冲击试验仪器的进展

时间：2010-06-21 08:59:26 来源：中国塑料改性技术资讯网作者：

冲击试验是一个复杂且有争议的题目，而且仍在变化之中。这些因素增加了为加工商的试验挑选合适冲击试验仪器的难度。设计规划试验室时，冲击试验机与塑料配混机、挤出机及模塑设备一样，是首选装置之一。过去，只需在传统的落锤式和摆锤式冲击试验机中选用一种即可，这应该很容易。具体选用哪种机型由原材料、最终用途以及用户对试验数据类型的偏好决定。
    传统试验机具有操作简单、价格便宜、以及已有长期使用历史等优点，因而一直受到广大用户的喜爱。尤其是用于带缺口—伊佐德冲击试验的摆锤试验机，在美国这是最常被选用的试验。但是传统试验方式已经开始受到了挑战。由于低精度及可重复性差的原因，一些原材料供应商的研究人员已经对这些简单的试验提出了异议。新型仪器改进了一部分这类缺陷。而且出现了放弃伊佐德冲击报告(ASTM D256试验协议中的一项)，转向使用卡比试验 (ISO 179)的现象。在欧洲，主要使用的也是另一种摆锤试验方法。推动这一改变的主要力量来自汽车工业，这也是其全球标准化成果的一部分。而且，许多原料供应商、配混厂商以及添加剂母料供应商转向采用仪器化冲击试验，这类试验所用的装置配有加载传感器，它能提供更多的材料对冲击载荷反应的详细数据。
    “真实”试验的趋势使问题更加复杂。Instron公司的产品经理Frank Lio说∶“汽车缓冲器材料的试验不同于已成型的汽车缓冲器的试验。”
    目前，通过仪器化和“真实”冲击试验得到的成熟数据，主要在原料供应商及配混厂商内部使用。加工商及其客户要求的原材料规格数据，仍然以传统的伊佐德及镖冲击试验数据为主。事实上，一些资料表明，越来越多的塑料加工商更愿意自行进行冲击试验，以确保其产品性能保持一致，而不仅仅依赖于原材料供应商所提供的数据。
    匹兹堡Nova化学制品公司的苯乙烯类塑料专家Bob Elston指出∶“在其产品的工作环境极其恶劣并在结构方面有特定要求的厂家，你都能看到相应的冲击试验”。他列举了煤气管，PVC档板，汽车配件，运动头盔，滑雪靴，医疗设备以及玩具等制品厂。
    在过去十年里，传统试验装置的设计也有了改进。比如在摆锤试验机中，原来的刻度盘已逐步向数字读出器转变，很多试验项目已经自动化。但是大多数在用系统仍然没有改进。很多革新把机械式落锤和摆锤试验机合二为一了。但是，除了少数每天要做数百个试验的试验室外，能够自动给试样加载的全自动系统还很少。
    什么是冲击试验？Tinius Olsen试验设备公司的市场部经理Harry Yohn解释说，冲击试验就是给试样高速加载，然后测量试件的变化。试件的破坏分两步∶首先，冲击能量使试件产生裂纹，其后，试件承受更大的冲击力使裂纹扩大并损坏。塑料冲击试验机的两种基础类型中，摆锤冲击试验机用于伊佐德(Izod)和卡毕(Charpy)试验，拉伸冲击测量被试样吸收而造成其损坏的能量。另一类型是落锤试验-加德纳(Gardner)落锤适用于钢性材料，尖头落锤适用于薄膜。这些都是典型的合格/不合格类型试验，它们给出50%的时间内破坏试件的平均冲击能量。
    传统试验足以胜任控制质量的目的，但它们不能提供破坏机理或使成品发生破坏的原因。而且，传统冲击试验仅能测量使试件产生破裂所需的能量，仪器化冲击试验提供高速应力/应变数据生成的曲线，通过它们可以区分韧性、脆性破坏，还可以区分造成裂纹起始的能量和传递的能量。后者能给出许多表达试件韧性细微区别的图形，Yohn解释说。除了传统冲击实验的局限性外，还有其它因素促使冲击试验向仪器化冲击发展。其中一个关键问题，是越来越多的产品涉及到可靠性，如医疗，汽车配件、玩具，管材等领域。
    Instron公司的Lio所引用的案例中，一家生产塑料梯子的公司，在对其产品进行从韧性到脆性破坏的试验时，认识到了其困难性 — 因为在一定温度下，其材料的弹性不足以恢复原形。该公司为一个城市的下水系统提供梯子。开始，这些梯子一直处于良好工作状态，但在冬季里，当把这些塑料梯子砸入底座时，它们开始碎裂。结果，工人从梯子上摔了下来，因为梯子的横档已撑不住工人的重量。该公司已做了拉力试验，但没有在实际工作温度下做冲击试验。这是一次昂贵的教训∶该城市提出诉讼，并赢得了官司，法院判定该制造商支付赔偿金，并更换所有梯子。
    Yohn指出，除温度外，冲击结果还受下列诸多因素的影响∶1.工作环境的潮度、湿度。2. 冲击速率或应变率。3. 锤头或摇锤的总动量。4. 试样和冲击锤的几何形状与尺寸，以及冲击角度和方向等。5. 试件的成型方法(模压、挤出或捏制)。6. 试件上缺口的加工方法。7. 试件在试验机上的固定方式。大约20%的摆锤冲击试验需要低温试件。多数情况下，试件要被冷冻到规定的温度，然后尽快在摆锤试验机上(室温下)进行试验。然而在室温下，试样放置在夹具上的短时间里，其温度也会升高，并对结果有轻微的改变。由于这个原因，汽车公司(每家都有自己的冲击实验规范)愿意使用经过冷处理后的试样。因而很多试验室配有“冷冻箱”，它能把伊佐德或卡毕试验的夹具封闭起来。
    另有几个因素增加了用户对伊佐德和卡毕试验的不满，特别是原料供应商。美国Ceast的地区销售代表Gerard Nelson指出，不足之处包括缺口的加工不准确或不正确，以及对韧性破坏和脆性破坏需做主观判断等。ISO和ASTM标准对试件的尺寸，冲击速率，以及锤击能量要求的差异使问题变得更加复杂。目前在用的大多数冲击试验装置是非仪器化的。最大的原因是历史造成的。行业拥有大量非仪器化的缺口伊佐德试验数据。最常用的冲击试验标准不需要仪器化冲击。另外，仪器化试验系统的成本很高，而且还需要另外的专业技术。
    什么时候用什么样的试验冲击试验机的选择主要取决于其用途— 研究开发、质量控制、物料特性、监控购入原料或是产品设计等。大多数情况下，客户会提出他们的需求。比如汽车用品，可以引用ASTM，ISO或SAE标准中的试验方法，也可以使用厂商自己的特定标准。Instron公司的Lio介绍说∶“一个通用汽车的销售商当然希望使用通用汽车的冲击试验标准，该标准同ISO及ASTM标准有不同之处”。
    ASTM、ISO或其它的试验标准都清楚地标明了其适用的塑料。比如，薄膜试验要符合ASTM D1709标准，而用于汽车配件的聚碳酸酯的试验，符合ASTM D3763或ISO6603-2中的一种标准即可。另外，有一个领域，由于没有行业规范，还完全没有试验标准。此时可以对成型制品或成型组件(例如塑料煤气储罐)进行试验。这种情况下需要熟悉成品的使用环境。例如，餐饮用塑料盘碟的生产厂商，其试验除了要低于室温外，还需模拟冷冻储存时的情况。对没有特殊试验要求的成品质量控制试验，制造厂家可以选用普通的摆锤式冲击试验机或落锤式冲击试验机。一般而言，由于使用不带缺口的试样，落锤冲击试验要相对容易一些。来自Tinius Olsen的Yohn说∶“落锤试验，比如加德纳冲击，可用于塑料薄膜、乙烯类挡板等塑料板材。对牙刷试验，可能要用摆锤式试验机。但是在一系列的试验基础上，装夹方法的安全性已经得到了改进。Nova的Elston，是ASTM静态性能部的主席，注意到，工厂并不愿意把日用聚合物的试验，从ASTM标准的缺口伊佐德试验转换为ISO标准的卡毕试验。而对工程塑料及特种塑料，确实有向卡毕冲击试验转变的趋势。他说∶“目前，汽车行业以ISO/CAMPUS标准为主”。
    统一标准的计算辅助预选协会(CAMPUS)提出，一个全球原料供应商联盟指定使用ISO标准。Stephen Sinker，Ticona公司的发展合作伙伴，在新泽西的高层会议上指出，应大量客户的要求，他们公司已舍弃伊佐德试验法，转而采用卡毕试验法。另一方面，Greg Jarrell，巴拿马LNP公司的技术助理，则表示他们公司并没有收到多少改换试验方法的要求。总之，Ticona的Sinker预测，作为摆锤冲击试验的替代者，落锤冲击试验会得到广泛应用。他指出，落锤冲击试验机通常用于像聚烯烃这样具有韧性的材料。根据Sinker的说法，摆锤冲击试验机适用于脆性断裂的材料，比如很多用来替代金属的热塑性工程塑料。LNP的Jarrell赞同由材料来确定所用的冲击试验方法 — 但这并不是唯一的因素。LNP用其有高冲击的机械落锤冲击试验机，来完成玻璃增强聚合物 — 如Verton牌长玻璃尼龙66用PP材料的试验。另一方面，他们公司在对40种不同的PP材料做伊佐德试验以控制产品质量时，则大量使用非仪器化摆锤式冲击试验机。
    为什么用仪器化冲击？仪器化冲击试验的应用范围愈来愈广，特别是在混合过程的研究开发以及任何需要检测材料断裂细节时。Tinius Olsen公司的Yohn指出，汽车工业对仪器化冲击试验的新关注，是因为他们要建立完善的塑料冲击数据，而仪器化冲击能更好地模拟真实情况。落锤冲击试验机和摆锤冲击试验机都可以实现仪器化冲击，如Instron and Ceast出产的落锤冲击试验机，Tinius Olsen 和 Atlas生产的摆锤冲击试验机。
   很多仪器化落锤试验机兼有伊佐德和卡毕试验的功能，不同试验只需调换冲击锤及夹具。然而，Ceast公司的Nelson指出，即便带有这些固定装置，这种落锤冲击试验仍然不能完全符合ASTM 标准的伊佐德试验或ISO标准的卡毕试验。而且，一个ASTM研究组织最近提供的证据表明，用这种试验方法得到的某些原材料的数据，与传统摆锤式冲击试验所得到的数据有一些出入。
   使用仪器化冲击时，在锤头端部或摆锤上安放了一个测力元件。实施冲击时，力-时间数据由一个快速数据记录系统记录、储存。这些数据能生成一组曲线，用以表示力、能量、速度、变形等随时间的变化。分析这些曲线，就可以得出产生裂纹，并使之扩大到完全破坏所需的力、能量及变形等等；分析曲线，还可以得到材料对冲击的敏感度，以及材料从韧性破坏转变为脆性破坏的温度。仪器化冲击式落锤试验适用于薄膜、饰板、管件、以及像安全头盔这样的成品。仪器化冲击摆锤试验(Izod 方法和 Charpy方法)适用于标准试样，以及从注射成型制品或模压成型制品上切下来的试样。一些落锤试验机在机架上设有一个工作台，用它装夹完整的大型零件或机件。Nova公司的Elston说∶“我不认为有什么必要对日用聚合物做仪器化冲击试验。对于CD盒这样的产品，做基本的落锤或伊佐德冲击试验就足够了。但是，对刚性建筑产品，仪器化冲击试验是最理想的。”当然，情况也会改变的。在仪器化冲击试验机上配备压电式传感器后，大大改进了其灵敏度。这使仪器化冲击试验机也能适用于很轻的薄膜，海绵，以及多数用于包装的材料。
   摆锤试验机的选择，现在市场上最常见的冲击试验机是摆锤式的。多数试验机配有不同的附件(锤头和试样夹具)，从而可以完成伊佐德试验，卡毕试验，以及拉伸 — 冲击试验。伊佐德验和卡毕试验有很多相似之处。两种试验使用的试样都可以由模压得到，或从一个大“八字”形拉伸试样上切出来。伊佐德试验用的试样尺寸是2.5x0.5 in，而卡毕试验用的试样尺寸是5x0.5 in。两种试验用试样的厚度均取决于被测材料的规格(在Izod试验中，最常用的厚度是1/8 in).试验前，要给试样切口，并把试样调整到所要求的温度和湿度。每组试验最少要有10个试样，试验结果取其平均值。伊佐德试验的单位是lt-lb/in，卡毕试验的单位是joule/m2。
    摆锤冲击机由一台机架、一个单臂或“扇形”摆，一个敲击棒(或称锤头)组成，这些组件的几何形状必须符合试验标准。质量和冲击高度决定了锤头的潜能。每台摆锤试验机都备有附加重物，并为伊佐德试验提供一台装夹试样的老虎钳，为卡毕试验配备铁砧。塑料试验机中一个较新的设计是扇形摆锤，它由Instron 和Tinius Olsen 公司提供。ASTM(美国材料试验协会)的试验项目中，对扇形摆锤的使用量已接近传统摆锤。传统摆锤由一个把质量集中在端部的细长摆杆组成。扇形摆锤类似于一个薄饼式楔，由轴承座固定在顶部，打击凸缘集中在底部中间，呈圆形。由于这个扁平金属楔处于冲击摆动平面内，它的冲击方向非常准确。这减少了机械摆动，也就是提高了试验的精确性。
    不带电子仪器的最基本的摆锤试验机售价在5000美元左右。这样的机器只用一个指针标示出撞击试样后摆锤摆动的最大值。指针在摆锤的带动下移动，并停留在弧形的最高点。在带动指针移动时，为克服磨擦力，摆锤的能量有微量损失。改良后的试验机售价在10000-14000美金之间。这样的装置在支点上安装了编码器，用电子方式精确记录摆臂的移动量。微处理自动控制器自动控制摆锤的下落，并自动收集数据。
    对于多数冲击试验—Izod缺口试验和Charpy缺口试验，需要特定的切口装置，这些设备可以从试验设备厂单独购买。切口机在试样上切去一个V形缺口。缺口的大小及形状由试验标准确定。缺口的目的是模拟零件局部损坏时的应力集中，并使试样在承受冲击时比较容易生成初始裂纹。
    试验前，伊佐德试验需要用老虎钳固定试样，卡毕试验的试样放在一个没有夹钳的铁砧上即可。Izod试验的缺点是固定试样的夹紧力会改变并增加试样的有效应力。他们会导致试验结果的不确定性，并降低总能量的读数。工业上用可重复的夹紧力来获得基本一致的Izod试验结果。现在，多数厂商会提供Izod试验专用的虎钳，这种虎钳带有一个可以设定最大夹紧力的整体加载元件。
    一些行内人士认为产生摆锤冲击试验误差的主要原因是试样缺口的不正确或不一致。缺口的几何形状决定了应力集中的程度，对缺口敏感性高的材料尤其如此。Instron公司的Lio指出，“有些切口机使缺口周围的温度升高，这会改变试样的性能。”可用特定的切口机或标准的切削机加工缺口。正确的缺口需要正确的切割工具以及适当的技术。Tinius Olsen公司的Yohn也指出，即使是相同的切割工具，在切不同的材料时也会得到不同的缺口。
    行内持不同观点的人还提出，带缺口试样的试验，测量的仅是使裂纹扩张的能量，而不是产生初始裂纹的能量，因而它不能真实反应试样的抗冲击能力。当然，摆锤试验机也适用于不带缺口的Izod和Charpy 试验。虽然没有得到广泛应用，但人们相信，不带缺口的试验可以测定造成裂纹的能量，也可以测定使裂纹扩张的能量。照Instron公司Lio的说法，这并不是类似拉伸冲击的另一种无缺口摆锤试验，它更像高速拉伸试验。
    落锤试验机，包括传统的加德纳尖头落锤以及机械式下落塔，用于测量导致饰板、薄板，薄膜，管子，箱体以及模压制品等产生破坏的总能量。最简单和最便宜的是适用于刚性塑料的Gardner落锤试验(ASTM D5054)机，以及适用于薄膜和弹性薄板的尖头落锤试验(ASTM D1709)机。这种装置在块状或尖状锤头的端部放置有一定重量的物体，把锤头举到一定的高度后自由落向固定好的试样。对基本装置，最常用的锤头重量是2、4和8磅，机械式下落塔所用的锤头重量是50磅或更多。试验程序很多，每组试验要有30个之多的典型试样。能量计算主要涉及ft-lb和in.-lb，或者是克(g)和冲击头的半径，即∶锤头重量，冲击高度。冲击高度和锤头形状的选取还没有规范化，Instron公司的Lio认为∶“具体数值可以根据聚合物的应变速率决定。10磅的重物从2英尺高度落下的能量，与2磅的重物从10英尺高度落下的能量相同。但是，由于冲击速度不同，它们产生的效果并不一样。”大型薄膜制造厂及他们的树脂供应厂商大量使用尖头落锤试验机。
    Dynisco Polymer公司的销售和市场部经理John DeChristofaro估计，50%以上的薄膜制造厂用这种试验监控他们的产品质量。公司会为试验机提供一个手动试样夹具，或是一种新型风力夹具。在过去的两、三年里，Atlas已经为他们的尖头落锤薄膜试验机配备了总能量测量功能，该功能符合ASTM D4272新标准的要求。Atlas 聚合物业务经理 Bob Lattie 说，这套光电系统（把一个装有光电二级管的盒子放在薄膜下）能够记录锤头的速度变化，并自动计算被薄膜吸收的总能量。

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