主题：【第九届原创】汽车塑料材料多轴冲击测试解析

文/胡 xiao mei（华测团队）
      汽车方便了人们的出行，其安全性能是人们关注的焦点。汽车保险杠是汽车吸收、缓和外界冲击力，防护车身前后部的安全装置。20年前，轿车前后保险杠以金属材料为主，用厚度为3毫米以上的钢板冲压成U形槽钢，表面镀铬处理，与车架纵梁铆接或焊接在一起，和车身有一段较大的间隙，像是一件附加上去的部件。随着汽车工业的发展，汽车保险杠作为一种重要的安全装置也走上了革新的道路。今天的轿车前后保险杠除了原有的保护功能外，还追求与车体造型的和谐统一，以及本身的轻量化。为了达到这种目的，轿车的前后保险杠开始采用塑料材质，称为塑料保险杠。而这种塑料材料的抗冲击性能要求非常良好。那么，如何检测塑料材料的抗冲击性能呢?本文介绍一种常用的测试方法——多轴冲击。
      多轴冲击主要用来测试塑料等高分子材料的抗冲击性能。以汽车保险杠为例，多轴冲击可测量保险杠的韧性，加载负荷时的变形，以及保险杠受冲击时的总体能量吸收。该方法能确认汽车发生交通事故时保险杠是否具有一定的安全保护作用。
      多轴冲击试验设备主要由一套多轴台架（落重块、落锤和固定装置），一个冷热箱（本设备范围在-50℃ ~ 150℃、采用液氮制冷），以及一套数据采集软件组成。
其工作原理是让锤头以一个标准速度在样品表面中心垂直冲击，得到冲击力距离曲线或者时间曲线。根据曲线记录和样品在冲击后的表面状态情况，可以判断材料的状态性能。样品在试验过程中需保持固定状态。
      多轴冲击设备（图1和图2）的冲击头是半球形的锤头，表面光滑，有2种锤头类型：直径为(20.0 ± 0.2)，满足ISO 6603、ISO 7765-2、ASTM D5628、GMW14867等方法；直径为(12.7± 0.2)mm，满足ASTM D3763、 ASTM D5628 method FD、 ASTM D7192、GMN10083等试验标准。本仪器冲击落锤重量12.7kg，共配有4个落重块，每个约6.73Kg，总冲击质量可达约40kg。在进行冲击试验时, 撞击速度为约2.5m/s-4、4 m/s ±0、1 m/s,对应的下落的高度为300mm-1000mm。
标准样件是一个60 mm或140mm直径的圆片或者是60mm或140mm边长的正方形，对应加紧装置内径为40mm或100mm。样件一般为注塑成型材料, 厚度一般为2mm至3 mm 。如果某些样件与该批样件平均厚度相差 5%, 则这种样件要废弃。
      在进行冲击试验之前,样件应放置于试验箱中，在规定温度下至少调节3个小时。在非环境温度条件下进行，冷却或者加热的温度都可能对结果产生影响。每一个样件应在中心半径为10mm圆圈内等距离的3个点上进行测量,其厚度差大概为0.02mm。
                                                                                                     
                                                                                                                        图1 多轴冲击设备
                                                                           
                                                                                                                      图2 设备部分剖面图示

      对于结果的表达，以在厚度为3mm的样件上进行温度为23°C的试验、冲击后断裂的结果为例,如表1所示。

表1

        最大载荷（Fm）是在测试过程中产生的最大冲击力（单位：N）；
        最大形变（lm）是在最大载荷时的形变量(单位：mm)；
      最大载荷时的能量（Em）是在最大冲击力下发生最大形变时吸收的能量值(单位J) ；
      冲破形变（lp）是在最大载荷一半的冲击力时的形变量（单位：mm）；
      冲破能量（Ep）是在冲破形变下吸收的能量值（单位:J）；
        失效类型是材料在测试过程中的机械特性，有如下4种：YD  屈服（在最大载荷时零斜率）然后深降 （图a），YS  屈服（在最大载荷时零斜率）然后（至少部分）稳定裂化（图b），YU屈服（在最大载荷时零斜率）然后不稳定裂化（图c），NY无屈服（图d）。
                                                                                     
                                                                                                                                              图a
                                                                                           
                                                                                                                                              图b
                                                                                             
                                                                                                                                                    图c
                                                                                               
                                                                                                                                        图d

      根据产品表面现象判断断裂表面类型，按照图3进行：
韧性情况：

    韧性＞脆性

    脆性＞韧性

    脆性情况：

图3

        汽车内饰件包括仪表板、副仪表板、门板、立柱、手套箱等。尤其是仪表板、门板，面积大而壁厚小，结构复杂，需要材料具有优良的刚性和韧性。优良的刚性能够保证内饰件在安装到车身骨架上和使用过程中不出现变形；而优良的韧性，尤其是低温韧性，则可以保证驾乘人员的安全。如果低温韧性差，在严寒的气候条件下，汽车内饰件会破裂甚至在碰撞过程中产生碎片，危及驾乘人员的安全。因此，汽车内饰件必须达到一定的耐低温冲击要求，特别是0℃－30℃低温冲击性能。
为了提高材料的低温冲击性能，厂家在生产过程中往往添加大量的增韧剂，但同时也降低了材料的刚性，如弯曲模量和热变形温度降低，达不到刚性和耐热性能要求。目前，仪表板专用聚丙烯材料的低温悬臂梁缺口冲击强度 ( －30 ℃) 一般在 4 kJ/m2左右，但在 6. 6 m/s、－30 ℃的多轴冲击条件下会破碎。
      随着汽车内饰件性能要求的不断提高，低温多轴冲击的要求也越来越高。多轴高速冲击试验样片，通过击穿样片计算样品吸收的总能量，如果在高速冲击时破碎，则不能符合材料使用要求。
      多轴冲击作为识别材料抗冲击性能快捷而准确的方法，目前广泛应用于汽车材料验证中。CTI汽车材料实验室具有该项测试能力，作为特色项目，在行业内具有领先优势。