為確保整車(chē)的安全性，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中需認(rèn)真考察用于內(nèi)外飾生產(chǎn)的塑料材料的常溫和低溫韌性，以避免高分子內(nèi)外飾部件在碰撞過(guò)程中產(chǎn)生碎片，危及駕乘人員的安全。多軸沖擊試驗(yàn)是一種能用于表征材料韌性的方法，本文對(duì)這種測(cè)試方法的原理、儀器、測(cè)試條件、結(jié)果的表征和斷裂方式的判定進(jìn)行了闡述，并對(duì)影響試驗(yàn)結(jié)果的因素，以及測(cè)試曲線圖與樣件斷裂狀態(tài)之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。

多軸沖擊試驗(yàn)相當(dāng)于缺口沖擊與面沖擊的結(jié)合。缺口沖擊常用的方法有簡(jiǎn)支梁和懸臂梁兩種，此測(cè)試主要用于表征材料吸收能量的能力；面沖擊實(shí)際上就是落球沖擊，主要用來(lái)衡量材料抵抗破壞的能力。而多軸沖擊是上述二者的結(jié)合，主要用于測(cè)試材料的抗沖擊性能，表征材料的韌性。

一般，多軸沖擊對(duì)材料的要求比較嚴(yán)格，對(duì)于汽車(chē)行業(yè)而言，為確保整車(chē)的安全性，常會(huì)采用多軸沖擊對(duì)由高分子材料制成的塑料件進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)模擬汽車(chē)的碰撞情況，檢驗(yàn)內(nèi)外飾材料在受到強(qiáng)大沖擊力或破壞力時(shí)的表現(xiàn)，從而避免零件在實(shí)際碰撞過(guò)程中產(chǎn)生尖銳的碎片或斷裂，進(jìn)而危及駕乘人員的安全。

本文對(duì)常用于汽車(chē)行業(yè)的多軸沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并對(duì)多種改性塑料材料的試驗(yàn)結(jié)果判定和影響因素進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

試驗(yàn)部分

現(xiàn)行的多軸沖擊測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ISO 6603、ASTM D3763。以下簡(jiǎn)要介紹一下具體的測(cè)試原理、設(shè)備以及其他的測(cè)試條件。

1. 試驗(yàn)原理

多軸沖擊試驗(yàn)可以確定材料的低溫脆性溫度，同時(shí)也能比較不同材料的性能。在實(shí)際測(cè)試中，要根據(jù)產(chǎn)品的功能要求選擇對(duì)應(yīng)的材料試驗(yàn)溫度，用高速行駛的落錘沖擊材料樣板，根據(jù)設(shè)備采集的曲線以及材料樣板的斷裂方式來(lái)確定材料在此溫度和速度下的沖擊韌性。

2. 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為多軸沖擊試驗(yàn)儀，目前普遍采用的是Instron公司生產(chǎn)的落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，該設(shè)備由一套多軸臺(tái)架，一個(gè)溫度控制箱以及一套電子采集系統(tǒng)組成。其中，多軸臺(tái)架由固定支座和落錘組成。落錘重量可通過(guò)增加砝碼進(jìn)行調(diào)整，錘頭直徑可更換，有20mm和10mm兩種規(guī)格可供選擇。直徑20mm的錘頭適用于ISO 6603標(biāo)準(zhǔn)，直徑10mm的錘頭適用于ASTM D3763標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)測(cè)試材料的種類(lèi)來(lái)選擇落錘的總重量。為了降低沖擊過(guò)程中的摩擦損耗，每次測(cè)試前需對(duì)錘頭進(jìn)行潤(rùn)滑。

溫度控制箱的溫度范圍在-40~150℃范圍內(nèi)，低溫時(shí)可用液氮進(jìn)行降溫。

電子采集系統(tǒng)可全程連續(xù)采集落錘將材料樣板擊穿過(guò)程中的時(shí)間、位移和能量等數(shù)據(jù)，**終得出時(shí)間-位移-能量曲線。

3. 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件包括測(cè)試溫度、落錘總重量、沖擊速度和樣板規(guī)格等參數(shù)。

**先，介紹一下測(cè)試溫度：根據(jù)零件使用的環(huán)境工況，內(nèi)飾材料一般考察的溫度為常溫23℃和低溫-20℃、-30℃以及-35℃共4個(gè)溫度工況，外飾材料一般考察常溫23℃的工況。

其次是落錘總重量：不同型號(hào)的設(shè)備可達(dá)到的落錘總配重不一樣。所選擇的落錘需**能將測(cè)試樣板沖穿，若不能沖穿，則需增加落錘總重量。一般，改性PP材料的落錘總重量選擇在11 kg以上；ABS、PC等材料需選擇更大的落錘配重。

沖擊速度代表落錘與材料樣板接觸時(shí)的行駛速度。根據(jù)ISO 6603標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)一般韌性材料，常溫下的沖擊速度通常選擇4.4m/s；根據(jù)ASTM D3763標(biāo)準(zhǔn)則選擇6.6m/s，脆性材料可選擇1m/s。值得一提的是，4.4m/s及以下速度可由落錘自由落體實(shí)現(xiàn)，也可由機(jī)器控制勻速下降，但6.6m/s或更大的速度只能由機(jī)器控制。沖擊速度的選擇以落錘沖穿樣板后的速度衰減在20%以內(nèi)為**。

關(guān)于樣板規(guī)格和數(shù)量：標(biāo)準(zhǔn)材料樣板可選擇直徑為60±2mm的圓形或邊長(zhǎng)60±2mm的正方形。材料樣板的厚度為2.5~3mm，一般多選擇3mm。為**試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，試驗(yàn)樣板數(shù)量為5個(gè)。在試驗(yàn)前，要對(duì)測(cè)試樣件進(jìn)行厚度測(cè)量，其要求是在半徑為10mm的圓圈內(nèi)并且是等距離的3個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量，取其平均值作為厚度值。對(duì)于低溫試驗(yàn)，樣件需在帶有氮?dú)饫鋮s的環(huán)境箱中調(diào)節(jié)至少3h。

結(jié)果分析

測(cè)試后，對(duì)材料樣板沖擊韌性的評(píng)價(jià)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行，其一是從樣件的斷裂過(guò)程即微觀方面；其二是直觀地根據(jù)樣件的斷裂面進(jìn)行評(píng)價(jià)。兩種方法缺一不可。

1. 時(shí)間-載荷-能量曲線

圖1所示為多軸沖擊試驗(yàn)中采集的時(shí)間-載荷-能量雙縱軸曲線。從曲線中可以看出，時(shí)間-載荷曲線中的**點(diǎn)為樣板被擊穿過(guò)程中的**載荷，其對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)在時(shí)間-能量曲線中的能量為**載荷時(shí)樣板所吸收的能量。時(shí)間-能量曲線的**點(diǎn)表示樣板被擊穿前后所吸收的總能量。一般情況下，**載荷時(shí)吸收的能量越高，代表材料受到?jīng)_擊時(shí)吸能效果越好，但還需結(jié)合樣件的斷裂面形態(tài)才能確定材料的斷裂方式。

圖1 時(shí)間-載荷-能量雙縱軸曲線

2.斷裂面形態(tài)

材料的斷裂面有韌性斷裂和脆性斷裂兩種形態(tài)，其中韌性斷裂隨裂口的不同其延展度分為多種情況，脆性斷裂隨沖擊部位的不同其斷裂形態(tài)也存在多種情況。圖2所示為多軸沖擊試驗(yàn)中樣板的斷裂面形態(tài)，其中上排樣品的斷裂均為韌性斷裂，下排樣品的斷裂為脆性斷裂。

圖2 不同樣品的斷裂面形態(tài)（上排為韌性斷裂，下排為脆性斷裂）

3.斷裂方式的判定

按照IS0 6603標(biāo)準(zhǔn)的描述，判斷材料脆性斷裂和韌性斷裂的方式主要有4種（如圖3所示）——YD、YS、YU和NY。其中，YD型斷裂方式在曲線圖中表現(xiàn)為有明顯的屈服點(diǎn)，斷裂表面有整體深度的延展，擊穿孔只有一圈裂紋；YS型斷裂方式在曲線圖中表現(xiàn)為有明顯的屈服點(diǎn)，斷裂表面有穩(wěn)定但不的延展性，可均勻區(qū)分，擊穿孔有不重復(fù)的兩圈裂紋；YU型斷裂方式在曲線圖中表現(xiàn)為有明顯的屈服點(diǎn)，斷裂表面有不穩(wěn)定延性斷裂，可能有延性斷裂的部分，擊穿孔有不重復(fù)的兩圈裂紋或者擊穿部位發(fā)生不穩(wěn)定的無(wú)延展性斷裂，有明顯裂紋但未與樣板間脫落；NY型斷裂方式表現(xiàn)為無(wú)屈服。

圖3 根據(jù)4種斷裂方式，對(duì)11種斷裂面進(jìn)行了歸類(lèi)

總體而言，表現(xiàn)為YD型和NY型斷裂方式的材料較容易斷裂，表現(xiàn)為YU和YS型斷裂的材料較難斷裂。

多軸沖擊試驗(yàn)的影響因素

從試驗(yàn)的結(jié)果分析來(lái)看，影響多軸沖擊試驗(yàn)的因素主要有以下幾個(gè)：錘頭直徑、落錘總重量、測(cè)試溫度、沖擊速度、錘頭潤(rùn)滑程度、樣板厚度和材料種類(lèi)等。

1. 錘頭直徑

對(duì)于同種材料樣板的測(cè)試，在沖擊速度和測(cè)試溫度時(shí)，采用10mm直徑的錘頭時(shí)，樣板的斷裂狀態(tài)比采用20mm直徑錘頭時(shí)好。

2. 落錘總重量

對(duì)于同種材料樣板的測(cè)試，在沖擊速度和測(cè)試溫度時(shí)，根據(jù) F=mv ，落錘總重量越大，樣板受到?jīng)_擊的瞬間作用力越大，其表面的斷裂形態(tài)越差。因此在選擇落錘重量時(shí)，既要**選擇的錘頭能將樣板擊穿，也要**樣件的擊穿狀態(tài)為**。

3. 測(cè)試溫度

測(cè)試溫度越低，材料韌性越差，樣板吸收的能量越低，其表面的斷裂形態(tài)越差。

4. 沖擊速度

根據(jù)F=mv， 沖擊速度越大，樣板受到?jīng)_擊的瞬間作用力越大，其表面的斷裂形態(tài)越差。

5.錘頭潤(rùn)滑程度

錘頭潤(rùn)滑后會(huì)降低錘頭與樣板間的摩擦力，若不潤(rùn)滑錘頭，會(huì)降低樣板在被擊穿過(guò)程中吸收的能量，使曲線圖發(fā)生變化。

6. 樣板厚度

同種材料的樣板越厚，擊穿時(shí)間越長(zhǎng)，樣板吸收的總能量越高，也會(huì)對(duì)曲線圖產(chǎn)生影響。

7. 材料種類(lèi)

一般，PP材料吸收能量的能力比ABS、PC/ABS、PA6和PA66類(lèi)的材料低。在PP材料中，脆性PP其吸收能量的能力比韌性較好的PP差。

曲線圖、斷裂表面與斷裂方式之間的關(guān)系

同一種材料的曲線圖和斷裂表面之間有一定的聯(lián)系，從曲線圖中可以大致判斷斷裂表面的趨勢(shì)。例如，圖4所示為某材料廠家的PC/ABS材料在某條件下的沖擊曲線圖，圖5為該材料斷裂表面圖，表1為該材料被擊穿過(guò)程中的承載力和能量數(shù)據(jù)。

圖4 PC/ABS沖擊曲線圖

圖5 PC/ABS斷裂表面圖

圖6為某PA66材料在某條件下的沖擊曲線圖，圖7為該材料斷裂表面圖，表2為該材料被擊穿過(guò)程中的承載力和能量數(shù)據(jù)。

圖6 PA66沖擊曲線圖

圖7 PA66斷裂表面圖

結(jié)合圖4、圖5，以及圖6、圖7可以看出，當(dāng)曲線圖中時(shí)間-載荷曲線有明顯的屈服點(diǎn)，曲線末端的起伏較小且穩(wěn)定時(shí)，斷裂方式為YD型斷裂；當(dāng)曲線圖中時(shí)間-載荷曲線有明顯的屈服點(diǎn)，但屈服點(diǎn)后的曲線不平穩(wěn)，起伏較大時(shí)，斷裂方式為YU或YS型斷裂。

從表1、表2中可以看出，樣板**載荷時(shí)吸收的能量值與總能量相差越大，韌性斷裂的可能性越大；若相差一倍，可判定為韌性斷裂。

圖8為某PP材料在某條件下的沖擊曲線圖，圖9為該材料的斷裂表面圖，該材料的斷裂方式為NY型斷裂。

圖8 PP沖擊曲線圖

圖9 PP斷裂表面圖

結(jié)論

綜上所述，在設(shè)計(jì)儀表板、門(mén)護(hù)板以及保險(xiǎn)杠時(shí)需要對(duì)所使用材料的常溫和低溫韌性進(jìn)行相關(guān)的規(guī)定。為避免因材料的脆性斷裂而形成的尖角傷害到乘客，用多軸沖擊性能來(lái)管控是非常有必要的。隨著市場(chǎng)對(duì)汽車(chē)內(nèi)外飾零件性能要求的不斷提高，對(duì)材料低溫性能的要求也越發(fā)嚴(yán)格，因此需要材料供應(yīng)商開(kāi)發(fā)耐低溫高抗沖的汽車(chē)料，以滿足高性能汽車(chē)材料的需求。