高分子材料短时力学检测的冲击韧性测试技术规范

高分子材料因轻质、耐腐蚀、易加工等特性，广泛应用于航空航天、汽车制造、电子电器等领域，其冲击韧性作为短时力学性能的核心指标，直接决定产品在碰撞、坠落等冲击载荷下的安全性。为确保测试结果的准确性与可比性，需建立系统的冲击韧性测试技术规范。本文围绕测试原理、样品制备、设备校准、试验流程及结果处理等关键环节，详细解读高分子材料冲击韧性测试的技术要点与合规要求。

测试原理与方法选择

冲击韧性测试的核心是衡量材料在高速冲击载荷下吸收能量的能力，通常以“冲击强度”表示（单位为kJ/m²），即试样吸收的冲击能量与有效截面积的比值。目前高分子材料冲击韧性测试最常用的两种方法为Izod悬臂梁冲击试验与Charpy简支梁冲击试验。

Izod试验中，试样一端固定为悬臂梁，冲击锤沿垂直方向击打试样自由端的缺口背面，试样受弯曲-剪切复合应力；Charpy试验则将试样两端简支，冲击锤击打试样中部的缺口背面，试样主要受弯曲应力。两种方法的本质差异在于试样的支撑方式与受力状态。

方法选择需结合材料特性：Izod适用于刚性大、缺口敏感性高的材料（如酚醛树脂、环氧树脂），因其能更敏感地反映缺口对脆性材料的影响；Charpy适用于韧性较好、变形能力强的材料（如聚乙烯、ABS、聚碳酸酯），可更准确测量材料的能量吸收能力。

测试需严格遵循对应标准，如GB/T 1843-2008《塑料 悬臂梁冲击强度的测定》适用于Izod试验，ISO 179-1:2010《塑料 简支梁冲击性能的测定 第1部分：非仪器化冲击试验》适用于Charpy试验，标准中明确规定了试验条件与结果计算方法。

样品制备的规范要求

试样的形状与尺寸需与试验方法严格匹配：Izod悬臂梁试样通常为长80mm×宽10mm×厚4mm的矩形条，V型缺口角度45°，深度2mm，底部半径0.25mm；Charpy简支梁试样常见尺寸为长80mm×宽10mm×厚4mm（小试样）或长125mm×宽10mm×厚10mm（大试样），缺口深度2mm（小试样）或5mm（大试样），底部半径0.25mm（V型）或1mm（U型）。

缺口加工是样品制备的关键环节，需使用专用缺口铣刀或线切割机，确保缺口角度、深度及底部半径符合标准。加工时需避免试样表面产生毛刺、划痕或热变形若缺口底部存在微裂纹，会导致测试结果偏低30%以上。

取样需从材料的均匀区域截取：注塑成型试样应沿熔体流动方向截取，确保分子取向一致；成品取样需避开浇口、飞边等应力集中区域。试样制备完成后，需按GB/T 2918-2018要求在23℃±2℃、50%±5%RH环境中放置至少16h，使试样达到温度与湿度平衡。

状态调节不可忽视：若试样未充分平衡，环境湿度变化会导致材料吸湿膨胀，温度差异会改变材料的韧性（如低温会使塑料变脆），最终影响测试结果的稳定性。

试验设备的要求与校准

冲击试验机主要由刚性机架、摆锤（冲击锤）、能量测量系统及试样支撑装置组成。摆锤的能量范围需与被测材料匹配：脆性塑料（如聚甲醛）冲击能量低，选0.5J、1J摆锤；韧性材料（如聚氨酯）冲击能量高，选10J、20J摆锤。

设备需定期校准，校准项目包括：摆锤标称能量（通过测量摆锤质量与摆长计算实际能量，偏差≤±2%）、冲击速度（Izod约3.5m/s，Charpy约2.9m/s或3.8m/s，偏差≤±5%）、试样支撑装置尺寸（Izod试样固定深度22mm±0.2mm，Charpy支撑间距60mm±0.5mm或100mm±0.5mm）。

能量测量系统的准确性是关键若能量指示盘存在摩擦阻力，会导致读取的吸收能量偏小。校准需使用标准能量块：将已知能量的砝码挂在摆锤上，验证能量指示系统的读数误差≤±1%。

设备安全防护不可忽视：试验机需配备全封闭防护罩，试验时防护罩必须关闭，防止试样破碎飞溅；摆锤制动装置需灵敏，避免摆锤回摆撞击机架，造成设备损坏或人员伤害。

试验环境的控制要点

试验环境需与试样状态调节环境一致，即温度23℃±2℃、相对湿度50%±5%RH。若需模拟特殊使用环境（如汽车零部件的低温冲击），可使用环境箱将温度降至-40℃、-20℃，但需在试验报告中明确标注温度条件。

环境振动会影响摆锤的运动轨迹若试验机放置在振动较大的车间，需在底部安装减震垫，或选择远离机床、风机的位置。气流干扰也需避免：空调出风口、风扇直吹会增加摆锤的空气阻力，导致冲击速度降低，吸收能量测量误差增大。

环境清洁同样重要：试样支撑装置上的灰尘、碎屑会导致试样安装倾斜，影响受力状态。试验前需用毛刷清理支撑面，确保试样与支撑装置紧密贴合。

加载条件与操作流程

试样安装需严格遵循标准：Izod试验中，试样缺口朝向摆锤冲击方向，固定端插入夹具深度22mm，试样需垂直于支撑面，无倾斜；Charpy试验中，试样缺口背对摆锤，放置在两个支撑点上，缺口位于支撑间距中心，试样上表面与支撑点齐平。

操作流程需规范：安装试样后，检查摆锤是否处于预升最高位置，能量指示系统是否归零；按下释放按钮时，手需迅速离开摆锤，避免人为干扰；冲击完成后，待摆锤停止运动，再读取能量指示盘的数值。

空击试验是必做步骤：不装试样时释放摆锤，记录空击能量（即摆锤克服空气阻力与摩擦的能量）。试样的实际吸收能量=试验读取能量-空击能量若空击能量超过摆锤标称能量的1%，需检查设备是否存在异常摩擦。

同一批试样需测试至少5个有效试样：若某试样未从缺口处断裂（如断裂面在试样中部），或断裂面不平整，需剔除该数据，补做试样。有效试样的数量需满足统计要求，确保结果的代表性。

结果计算与数据有效性判断

冲击强度的计算需基于试样的有效截面积：对于V型缺口试样，有效截面积A=试样宽度b×（试样厚度d-缺口深度h）（如Izod试样b=10mm，d=4mm，h=2mm，则A=10×(4-2)=20mm²=2×10^-5 m²）。冲击强度α=吸收能量W/A（如W=1J，则α=1J/(2×10^-5 m²)=50kJ/m²）。

数据有效性需满足两个条件：一是试样断裂面从缺口处开始，且贯穿整个试样宽度；二是断裂面平整，无明显分层或气泡。若试样未完全断裂（如韧性材料冲击后仅弯曲），需注明“未折断”，并记录实际吸收能量，不可强行计算冲击强度。

结果的重复性需符合要求：同一批试样的变异系数（标准差/平均值×100%）需≤10%。若变异系数超过10%，需分析原因可能是试样制备不均匀（如缺口深度不一致），或操作过程中试样安装倾斜。

数据记录需完整：包括试样编号、试验方法、摆锤能量、环境温度、吸收能量、冲击强度等，确保结果可追溯。

常见影响因素及规避措施

缺口质量是最常见的影响因素若缺口底部有微裂纹或加工划痕，会导致试样在冲击时提前断裂，吸收能量偏低。规避措施：使用数控铣床加工缺口，加工后用10倍放大镜检查缺口底部，确保无划痕；若有轻微划痕，用2000目细砂纸轻轻打磨。

分子取向会显著影响结果注塑试样的流动方向分子链排列整齐，冲击强度比垂直方向高2~3倍。规避措施：取样时严格沿流动方向截取，或在报告中注明取样方向，避免数据误导。

摆锤能量选择不当会增大误差若用10J摆锤测试吸收能量仅0.5J的脆性材料，摆锤能量的±2%偏差（±0.2J）会导致试样吸收能量的相对误差高达40%。规避措施：选择摆锤能量使试样吸收能量占摆锤标称能量的10%~80%，如0.5J试样选1J摆锤，吸收能量占50%，相对误差降至±4%。

环境温度波动需控制若试验时温度降至20℃以下，塑料的玻璃化转变温度提前，韧性下降，冲击强度会降低10%~20%。规避措施：试验前30分钟打开空调，稳定环境温度；若环境温度无法控制，需使用温度记录仪记录试验过程的温度变化。

异常结果的判定与处理

异常结果指某试样的冲击强度远高于或低于平均值（如超过3倍标准差）。首先检查试样质量：是否有缺口裂纹、表面划痕或尺寸偏差（如厚度偏薄会导致有效截面积减小，冲击强度偏高）。

若试样质量无问题，检查设备状态：摆锤是否校准，能量指示系统是否归零，试样支撑装置是否松动（如Charpy支撑间距变大，会导致试样受弯程度增加，吸收能量偏高）。

操作失误也是常见原因：Izod试样安装时固定深度不足（如仅插入20mm），会导致试样受冲击力减小，吸收能量偏低；Charpy试样缺口未对准中心，会导致受力不均匀，断裂面偏移。

异常结果处理需谨慎：若因试样缺陷或操作失误导致，剔除该数据，补做1个试样；若因设备故障导致，停止试验，校准或维修设备后重新测试。异常结果的处理过程需详细记录在试验报告中，包括异常值、原因分析及处理措施。