料瞬间抵抗裂纹扩展的能力。,最常用的冲击试验方法有悬臂梁（ Izod ）和简支梁 (Charpy ），都是以摆锤冲击试样前后的能量差来计算出冲击强度。实际上这能量

4、差并不是完全消耗在试样的断裂过程中，至少要减去试样被冲断后的飞出功和冲击系统的振动能，这样才可以得到试样的冲击断裂能。 有文献报道，不同材料被冲断后的飞出功大小与材料的断裂性质和断裂过程的不同而存在很大的差别，通常飞出功的大小约占总冲击能的2983%，所以用以上两种冲击试验方法测出的结果会偏高，只有比较的价值。,准确测量冲击性能的方法:,解决问题的方法之一是记录冲击断裂过程中,试样承受的冲击载荷随时间的变化,从而计算出断裂过程所吸收的能量,这样一来才可以真实地反映材料的抗冲性能. 数字化冲击试验机能够帮助我们完成这些试验.,冲击试验方法,简支梁(Charpy) 悬臂梁(Izod) P P 无缺

5、口冲击强度K=A/bh （单位：KJ/m2） 缺口冲击强度K =A/b(h-a) （单位：KJ/m2） (标准试样：宽度b=15mm, 厚度h=10mm, 缺口深度a=3mm),3.1 名词、术语,无缺口试样简支梁冲击强度（Charpy impact strength of unnotched specimens):无缺口试样在冲击负荷作用下，破坏时所吸收的冲击能量与试样的原始横截面积之比，以kJ/m2表示。 缺口试样简支梁冲击强度（Charpy impact strength of notched specimens):缺口试样在冲击负荷作用下，破坏时所吸收的冲击能量与试样缺口处的原始横截面

6、积之比，以kJ/m2表示。,相对冲击强度(Relative impact strength ):缺口试样冲击强度与无缺口试样冲击强度之比，或同类试样A型与B型缺口冲击强度之比。但是，C型缺口试样冲击强度与A型或B型任一种缺口试样冲击强度之比，不能作为相对冲击强度的量度。 完全破坏（Complete break):经过一次冲击使试样分成两段或几段。 部分破坏（Partial break):一种不完全破坏，即无缺口试样或缺口试样的横断面至少断开90%。 无破坏（Non-break):一种不完全破坏，即无缺口试样或缺口试样的横断面断开部分小于90%。,3.2 冲击试验国家标准,3.2.1 硬质塑料简

7、支梁冲击试验方法： GB/T 1043-93 3.2.2 塑料冲击性能小试样试验方法： GB/T 16420-96 3.2.3 玻璃纤维增强塑料简支梁式冲击韧性 试验方法： GB 1451-83,3.2.1 硬质塑料简支梁冲击试验方法： GB/T 1043-93,主要内容与适用范围： 本标准规定了用简支梁冲击试验机，对硬质塑料试样施加一次冲击弯曲负荷使试样破坏，并用试样破坏时单位面积所吸收的能量衡量材料冲击韧性的方法。 本标准适用于硬质热塑性塑料和热固性塑料，其中包括填充塑料和纤维增强塑料，以及这些塑料的制品。本标准不适用于硬质泡沫塑料。,原理： 用已知能量的摆锤打击支承成水平梁的试样，由摆锤

8、一次冲击使试样破坏。冲击线位于两支座正中，如果是缺口试样则冲击线应正对缺口，以冲击前、后摆锤的能量差，确定试样在破坏时所吸收的能量。然后按试样原始横截面积计算其冲击强度。,硬质塑料简支梁冲击示意图,设备,冲击试验机： 试验机应为摆锤式，并由摆锤、试样支座、能量指示机构和机体等主要构件组成。能指示试样破坏过程中所吸收的冲击能量。 试验机应具有下表所示的特性参数，并应定期由国家计量部门对这些参数进行检定。 必须注意：由不同的摆锤所得的结果不能比较。,摆锤冲击试验机特性参数,摆体： 摆体是试验机的核心部分，它包括旋转轴、摆杆、摆锤和冲击刀刃等部件。 旋转轴心到摆锤打击中心的距离与旋转轴心至试样中心距

9、离应一致，两者之差不应超过后者的1%。 冲击刀刃规定夹角为301，端部圆弧半径为2.00.5mm。摆锤下摆时，刀刃通过两支座间的中央偏差不得超过0.2mm，刀刃应与试样的打击面接触。接触线应与试样长轴线垂直，偏差不超过2。,试样支座： 为两块安装固定的支撑块，能使试样成水平，其偏差在1/20以内。在冲击瞬间应能使试样打击面平行于摆锤冲击刀刃，其偏差在1/200以内。 两支撑块的位置应可调节。 能量指示机构 能量指示机构包括指示度盘和指针。应对能量度盘的摩擦、风阻损失和示值误差做准确的校正。 机体 机体为刚性良好的金属框架，并牢固地固定在质量至少为所用最重摆锤质量40倍的基础上。,试样类型和尺寸

10、（单位mm),缺口类型和尺寸（单位mm）,硬质塑料冲击（A型缺口试样）l长度；d厚度；r缺口底部半径;b宽度;dk试样缺口剩余厚度,硬质塑料冲击（B型缺口试样） l长度；d厚度；r缺口底部半径;b宽度;dk试样缺口剩余厚度,硬质塑料冲击（C型缺口试样） l长度；d厚度； n-缺口宽度; b宽度; r缺口底角半径; dk试样缺口剩余厚度,试样的选择,试样的优选类型为1型，而优选的缺口类型为A型。,板材试样,板材试样厚度在313mm之间时取原厚，大于13mm时，应从两面均匀地进行机械加工到100.5mm。4型试样厚度须加工到13mm。 当使用非标准厚度试样时，缺口深度与试样厚度尺寸之比也应该分别满

11、足要求。 厚度小于3mm的试样不做冲击试验。 层压板应分别对板面方向和侧向板边方向进行冲击。板面方向缺口长度等于试样宽度，板边方向缺口长度等于板材厚度。,层板冲击（板向缺口试样） 1支撑方向；2冲击方向；3-支撑方向,层板冲击（侧向缺口试样）1支撑方向；2冲击方向；3-支撑方向,试样缺口加工,试样缺口可在铣床、鉋床或专用缺口加工机上加工。加工刀具应无倾角，工作后角为1520。 推荐的刀尖线速度约为90185m/min，进给速率为10130mm/min。 检查刀具的锐度，如果半径和外形不在规定范围内，应以新磨的刀具更换。 如果受试材料的产品标准有规定，可用带模塑缺口的试样。但仲裁试验应使用机械加

12、工方法加工试样缺口。模塑缺口试样和机械加工缺口试样的试验结果不能相比。,试样数量,除受试材料的产品标准另有规定外，每组试样数应不少于10个。 各向异性材料应从垂直和平行于主轴的方向上各取一组试样。 层压材料应在使冲击方向垂直于层压方向（板面方向）和平行于层压方向（板边方向）上各取一组试样。,3.2.2 塑料冲击性能小试样试验方法： GB/T 16420-96,主要内容与适用范围： 本标准规定了用简支梁冲击试验机，用小试样测定塑料冲击性能的方法。 本标准适用于硬质热塑性塑料和热固性塑料。 本标准通常不适用于增强塑料。,试样尺寸（单位mm),缺口类型和尺寸（单位mm）,小试样冲击（A型缺口试样）l

13、长度；d厚度；r缺口底部半径;b宽度;dk试样缺口剩余厚度,小试样冲击（B型缺口试样） l长度；d厚度；r缺口底部半径;b宽度;dk试样缺口剩余厚度,小试样冲击（C型缺口试样） l长度；d厚度； n-缺口宽度; b宽度; r缺口底角半径; dk试样缺口剩余厚度,试样的选择,硬质脆性材料采用无缺口试样，其它材料采用缺口试样，而推荐的缺口类型为A型。 试样的制备和试样的数量与GB/T 1043-93相同。,3.2.3 玻璃纤维增强塑料简支梁式冲击韧性 试验方法： GB 1451-83,主要内容与适用范围： 本标准适用于测定玻璃纤维织物增强塑料板材和短切玻璃纤维增强塑料的冲击韧性。试样为矩形杆（或正

14、方形杆），并在试样表面开有V形缺口，使试样受冲击时产生应力集中而呈现脆性断裂。 本标准采用简支梁式冲击方法。,玻璃纤维织物增强塑料的试样型式和尺寸,缺口方向与布层垂直： 试样的宽度为试样的厚度，取610mm。 当板厚大于10mm时，单面加工至10mm。,缺口方向与布层垂直,缺口方向与布层平行： 当试样厚度大于10mm时，单面加工至10mm。缺口开在加工面上。,缺口方向与布层平行,短切玻璃纤维增强塑料的试样型式和尺寸,试样宽度b为610mm。 缺口方向与试样压制方向相一致，缺口由加工而成。若缺口所在面与底面不平行，则加工缺口所在面，使其与底面相互平行。,短切玻璃纤维增强塑料缺口冲击试样,试验条件

15、,冲击速度：3.8m/s， 跨距：70mm。,3.3 冲击试验步骤,(1) 试验前，需对试样的外观进行检查，如有缺陷和不符合尺寸及制备要求的，应予作废。试样应在试验条件下至少放置24小时，或者在干燥器内至少放置24小时。 (2) 将合格试样编号，测量试样缺口处的宽度和厚度。试样尺寸小于或等于10 mm的，精确到0.02mm；大于10 mm的，精确到0.05mm。,(3) 选择合适能量的摆锤，使冲断试样所消耗的功落在满能量的1085%范围内。如果不能估算出冲断试样所消耗的功，那么就必须首先选择最大能量的摆锤，以避免摆臂受到损害。 (4) 用70mm的标准跨距样板调节支座的跨距。 (5) 根据冲击

16、试验机打击中心的位置和试样的尺寸，决定是否在支座上加垫片，垫片的尺寸应根据试验机的情况而定。 (6) 试验前，必须经一次空载冲击，调整试验机读数盘的指针使其指到零点。,(7) 将试样带缺口的一面背向摆锤，用试样定位板来安放试样，使缺口中心对准打击中心。 (8) 释放摆锤，记录冲断试样所消耗的功及破坏形式。 (9) 有明显内部缺陷或不在缺口处破坏的试样，应予作废。 (10) 结果处理。,3.3 冲击试验机的改进数字化冲击试验机,具有高速数据采集及数据处理系统 主要功能： 自动记录材料冲击断裂过程的载荷和变形瞬时值； 在计算机配合下，可以计算、显示和打印出动态屈服载荷、最大载荷以及相应的变形时间和

17、变形大小； 计算出真实的材料断裂能; 把总冲击功分解成裂纹形成功和扩展功,从而可得出韧性参数DI；,可显示和打印冲击试验结果及各种冲击曲线：载荷时间曲线 载荷变形曲线 变形时间曲线 能量时间曲线 能量变形曲线等 对材料断裂过程进行分析研究.,主要优点：,把冲击试验结果数字化； 给出定量结果； 把毫无物理意义的冲击功赋予新的内涵，可将其分解成具有物理意义的裂纹形成功和扩展功； 测出的特征参数（如屈服载荷及最大载荷），不仅可定量分析材质优劣，并且可作为设计的依据；,数字化冲击试验机的基本组成:,冲击负荷传感器 冲击负荷放大器 计算机数据采集处理系统 冲击机 打印机,数字化冲击试验机的工作原理:,被

18、冲击的试样受摆锤冲击的瞬间,通过高速负荷测量传感器产生冲击信号,经高速放大器放大后,由A/P快速转换成数字信号传送给计算机进行数据处理、存储、显示、绘制曲线和打印.,为了更好地描述某一材料的冲击行为，必须考虑其载荷时间和能量时间曲线，我们可以很方便地从这些曲线上得到一些特征参数。因此，不同的材料在相同的试验条件下所得到的数据就可以进行比较，避免了描述性的、非定性的术语。 下图所示的能量时间和载荷时间曲线上，可以选择下面一些特征参数：最大载荷F max；相应最大载荷的时间ti；时间t从0到ti所吸收的能量Ei； ti后所吸收的能量Ep；整个试验过程所吸收的能量Er=(Ei+ Ep)。,P（N） E（J） 能 F max 量 载 Ei 荷 时间 起始 扩展,上图中的载荷时间曲线可以被分为两个明显的区域：断裂起始区和断裂扩展区。 在断裂起始区，随着载荷的增加，弹性形变能聚集在试样上，这是与摆锤的冲击头部接触时获得的。在这个区域里，总的破坏并没有发生，但是破坏是在微观范围内进行的。在断裂起始阶段的最后，当达到临界载荷时，试样或以拉伸或以剪切的方式破坏，这取决于拉伸及层间剪切强度的相对值。,例子： 一种高强度的脆性材料：具有较高的起始能与较低的扩展能； 一种低强度的韧性材料：具有较低的起始能与较高的扩展能； 两者可能有相同的总的冲击能。 因此，仅仅