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冲击试验仪器
本文来自美国Plastics Technology杂志
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*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。该公司炎隽死κ匝椋挥性谑导使ぷ魑露认伦龀寤魇匝椤U馐且淮伟汗蟮慕萄怠酶贸鞘刑岢鏊咚希⒂昧斯偎荆ㄔ号卸ǜ弥圃焐讨Ц杜獬ソ穑⒏凰刑葑印?/P>
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。