戴婷
【摘 要】分析比较了仪器化多轴冲击标准ISO 6603-2和简支梁冲击标准ISO 179-2的异同,着重讨论了这些标准在测试技术上的不同要求,探讨了试验机性能对试验结果的影响,并提出了对试验机测控系统软硬件设计的技术要求.提出实验人员要了解不同类型冲击试验标准的差异,在实际测试过程中根据具体测试目的选择合适的试验方法;测试数据的精确度、曲线的质量保障和测试标准有关,还和试验机的性能有关,要求实验人员熟知试验机的核心技术参数,同时了解所选测试标准对试验机的要求,选择满足测试需求的试验机. 【期刊名称】《广州化学》 【年(卷),期】2015(040)001 【总页数】6页(P13-18)
【关键词】多轴冲击;简支梁冲击;测试标准;试验机;测控系统 【作 者】戴婷
【作者单位】上海金发科技发展有限公司,上海201714 【正文语种】中 文 【中图分类】TQ317.3
冲击性能是塑料测试中一项非常重要的力学指标，它是指某一标准样品在每秒数米的高速变形下，在极短的负载时间下表现出的破坏强度或者材料对高速冲击断裂的抵抗能力。冲击性能可用多种方法进行测定，常见的方法有多轴冲击、简支梁和悬
臂梁、高速拉伸冲击实验。仪器化冲击除了能给出冲击的总能量以外，还能记录冲击过程中的力―时间曲线和力―挠度曲线，它把冲断试样受力和变形的全过程记录下来，可以定量地测出冲击力、变形量和冲击功等反映材料冲击性能的指标[1]。 测定冲击性能的方法多种多样，涉及的相关测试标准数量也较多。本文主要探讨仪器化多轴冲击标准ISO 6603-2和仪器化简支梁冲击标准ISO 179-2的异同，着重讨论了这些标准在测试技术上的不同要求，探讨了试验机性能对试验结果的影响，并提出试验机控制系统软硬件设计的技术要求。
仪器化简支梁冲击试验方法是通过安装在冲击刀刃上的力值传感器来测量试样冲击过程中受到的弯曲载荷，获得诸如最大力Fm、断裂破坏力Fb等载荷方面的信息。同时，试样的挠度由断裂时间计算得出，获得诸如最大力时的挠度Sm、断裂力时的挠度Sb等挠度方面的信息。再由数据处理系统将这两组测量值通过力―挠度曲线反应出来，通过测出力―挠度曲线所包围的面积来得出冲击能量。尤为重要的是，该方法还可以将力―挠度曲线分成不同的特征部分，即把冲击能量分解成裂纹产生能和裂纹扩展能量，使冲击能量变成具有明确物理意义的性能参数[2]。
仪器化多轴冲击试验方法工作原理与简支梁冲击相似。两种标准区别在于简支梁冲击是对试样的长度方向进行水平冲击，裂纹发生的方向是平行于冲击方向；而多轴冲击是垂直冲击试样的正面，裂纹发生的方向是多方向的。
根据冲击性能测试的目的，除了科学研究外，对生产厂家确定最佳生产工艺也具有重要的价值，而最大载荷、最大载荷下的挠度、最大载荷下吸收能量、破坏能量则是数据分析时的重要依据。 2.1 两种标准最大载荷的比较
ISO 6603-2[3-4]和ISO 179-2[5-6]中对最大载荷的定义是一致的，载荷―挠度曲线中的最高点即最大载荷，最大载荷反映了材料在指定测试条件下能够承受的最大力值，这点预示着材料开始有裂纹萌生。在进行仪器化冲击数据处理时，以最大载
荷作为临界点将力―挠度曲线分为断裂起始区及断裂扩展区。当到达临界载荷时，断裂扩展以突然断裂或在较低载荷下吸收能量的方式结束[7]。
样品、设备的共振以及试验过程中的噪音会使得最大载荷变得不确定性，如图1、图2所示，但生成的最大载荷时的能量或破坏时的能量几乎没有不确定的。 2.2 两种标准最大载荷下的挠度
ISO 6603-2和ISO 179-2中最大载荷下的挠度的定义是一致的，即最大载荷下材料产生的形变。最大载荷下的挠度包括弹性变形和塑性变形，实验开始到屈服段是弹性变形阶段；屈服到最大载荷段是塑性变形阶段。定量反映出冲击过程中材料形变强化能力。
2.3 两种标准最大载荷下吸收的能量
最大载荷下吸收的能量定义为载荷―挠度曲线下的面积，即载荷对挠度的积分，是裂纹萌生材料吸收的能量。
对于有屈服的材料，最大载荷下吸收的能量分为两部分，冲击开始至屈服力出现是消耗于弹性变形的能量，然后是消耗于塑性变形的能量；对于没有屈服的材料，这一过程中没有塑性变形，只有弹性变形至最大力吸收的能量。 2.4 两种标准破坏能量
在ISO 6603-2中，刺穿能量Ep即破坏能量。Ep的定义为载荷对刺穿挠度lp的积分，刺穿挠度是载荷降至1/2最大载荷时产生的挠度。测试过程中随着裂纹的萌生、扩展，试验冲击头最终会刺穿整个样品，刺穿过程中冲击头与样品之间会产生摩擦，从而产生部分摩擦能量。ISO 6603-2中规定这部分摩擦能量不应包含在刺穿能量Ep中，因此才会对刺穿挠度有限制。
在ISO 179-2中破坏能量定义为直到达到破坏时的挠度时所吸收的冲击能量，破坏时的挠度是载荷降至最大载荷的5%或更低时的挠度。简支梁冲击对破坏的定义与静态拉伸一样，即当载荷降到某一值时就认为材料已经破坏，这有别于多轴冲击。
多轴冲击的冲击头是直径为20或10 mm的半球形，如图3所示，冲击头在刺穿试样的过程中会撕扯样品，受力面积为直径为20或10 mm的圆的面积，根据面积公式pr2，即为1256或314 mm2。而简支梁冲击的冲击头是厚度为约5 mm刀片，如图4所示，冲击过程中的受力面积为试样的横截面积，一般简支梁试样的尺寸为：80 mm×10 mm×4 mm（无缺口），80 mm×8 mm×4 mm（缺口），对应的横截面积为40 mm，32 mm。多轴冲击的受力面积远远高于简支梁冲击，因此多轴冲击的冲击头与试样间的摩擦远远大于简支梁冲击。所以简支梁冲击对破坏时的挠度没有做过多限制。 3.1 两种标准破坏形式的区别
ISO 6603-2中材料的破坏形式分为YD、YS、YU和NY四种，如图5～图8所示。YD即塑性流动（最大力值零斜率变化一段时间）然后深拉开裂，YS即塑性流动（最大力值零斜率变化一段时间）然后裂纹稳定扩展，YU即塑性流动（最大力值零斜率变化一段时间）然后裂纹不稳定扩展，NY即没有塑性流动。
ISO 179-2中材料的破坏形式分为N、P、t、b和s五种，如图9所示。N代表不破坏，即屈服后发生塑性形变直至挠度极限；P代表部分破坏，即屈服后稳定开裂，在挠度极限处保留一个大于5%最大力的值；t代表韧性破坏，即屈服后稳定开裂，在挠度极限处保留一个小于或等于5%最大力的值；b代表脆性破坏，即屈服后不稳定的开裂；s代表裂片式破坏，即不稳定的开裂后再屈服。破坏形式t、b和s从测试完的样品上看没有差异，但曲线上却存在较大差异。
对比两种标准破坏形式，多轴冲击材料的破坏形式依据的原则是样品为主、曲线为辅，简支梁冲击则是依据曲线为主。 3.2 两种标准试验能量的区别
不管是多轴冲击还是简支梁冲击，要求试验能量要高于材料实际吸收的能量，因为塑料材料在冲击过程中具有粘弹性，会导致结果不能够对比，因此ISO 6603-2中
对速度衰减要求不超过20%，ISO 179-2中对速度衰减要求不超过10%。试验能量的单位为J，按式（1）计算。
式中，m为落锤配重（kg），g为重力加速度（g/m3），h为试验高度（m），v为试验速度（m/s）。ISO 6603-2对落锤重量的要求：
式中，m为落锤配重（kg），E*为刺穿能量Ep（J），v0为测试速度（m/s）。 ISO 179-2中对锤体重量的要求：
式中，m为落锤配重（kg），W*为测得的最大能量值（J），v0为测试速度（m/s）。
不难发现两标准对试验能量的要求产生了差异，对ISO 6603-2中m≥6E*/v02进行推导即得出试验能量至少是刺穿能量Ep的3倍。对ISO 179-2中m≥10W*/v02进行推导即得出试验能量至少是W*的5倍。 3.3 两种标准试验速度的区别
ISO 6603-2中推荐使用4.4 m/s。对于脆性材料，推荐使用1 m/s的测试速度，因为脆性材料测量系统的共振及噪音比韧性材料的明显，使用1 m/s的速度可以减少共振及噪音，从而提高载荷―挠度曲线质量。
ISO 179-2中推荐使用2.9 m/s。对于特殊应用，例如测试预裂试样的断裂性能时，需要用更小的冲击速度，比如1±0.05 m/s，以减少共振及惯性峰。
影响多轴冲击和简支梁冲击试验结果的因素除了样品本身以及温度、速度和试验能量外，试验机的性能也是很关键的因素，这包括冲击头、支座和测控系统。 4.1 两种标准冲击头的区别
ISO 6603-2中对冲击头直径的要求是（20.0±0.2）mm，（10±0.1）mm；ISO 179-2中对摆锤冲击刀刃要求是30º±1º刃角的淬火钢，并应倒成半径R1等于2 ±0.5 mm的倒圆。
为减少测试过程中冲击头与样品间的摩擦，ISO 6603-2中要求试验前需要对冲击
头进行润滑，润滑与否对测试结果会有影响，如图10所示；但是ISO 179-2中对冲击头润滑与否没有提出要求。为避免冲击头发生变形，ISO 6603-2和ISO 179-2中都要求制备冲击头的材料必须要耐磨耗，强度大。 4.2 两种标准支座的要求
ISO 6603-2和ISO 179-2中同时要求，当需要使用锤体的动能计算挠度时，MF/MC即机座的质量与锤体的质量比至少为10，这样可以防止机座在测试后期被加速到大于1%的冲击速度。 4.3 两种标准测控系统的区别 4.3.1 力值测量系统
力值测量单元必须能够测量和指示测试过程中的载荷，并使其精度达到±1%以内或更高。不管是多轴冲击还是简支梁冲击测试时间很短，时间单位为ms，使得力值传感器除了传统的精度要求外，还对固有频率和传感器位置有要求，ISO 6603-2和ISO 179-2中要求固有频率应该大于等于6 KHz，力值传感器的位置要求尽可能靠近冲击头，这样可以使得质量惯性最小化。 4.3.2 测控软件
多轴冲击和简支梁冲击较一般测试不同，实验过程比较短暂，测控软件必须能够实现冲击过程中数据的采集、输出、处理分析。测控软件中采集卡和数据采集软件至关重要，采集卡将电压信号转换至数字信号，传输至电脑，要求采集卡的采样频率最少为100 KHz，高的采样频率会得到更好的时间分辨率，这可能有助于评估脆性材料的冲击测试，因为脆性材料的破坏时间很短。
虽然ISO 6603-2和ISO 179-2两标准对应不同类型的冲击，但两者间存在很多异同之处。这就启发实验者试验中要发散思维，例如冲击，要了解不同类型冲击试验间标准的差异。在实际测试过程中根据具体测试目的选择合适的试验方法。测试数据的精确度、曲线的质量保障除了与测试标准有关外，还取决于试验机的性能，
要求实验者熟知试验机的核心技术参数，同时需要了解所选测试标准对试验机的要求，选择满足测试需求的试验机。
【相关文献】
[1]王超先, 杨力.仪器化冲击试验方法与应用简介[R].第四届全国高聚物分子表征学术讨论会.杭州: 2004.
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[3]塑料.硬塑料复合轴向冲击性能的测定 第1部分: 非仪器性冲击试验.ISO 6603-1:2000[S].瑞士: 国际标准委员会, 2000.
[4]塑料.硬塑料复合轴向冲击性能的测定 第2部分: 仪器性冲击试验.ISO 6603-2:2000[S].瑞士: 国际标准委员会, 2000.
[5]塑料.简支梁冲击性能的测定 第1部分: 非仪器化冲击试验.ISO 179-1:2010[S].瑞士: 国际标准委员会, 2010.
[6]塑料.简支梁冲击性能的测定 第1部分: 非仪器化冲击试验.ISO 179-2:1997[S].瑞士: 国际标准委员会, 1997.
[7]韩艳春, 杨宇明, 李滨耀.仪器化冲击仪在理论研究中的作用Ⅰ仪器简介及数据处理[J].塑料工业, 1994(5): 48.
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