聚合物冲击强度的测定:实验原理

冲击强度(Impact Strength)是高聚物材料的一项非常重要的力学指标。它是指某一标准样品在每秒数米乃至数万米的高速形变下,在极短的负载时间内所表现出的破坏强度,或者说是材料对高速冲击断裂的抵抗能力,也称为材料的韧性。近年来高聚物材料力学改性方面的研究非常活跃,其中一个主要的研究目的是如何增加材料的冲击强度,即材料的增韧。因此冲击强度的测量无论在研究工作还是在工业应用中都是不可缺少的。冲击强度可用下列几种方法进行测定:摆锤式冲击弯曲实验、落球式冲击实验、高速拉伸冲击实验。

摆锤式冲击弯曲实验是让重锥摆动冲击试样,测量摆锤冲断试样消耗的功。根据试样的安装方式,可分为简支梁型和悬臂梁型。简支梁型冲击实验是将试样两端固定,摆锤打击试样的中央;悬臂梁型冲击实验则是将试样一端固定,摆锤打击有缺口的悬臂梁试样的自由端。摆锤式冲击实验破坏试样所需的能量实际上无法精确测定,实验所测得的除了产生裂缝所需的能量及使裂缝扩展到整个试样所滞的能量以外,还要加上使材料发生永久形变的能量和把断裂的试样碎片抛出去的能量。把断裂试样碎片抛出的能量与材料的韧性完全无关,但它却占据了所测总能量中的一部分。实验证明,对同一跨度的实验,试样越厚,消耗在碎片抛出的能量越大,所以不同尺寸试样的实验结果不好相互比较。由于摆锤式实验方法简单方便,所以在材料质量控制、筛选等方面使用较多。

落球式冲击实验是把球、标准的重锤或投掷枪由已知高度落在试棒或试片上,测定使试棒或试片刚刚破裂所需能量的一种方法。与摆锤式实验相比,这种方法与实验结果有很好的相关性。但缺点是如果要将某种材料与其他材料进行比较,以及需要改变重球质量或落下高度则十分不方便。

评价材料的冲击强度最好的实验方法是高速应力-应变实验。应力-应变曲线下方的面积与使材料破坏所需的能量成正比。如果实验是以相当高的速度进行,这个面积就变成与冲击强度相等。

我国经常使用的是简支梁型摆锤冲击实验方法,所测得的冲击强度是指试样破裂时单位面积上所消耗的能量。该方法工作原理如图37-1所示,把摆锤从垂直位置挂于机架的扬臂上以后,此时扬角为 α ,摆锤便获得了一定的位能;当摆锤自由落下,则此位能转化为动能将试样冲断;冲断以后,摆锤以剩余能量升到某一高度,升角为 β 

在整个冲击实验过程中,按照能量守恒定律,可写出下式:

式中: 是冲击摆摆锤质量,kg; α 、 β 是分别为冲击摆摆锤冲击试样前的扬角和冲断试样后的升角,°; 是冲击摆摆长,m; 是冲断试样所消耗的功,J。

图37-1 摆锤式冲击实验机工作原理

式(37-1)中除 β 外,其余的均为已知数。故根据摆锤冲断试样后的升角 β 的大小,即可绘制出读数盘,由读数盘可以直接读出冲断试样时所消耗的功。

所消耗的功除以试样的横截面积,即为材料的冲击强度,按下式计算:

式中: 是试样宽度,m; 是试样厚度,m; σ 是冲击强度,kJ/m 

缺口试样冲击强度 σ 可按下式计算:

式中: 是缺口试样剩余宽度,m; 、 含义同前。

版权声明:本篇文章(包括图片)来自网络,由程序自动采集,著作权(版权)归原作者所有,如有侵权联系我们删除,联系方式(QQ:452038415)。http://www.apmygs.com/2813.html
返回顶部