技术研究｜多轴冲击不同测试方法下测试结果的比较

多轴冲击测试是测试材料的抗冲击性能。主要针对塑料等高分子材料的性能试验，用于模拟汽车、火车等运输工具的碰撞情况，检验车用外饰和内饰材料在碰撞过程所产生的破坏情况和受力行为，避免在实际碰撞中有碎片飞溅造成误伤，保障人的生命安全。多轴冲击的原理是撞锤在样件表面中心垂直打眼，以某一速度进行自由落体运动。

目前各类标准促使其所在国的内部形成统一标准， 提高效率。但是由于测试样条尺寸及测试条件上的细微差异，导致不同测试方法下所测得数据不能直接进行比较，造成财力、物力、 时间等方面的极大浪费。大家对需要统一的标准形成了共识，从而使 ASTM 和 ISO 成为目前世界上最为通用的测试方法。由于这两种测试方法在测试样条尺寸、测试条件上同样存在细微差异，因此导致了相互之间的数据难以通用、 最终测试结果难以比较。

现行的多轴冲击标准有 ISO 6603- 1、ISO 6603-2、ASTM D3763、TSM5608G 等。 本文主要比较 ISO 6603-2 和 ASTM D3763 中有关多轴冲击测试方法的差异，得出两标准测出的数据间的关联性。多轴冲击测试的主要试验参数有冲击速度、 落锤配重、高度、 试验能量、冲击头内径、夹具内径。在样式及能量不变的情况下，分别在两种落锤配重和冲击速度组合下进行试验， 从而比较 ISO 6603-2 与 ASTM D3763 之间挠度、载荷及能量的相关联性。

1.1    ISO 6603-2 和 ASTM D3763 标准技术要求

ISO 6603-2标准中冲击头的内径为 20 mm，夹具内径为 40 mm，样品要求为 (60 mm × 60 mm×2 mm)的方板或者半径为 60 mm 的圆板。

ASTM D3763中冲击头的内径为 12.7 mm，夹具内径为76 mm，样品要求：长度≥89 mm， 内部应用厚度范围为2.5±0.2 mm，其他应用厚度范围为 3.2±0.2 mm。

1.2    材料

选用高抗冲击 ABS，橡胶含量为 30%；材料为(100 mm×100 mm×3.2 mm)的方板， 在 23℃、50% RH 条件下调节24h。

1.3    实验设备

Instron 9250 HV 多轴冲击试验机；设备最大落锤配重为 45.6kg，最大冲击速度为 20 m/s， 测试温度范围为－50~150℃。

1.4    实验方案

用 ISO 6603-2 和 ASTM D3763 标准分别进行条件1和条件2 实验，每个条件下测试 10 片样板。比较不同测试条件下挠度、载荷及能量间的相关联性。

1.5    计算

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)。

2.1 ASTM D3763 标准不同冲击速度条件下挠度、载荷及能量的变化

采用 ASTM D3763 标准，在相同能量 135 J 下，分别用 3.5 m/s、6.7 m/s 的冲击速度进行试验。得到不同冲击速度下 ABS 各个时刻的挠度、载荷、能量的时程曲线，分别绘制出各个参数的时间历程图。如图 1 所示。 

图 1    ASTM D3763 标准不同冲击速度条件下挠度、载荷及能量的时程曲线

图 1c 显示了两种不同冲击速度下各个时刻材料能量的变化，材料完全断裂前能量随着冲击时间的增加而增大。由图 1b可知，载荷在撞击点之后开始衰减，直至变为0；试样完全断裂后载荷变为0，同时能量也会随之衰减。当冲击速度较小时，撞击点的能量、 断裂能量和总能量会因挠度的增大而增大。

2.2    ISO 6603-2 标准不同冲击速度条件下挠度、载荷及能量的变化

采用 ISO 6603-2 标准，在相同能量 135 J 下，分别用 3.5 m/s 、6.7 m/s 的冲击速度进行试验，得到不同冲击速度下 ABS 各个时刻的挠度、载荷、能量的时程曲线，分别绘制出各个 参数的时间历程图。如图2所示。

图 2    ISO 6603-2 标准不同冲击速度条件下挠度、载荷及能量的时程曲线

由表 2、图 2 可知，采用 ISO 6603-2 标准进行实验，在相同能量 135 J 下，分别以 3.5 m/s、 6.7 m/s 的冲击速度进行试验， 得到不同冲击速度下 ABS 各个时刻的挠度、载荷、能量时程 曲线，规律与 ASTM D3763 方法一致。

2.3    同一冲击速度条件下挠度、载荷及吸收能量的变化

在相同能量 135J下，分别采用 ASTM D3763 和 ISO 6603-2 标准以 6.7 m/s 的冲击速度 进行冲击试验， 得到同一冲击速度不同标准下 ABS 各个时刻的挠度、载荷、能量时程曲线， 分别绘制出了各个参数典型的时间历程 。如图 3 所示。

图 3    ASTM D3763 、ISO 6603-2 标准不同冲击速度条件下挠度、载荷及能量的时程曲线

 表 4    相同冲击速度下挠度、载荷及能量值

由于 ASTM D3763 冲击头的内径为 12.7 mm，ISO 6603-2 方法冲击头的内径为 20 mm。相同冲击速度下，冲击头内径越小，撞击点越容易产生裂纹即塑性变形，塑性变形消耗能量 越低，因而撞击点的挠度会因冲击头内径的减小而增大，能量会减小。但由于材料是韧性破坏，在撞击点后材料发生稳定缓慢裂纹扩展直至最终破坏，冲击头内径越大，材料断裂时能量和总能量越大。

在不同冲击速度条件下分别采用 ASTM D3763 标准和 ISO 6603-2 标准测出的挠度、载荷及能量的变化规律一致，即挠度随冲击速度的增大而减小；当冲击速度小时，撞击接触力最大值的发生时间因为挠度的增大而延迟；撞击接触力的最大值随撞击速度的增大而增大；当冲击速度较小时，撞击点的能量、 断裂能量和总能量会因挠度的增大而增大。

在相同冲击速度条件下，采用 ASTM D3763 标准测出的撞击点挠度比 ISO 6603-2 标准 测出值大， 而屈服挠度、断裂挠度、 总挠度比 ISO 6603-2 标准测出值小；采用 ISO 6603-2 标准测出的撞击接触力的最大值、撞击点能量、 断裂能量和总能量比 ASTM  D3763 标准测出值大。