高分子材料的冲击韧性

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1、第5章材料的冲击韧性主要内容：1.冲击强度与韧性的关系2.冲击强度的测试方法3.冲击强度的影响因素1.韧性与冲击强度外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得多，因此在设计承受冲击载荷的零件和工具时，不仅要满足强度、塑性、硬度等性能要求，还必须有足够的韧性。冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度（幅度和频率）静拉伸试验ε=10-5～10-2s-1冲击试验ε=102～104s-1一般情况下ε=10-4～10-2s-1，可按静载荷处理。韧性是指材料在破坏前吸收外加能量的能力。冲击强度是量度材料在高速冲击下的韧性大小和抗断裂能力的参数，是标准试样在冲击断裂时单位

2、面积上所消耗的能量，是一种广义的能量力，不是通常的断裂应力。材料抗冲击性能与其冲击过程所消耗的能量有关，所消耗的能量越大，韧性越好。高分子材料抗冲击强度是指标准试样受高速冲击作用断裂时，单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量。它描述了高分子材料在高速冲击作用下抵抗冲击破坏的能力和材料的抗冲击韧性，有重要工艺意义。但它不是材料基本常数，其量值与实验方法和实验条件有关。冲击强度的单位：J/m2悬臂梁式（Izod）简支梁式（Charpy）抗冲击强度的测定方法高速拉伸试验落锤式冲击试验摆锤式冲击试验2.冲击强度的测定方法最通用的是悬臂梁（Izod）冲击试验和简支梁（

3、Charpy）冲击试验（弯曲冲击）悬臂梁冲击和简支梁冲击法简单描述：都是用重锤冲击条状试样，所用仪器为摆锤冲击仪，不同之处是试样的规格和安装方法，悬臂梁冲击试验是将试样垂直放置，一端固定，重锤冲击另一自由端；简支梁冲击试验是将试样水平放置在支架上，试样不需要夹住，免受夹压振动影响，然后用重锤冲击。简支梁，横放简支梁测试时必须将摆锤对准缺口背面的中心位置悬臂梁测试时摆锤的冲击方向为有缺口的一面为了增加试验的精确性，大都需要在试样上引入一中心切口（U型或V型），在外力作用下，切口端部由于应力集中而首先开裂，然后裂缝扩展至断裂。切口的深度及其端部的曲率半径对测定结果都

4、有较大影响，应按试验标准规定执行。测试基本原理：把摆锤从垂直位置抬到扬角为a的位置，它便获得了一定的位能（Uh）.若任其自由落下，则位能转化为动能将试样冲断，冲断试样消耗的能量为Uf，冲断试验后，摆锤即以剩余能量升到（升角为β）某一高度，此时的位能为Uh′.按照能量守恒关系可写出：Uh＝Uf+Uh′+Ua+Um+Ui（5-1）式中，Ua是摆锤在a和β角段内克服空气阻力消耗的能量；Um是冲击时设备振动所吸收的能量；Ui是试样冲断后的飞出功，Ui＝0.5mv2若Ua、Um和Ui可忽略不计，则Uh＝Uf+Uh′（5-2）已知Uh＝wl(1-cosa),Uh′＝wl(1

5、-cosβ),则Uf＝wl(cosβ-cosa)（5-3）式中，w为冲击锤重量；l为冲击锤摆长求出Uf值，再除以试样在冲断处的截面积，即是材料的冲击强度存在的问题：摆锤式冲击试验原是用来评价金属材料延展性的，借用来测试高分子材料的冲击强度，存在不足。主要是冲击试验机的读数盘是按式（5-3）刻度的，从读数盘上所读出的的冲断试样所消耗的能量，不仅包括使试样产生裂纹和裂纹扩展消耗的能量以及使试样断裂产生永久变形的能量，而且还包括Ua、Um和Ui，而这部分能量与材料的韧性毫无关系，可有时竟占相当大的比例，尤其是飞出功，比如PMMA标准试样的飞出功有时可达冲断试样消耗能量

6、的50％左右。所以冲击强度不是材料的基本性能参数，而是特定试验条件下的一个相对的韧性指标。只有在标准试样相同，又是在相同试样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，才能用以判断高分子材料的脆－韧转变。静拉伸试验下得到断裂韧性与冲击韧性的不同拉伸断裂实验中，材料拉伸应力-应变曲线下的面积（下图）相当于试样拉伸断裂所消耗的能量，也表征材料韧性的大小。很显然，断裂强度高和断裂伸长率大的材料韧性也好。但这个能量与抗冲击强度不同。不同在于，两种实验的应变速率不同，拉伸实验速率慢而冲击速率极快；拉伸曲线求得的能量为断裂时材料单位体积所吸收的能量，而冲击实验只

7、关心断裂区表面吸收的能量。落重冲击法为了克服飞出功的影响，可采用落重冲击法测试材料的冲击强度。该方法的特点是把一个撞锤从已知高度自由落下，测出标准试样刚好形成裂纹而不把试样完全打断时的能量。由于加速度计固定在撞锤上，可记录加速度随时间的变化，冲击时撞锤的速度是v0=(2gh0)1/2,原来的位能U0=mgh0已转变成动能，因此可以计算出撞锤的速度、位移、吸收的能量和作用力随时间的变化，冲击时间一般为0.5～50ms，冲击完成时由试样消耗的能量可计算冲击强度。落重冲击法由于装置比较复杂，只适用于片材和薄膜类材料。高速拉伸冲击法摆锤式冲击是横向冲击试验弯曲破坏，需要

8、考虑切口敏感性、飞出功和