哪些因素会影响低温冲击测试？摆锤能量、冷冻温度还是......

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低温冲击测试是评价材料在低温环境状态下的韧脆性能。因为材料在不同工况环境温度下反应出来的力学状态属性不同，为了评估其在不同工况环境温度下的性能，尤其是低温环境下的冲击韧性，故此引入低温冲击测试。

通常，塑料材质的低温冲击性能采用悬臂梁或简支梁摆锤冲击测试来衡量。常用的测试方法是将规定尺寸的试样在试验温度下的冷冻箱进行调节，待调节完毕后迅速取出，将样条一端固定在悬臂梁或简支梁试样夹具上，然后释放具有一定能量的摆锤对试样施加冲击负荷，之后记录其吸收的能量并依据公式计算得出该材料的冲击强度。

低温冲击韧性是塑料材料重要的性能指标。而目前的研究主要集中在常温冲击强度测试，鲜少有学者对材料的低温冲击强度进行研究，如摆锤能量、试验跨距、缺口加工方式在低温时的测试影响是否与常温一致有待验证。故针对此，笔者选取聚丙烯（PP）和丙烯腈—丁二烯—苯乙烯（ABS）两种材料，分别探究摆锤能量、冷冻温度、缺口加工方式、试验跨距因素对低温冲击强度的影响，以期为正确评定塑料材质的低温韧脆性提供依据。

试验方案

为探究摆锤能量、冷冻温度、缺口加工方式对低温冲击的影响，设计不同因素对于悬臂梁冲击强度影响的试验方案。将冲击样条同保温介质一起放入MQ-80-TE低温冷冻箱内进行冷冻。冷冻后用保温介质存储冲击样条，在环境温度(23±2) ℃、(50±10) %相对湿度条件下，使用摆锤冲击试验仪按照ISO 180:2019标准进行悬臂梁冲击强度测试。测试过程每次10秒内完成冲击，计算其变异系数（标准偏差与平均值的比值）判定测试稳定性。

为探究试验跨距对低温冲击的影响，设计简支梁试验研究方案。将冲击样条同保温介质一起放入MQ-80-TE低温冷冻箱内进行冷冻。冷冻后用保温介质存储冲击样条，在环境温度(23±2) ℃、(50±10) %相对湿度条件下，使用摆锤冲击试验仪按照ISO 179-1:2010标准进行简支梁冲击强度测试。测试过程每次10秒内完成冲击，计算其变异系数（标准偏差与平均值的比值）判定测试稳定性。

结果与讨论

2.1 摆锤能量的影响

依据标准要求冲断试样吸收的能量应在摆锤标称能量10%至80%范围内。如果不止一个摆锤符合这些要求,应选择其中能量最大的摆锤。本实验室冲击试验仪悬臂梁摆锤配有3种能量的摆锤，分别是1J摆锤、2.75J摆锤和5.5J摆锤。针对此探究不同能量的摆锤对低温冲击测试结果的影响，测试结果见表1。摆锤能量对低温冲击强度的影响见图1。

表1不同摆锤能量时的低温冲击测试结果

图1 摆锤能量对低温冲击强度的影响

从图1可以看出，使用不同能量的摆锤，低温冲击强度差异并不明显。这是因为由磨擦和空气阻力影响而损失的能量，在更换摆锤空打时会进行修正，修正后再使用不同摆锤进行测试，其对测试结果影响较小。

2.2 冷冻温度的影响

塑料的低温冲击样条冷冻温度应在最低的设计温度下进行。常用的塑料低温冲击冷冻温度从-10℃至-40℃。为了验证冷冻温度对冲击结果的影响，将冲击样条分别在-10℃、-20℃、-30℃、-40℃温度下冷冻4h进行悬臂梁冲击测试。试样未冷冻时在标准试验环境里（23℃,50%RH）测试的数据也一同列出。测试结果见表2。冷冻温度对低温冲击强度和冲击强度变异系数的影响见图2和图3。

表2 不同冷冻温度下的低温冲击测试结果

图4 ABS低温冲击断口形貌

从图2可以看出，低温冲击强度随着冷冻温度的降低而下降。观察图2曲线斜率，在-10℃至-40℃区间，低温冲击强度下降的比较缓慢，降低速率明显减小。从图3可以看出，在不同温度下测试，变异系数均小于10%，其中未冷冻时的冲击变异系数较低，测试波动性较小。

用二次元影像测量仪对不同冷冻温度下的断口形貌进行观测, ABS材料断口形貌如图4所示。从断口形貌上看，未冷冻时的冲击样条断口处呈大面积韧性发白。随着冷冻温度的降低，聚合物分子链的活动性变差，断口处发白纤维区面积明显缩小，放射形结晶状区面积增大，材料由韧变脆，发白现象越不明显，冲击强度越低。PP材料断口形貌具有相同的特征。

在进行低温冲击测试时，应合理选择冷冻温度。不同冷冻温度之间测试结果不能相比较。

2.3 缺口加工方式的影响

标准试验方法中提到可以用机加工或注塑的方式制备缺口冲击样条。本试验考察缺口加工方式对悬臂梁低温冲击强度的影响。测试数据见表3。缺口加工方式对低温冲击强度的影响见图5。

表3 不同缺口加工方式的低温冲击测试结果

图5 缺口加工方式对低温冲击强度的影响

从图5可以看出，机铣缺口的低温冲击强度小于注塑缺口的测试结果。这是因为使用注塑方法一次性直接成型时，由于材料的收缩率不同，脱模后试样得到缺口的实际外形尺寸总要发生不同程度的改变，特别是缺口底部曲率半径变化较大，难以保证缺口各部分符合标准规定的要求，从而影响其冲击强度。

2.4 试验跨距的影响

悬臂梁冲击样条支撑成垂直悬臂梁，简支梁冲击样条支撑成水平梁，跨距是简支梁冲击非常重要的测试参数。针对此探究不同跨距对低温冲击性能测试的影响，测试数据见表4。试验跨距对低温冲击强度和冲击强度变异系数的影响见图6和图7。

表4不同试验跨距的低温冲击测试结果

常温时，PP半结晶聚合物冲击吸收功随着跨距的增加而下降。非结晶性塑料ABS冲击吸收功随着跨距的增加而增加。从图6可以看出，与常温不同，PP材料和ABS材料62mm跨距时的低温冲击强度均高于40mm跨距时的结果。这说明同一试样试验跨距越大，低温冲击强度结果越高。从图7可以看出，PP材料和ABS材料的低温冲击强度变异系数，随着跨距增大，变异系数增大。即同一试样试验跨距越大，低温冲击测试稳定性越差。

结论

本文针对低温摆锤冲击强度的影响，从测试环节的摆锤能量、冷冻温度、缺口加工方式、试验跨距4个方面展开研究，主要结论如下：

1）摆锤能量对低温冲击强度无明显影响。

2）冷冻温度对低温冲击强度影响显著。冷冻温度越低，冲击测试结果越低。在进行低温冲击测试时，应合理选择冷冻温度。不同冷冻温度之间测试结果不能相比较。

3）注塑缺口与机铣缺口低温冲击强度比较，机铣缺口测试结果小于注塑缺口测试结果。

4）针对PP和ABS材料，简支梁试验跨距越大，低温冲击强度结果越大。

来源：国高材分析测试中心

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首次发布时间：2025-03-06

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