实验11 聚合物冲击性能测试
一、实验目的
1．测定聚合物的冲击强度，了解其对制品使用的重要性；
2．熟悉聚合物的冲击性能测试的原理，掌握摆锤式冲击试验机操作方法；
3．掌握实验结果处理方法，了解测试条件对测定结果的影响。
二、实验原理
冲击性能实验是在冲击负荷的作用下测定材料的冲击强度。在实验中，对聚合物试样施加一次冲击负荷使试样破坏，记录下试样破坏时或过程中试样单位截面积所吸收的能量，即得到冲击强度。由于聚合物的制备方法和本身结构的不同，它们的冲击强度也各不相同。在工程应用上，冲击强度是一项重要的性能指标，通过抗冲击试验，可以评价聚合物在高速冲击状态下抵抗冲击的能力或判断聚合物的脆性和韧性程度。
冲击试验的方法很多，根据实验温度可分为常温冲击、低温冲击和高温冲击三种，依据试样的受力状态，可分为摆锤式弯曲冲击（包括简支梁冲击GB1043和悬臂梁冲击GB1843）、拉伸冲击、扭转冲击和剪切冲击；依据采用的能量和冲击次数，可分为大能量的一次冲击（简称一次冲击试验或落锤冲击实验GB11548）和小能量的多次冲击实验（简称多次冲击实验）。不同材料或不同用途可选择不同的冲击试验方法，由于各种试验方法中试样受力形式和冲击物的几何形状不一样，不同的试验方法所测得的冲击强度结果不能相互比较。
摆锤式弯曲冲击实验方法由于比较简单易行，在控制产品质量和比较制品韧性时是一种经常使用的测试方法。这里介绍摆锤式弯曲冲击（简支梁冲击和悬臂梁冲击）试验机的工作原理，如图11－1所示。
实验时摆锤挂在机架的扬臂上，摆锤杆的中心线与通过摆锤杆轴中心的铅垂线成一角度为α的扬角，此时摆锤具有一定的位能；然后让摆锤自由落下，在它摆到最低点的瞬间其位能转变为动能；随着试样断裂成两部分，消耗了摆锤的冲
β为其升角。击能并使其大大减速；摆锤的剩余能量使摆锤继续升高至一定高度，
如以W表示摆锤的重量，l为摆锤杆的长度，则摆锤的初始功A0为：
A0=Wl(1−cosα) （11－1）
若考虑冲断试样时克服的空气阻力和试样断裂而飞出时所消耗的功，根据能量守恒定律，可用式（11－2）表示：
A0=Wl(1+cosβ)+A+Aa+Aβ+12mv （11－2） 2
通常，式（11－2）后三项都忽略不计，则可简单地把试样断裂时所消耗的功表示为：
A0=Wl(cosβ−cosα) （11－3）
式中除β角外均为已知数，因此，根据摆锤冲断试样后的升角β的数值即可从读数盘直接读取冲断试样时所消耗功的数值。
图11－1 摆锤式冲击试验机的工作原理
1－摆锤 2－扬臂 3－机架 4－试样
简支梁冲击试验是使用已知能量的摆锤一次性冲击支承成水平梁的试样并使之破坏，冲击线应位于两支座（试样）的正中间，被测试样若为缺口试样，则冲击线应正对缺口（参考图11－2）；悬臂梁冲击试验则由已知能量的摆锤一次性冲击垂直固定成悬臂梁的试样的自由端，摆锤的冲击线与试样的夹具和试样缺口的中心线相隔一定距离（参考图11－3）。根据摆锤的冲击前初始能量与冲击后摆锤的剩余能量之差，确定试样在破坏时所吸收的冲击能量，冲击能量除以冲击截面积，就得到试样的单位截面积所吸收的冲击能量，即冲击强度。
通常，冲击性能实验对聚合物的缺陷很敏感，而且影响因素也很多，聚合物
的冲击强度常受到实验温度、环境湿度、冲击速度、试样几何尺寸，缺口半径以及缺口加工方法、试样夹持力等影响，因此冲击性能测试是一种操作简单而影响因素较复杂的实验，在实验过程中不可忽视上述各有关因素的影响，一般应在实验方法规定的条件下进行冲击性能的测定。
三、仪器与样品
1．实验仪器
（1）简支梁冲击实验机 其基本构造有三部分，即机架部分、摆锤冲击部分和指示系统部分组成；
（2）悬臂梁冲击实验机；
（3）游标卡尺。
2．试样
试样材料可采用PP、PE、PS、硬质PVC等；简支梁冲击试样类型及尺寸和缺口类型与尺寸参照GB/T1043-93执行；悬臂梁冲击试样类型及尺寸和缺口类型与尺寸参照GB/T1843-96执行。
本次实验采用多型腔模具注射成型的PP长条试样作为无缺口试样，在PP长条试样厚度方向上用机械加工方法铣出缺口作为缺口冲击试样。每组试样不少于5个。试样要求表面平整，无气泡、裂纹、分层、伤痕等缺陷。
四、准备工作
1．试样的制备和外观检查，按GB1043-93规定进行；试样的状态调节和实验环境按GB2918 规定执行。
2．试样编号，对于无缺口试样，分别测量试样中部边缘和试样端部中心位置的宽度和厚度，并取其平均值为试样的宽度和厚度，准确至0.02mm；缺口试样应测量缺口处的剩余厚度，测量时应在缺口两端各测一次，取其算术平均值。
3．熟悉冲击试验机，检查机座是否水平。
4．检查冲击试验机是否有规定的冲击速度，并根据试样破坏时所需的能量选择试验机摆锤，使消耗的能量在摆锤总能量的10～85％内。若符合这一能量范围的不止一个摆锤时，应该用最大能量的摆锤。
5．调节能量度盘指针零点，使它在摆锤处于起始位置时与主动针接触。进行空白实验，保证总摩擦损失不超过摆锤冲击试验机特性参数的规定，否则进行冲击试验机的校准。
五、实验步骤
1．简支梁冲击实验
（1）根据试样尺寸，进行实验机样条跨度L的调节，跨度数值根据试样类型进行选择，参照GB1043－93执行。
（2）抬起并锁住摆锤，将试样按规定放置在两块撑块上，将面紧贴在直角支座的垂直面上，使冲击刀刃对准试样中心，缺口试样刀刃对准缺口背向的中心位置（如图11-2）。
图11－2 简支梁冲击实验中冲击刀刃、试样和支座的相互关系
1－试样 2－冲击方向 3－冲击瞬间摆锤位置
4－下支座 5－冲击刀刃 6－支撑块
（3）将指针拨至满量程位置。
（4）扳动手柄抓钩，平稳释放摆锤，从能量度盘上读取试样吸收的冲击能量并记录。
（5）试样可能会有三种破坏类型，完全破坏（指经过一次冲击使试样分成两段或几段）；部分破坏（指一种不完全破坏，即无缺口试样或缺口试样的横断面至少断开90％的破坏）；无破坏（指一种不完全破坏，即无缺口试样或缺口试样的横断面断开部分小于90％的破坏）。对于同种材料，如果可以观察到一种以上的破坏类型，须在报告中标明其破坏类型。试样无破坏的应不取冲击值，实验
记录为不破坏或NB；试样完全破坏或部分破坏的可以取值，计算平均冲击值，并记录部分破坏试样的破坏百分数。不同破坏类型的结果不能进行比较。
2．悬臂梁冲击实验
（1）按准备工作要求进行完试样测量和冲击试验机的检查之后，抬起并锁住摆锤，把试样放在虎钳中，按图11－3所示夹住试样（也称正置试样冲击）；测定缺口试样时，缺口应在摆锤冲击刃的一边。
图11－3 虎钳支座、缺口试样及冲刃位置图（单位mm）
1－虎钳固定夹具 2－试样 3－冲击刃 4－虎钳可动夹具
（2）释放摆锤，记录试样所吸收的冲击能，并对其摩擦损失等进行修正。
（3）试样可能会有四种破坏类型，完全破坏（试样断裂成两段或多段）、 铰链破坏（断裂的试样由没有刚性的很薄表皮连在一起的一种不完全破坏）、部分破坏（除铰链破坏以外的不完全破坏）、无破坏（指试样未破坏，只产生弯曲变形并有应力发白现象的产生）。测得的完全破坏和铰链破坏的值用以计算平均值。在部分破坏时，如果要求部分破坏的值，则以字母P表示。完全不破坏时以NB表示，不报告数值。
（4）在同一样品中，如果有部分破坏和完全破坏或铰链破坏时，应报告每种破坏类型的算术平均值。
六、数据处理与记录
1．无缺口试样简支梁冲击强度α（kJ/m2）
α=A ×103 （11－4）b⋅d
式中 A－试样吸收的冲击能量，J；
记录为不破坏或NB；试样完全破坏或部分破坏的可以取值，计算平均冲击值，并记录部分破坏试样的破坏百分数。不同破坏类型的结果不能进行比较。
2．悬臂梁冲击实验
（1）按准备工作要求进行完试样测量和冲击试验机的检查之后，抬起并锁住摆锤，把试样放在虎钳中，按图11－3所示夹住试样（也称正置试样冲击）；测定缺口试样时，缺口应在摆锤冲击刃的一边。
图11－3 虎钳支座、缺口试样及冲刃位置图（单位mm）
1－虎钳固定夹具 2－试样 3－冲击刃 4－虎钳可动夹具
（2）释放摆锤，记录试样所吸收的冲击能，并对其摩擦损失等进行修正。
（3）试样可能会有四种破坏类型，完全破坏（试样断裂成两段或多段）、 铰链破坏（断裂的试样由没有刚性的很薄表皮连在一起的一种不完全破坏）、部分破坏（除铰链破坏以外的不完全破坏）、无破坏（指试样未破坏，只产生弯曲变形并有应力发白现象的产生）。测得的完全破坏和铰链破坏的值用以计算平均值。在部分破坏时，如果要求部分破坏的值，则以字母P表示。完全不破坏时以NB表示，不报告数值。
（4）在同一样品中，如果有部分破坏和完全破坏或铰链破坏时，应报告每种破坏类型的算术平均值。
六、数据处理与记录
1．无缺口试样简支梁冲击强度α（kJ/m2）
α=A ×103 （11－4）b⋅d
式中 A－试样吸收的冲击能量，J；
b－试样宽度，mm；
d－试样厚度，mm。
2．缺口试样简支梁冲击强度αk（kJ/m2）
αk=Ak×103 （11－5） b⋅dk
式中 Ak－缺口试样吸收的冲击能量，J；
b－试样宽度，mm；
dk－缺口试样缺口处剩余厚度，mm。
3．无缺口试样悬臂梁冲击强度αiu（kJ/m2）
αiu=Wiu×103 （11－6） b⋅h
式中 Wiu－破坏试样所吸收并经过修正后的能量，J；
b－试样宽度，mm；
h－试样厚度，mm。
4．缺口试样悬臂梁冲击强度αiN
αiN=WiN
bN⋅h×103 （11－4）
式中 W iN－破坏试样所吸收并经修正后的能量，J；
bN－试样缺口处剩余宽度，mm；
h－试样厚度，mm。
七、注意事项
1．摆锤举起后，人体各部分都不要伸到重锤下面及摆锤起始处，冲击实验时注意避免样条碎块伤人。
2．扳手柄时，用力适当，切忌过猛。
实验11 聚合物冲击性能测试
一、实验目的
1．测定聚合物的冲击强度，了解其对制品使用的重要性；
2．熟悉聚合物的冲击性能测试的原理，掌握摆锤式冲击试验机操作方法；
3．掌握实验结果处理方法，了解测试条件对测定结果的影响。
二、实验原理
冲击性能实验是在冲击负荷的作用下测定材料的冲击强度。在实验中，对聚合物试样施加一次冲击负荷使试样破坏，记录下试样破坏时或过程中试样单位截面积所吸收的能量，即得到冲击强度。由于聚合物的制备方法和本身结构的不同，它们的冲击强度也各不相同。在工程应用上，冲击强度是一项重要的性能指标，通过抗冲击试验，可以评价聚合物在高速冲击状态下抵抗冲击的能力或判断聚合物的脆性和韧性程度。
冲击试验的方法很多，根据实验温度可分为常温冲击、低温冲击和高温冲击三种，依据试样的受力状态，可分为摆锤式弯曲冲击（包括简支梁冲击GB1043和悬臂梁冲击GB1843）、拉伸冲击、扭转冲击和剪切冲击；依据采用的能量和冲击次数，可分为大能量的一次冲击（简称一次冲击试验或落锤冲击实验GB11548）和小能量的多次冲击实验（简称多次冲击实验）。不同材料或不同用途可选择不同的冲击试验方法，由于各种试验方法中试样受力形式和冲击物的几何形状不一样，不同的试验方法所测得的冲击强度结果不能相互比较。
摆锤式弯曲冲击实验方法由于比较简单易行，在控制产品质量和比较制品韧性时是一种经常使用的测试方法。这里介绍摆锤式弯曲冲击（简支梁冲击和悬臂梁冲击）试验机的工作原理，如图11－1所示。
实验时摆锤挂在机架的扬臂上，摆锤杆的中心线与通过摆锤杆轴中心的铅垂线成一角度为α的扬角，此时摆锤具有一定的位能；然后让摆锤自由落下，在它摆到最低点的瞬间其位能转变为动能；随着试样断裂成两部分，消耗了摆锤的冲
β为其升角。击能并使其大大减速；摆锤的剩余能量使摆锤继续升高至一定高度，
如以W表示摆锤的重量，l为摆锤杆的长度，则摆锤的初始功A0为：
A0=Wl(1−cosα) （11－1）
若考虑冲断试样时克服的空气阻力和试样断裂而飞出时所消耗的功，根据能量守恒定律，可用式（11－2）表示：
A0=Wl(1+cosβ)+A+Aa+Aβ+12mv （11－2） 2
通常，式（11－2）后三项都忽略不计，则可简单地把试样断裂时所消耗的功表示为：
A0=Wl(cosβ−cosα) （11－3）
式中除β角外均为已知数，因此，根据摆锤冲断试样后的升角β的数值即可从读数盘直接读取冲断试样时所消耗功的数值。
图11－1 摆锤式冲击试验机的工作原理
1－摆锤 2－扬臂 3－机架 4－试样
简支梁冲击试验是使用已知能量的摆锤一次性冲击支承成水平梁的试样并使之破坏，冲击线应位于两支座（试样）的正中间，被测试样若为缺口试样，则冲击线应正对缺口（参考图11－2）；悬臂梁冲击试验则由已知能量的摆锤一次性冲击垂直固定成悬臂梁的试样的自由端，摆锤的冲击线与试样的夹具和试样缺口的中心线相隔一定距离（参考图11－3）。根据摆锤的冲击前初始能量与冲击后摆锤的剩余能量之差，确定试样在破坏时所吸收的冲击能量，冲击能量除以冲击截面积，就得到试样的单位截面积所吸收的冲击能量，即冲击强度。
通常，冲击性能实验对聚合物的缺陷很敏感，而且影响因素也很多，聚合物
的冲击强度常受到实验温度、环境湿度、冲击速度、试样几何尺寸，缺口半径以及缺口加工方法、试样夹持力等影响，因此冲击性能测试是一种操作简单而影响因素较复杂的实验，在实验过程中不可忽视上述各有关因素的影响，一般应在实验方法规定的条件下进行冲击性能的测定。
三、仪器与样品
1．实验仪器
（1）简支梁冲击实验机 其基本构造有三部分，即机架部分、摆锤冲击部分和指示系统部分组成；
（2）悬臂梁冲击实验机；
（3）游标卡尺。
2．试样
试样材料可采用PP、PE、PS、硬质PVC等；简支梁冲击试样类型及尺寸和缺口类型与尺寸参照GB/T1043-93执行；悬臂梁冲击试样类型及尺寸和缺口类型与尺寸参照GB/T1843-96执行。
本次实验采用多型腔模具注射成型的PP长条试样作为无缺口试样，在PP长条试样厚度方向上用机械加工方法铣出缺口作为缺口冲击试样。每组试样不少于5个。试样要求表面平整，无气泡、裂纹、分层、伤痕等缺陷。
四、准备工作
1．试样的制备和外观检查，按GB1043-93规定进行；试样的状态调节和实验环境按GB2918 规定执行。
2．试样编号，对于无缺口试样，分别测量试样中部边缘和试样端部中心位置的宽度和厚度，并取其平均值为试样的宽度和厚度，准确至0.02mm；缺口试样应测量缺口处的剩余厚度，测量时应在缺口两端各测一次，取其算术平均值。
3．熟悉冲击试验机，检查机座是否水平。
4．检查冲击试验机是否有规定的冲击速度，并根据试样破坏时所需的能量选择试验机摆锤，使消耗的能量在摆锤总能量的10～85％内。若符合这一能量范围的不止一个摆锤时，应该用最大能量的摆锤。
5．调节能量度盘指针零点，使它在摆锤处于起始位置时与主动针接触。进行空白实验，保证总摩擦损失不超过摆锤冲击试验机特性参数的规定，否则进行冲击试验机的校准。
五、实验步骤
1．简支梁冲击实验
（1）根据试样尺寸，进行实验机样条跨度L的调节，跨度数值根据试样类型进行选择，参照GB1043－93执行。
（2）抬起并锁住摆锤，将试样按规定放置在两块撑块上，将面紧贴在直角支座的垂直面上，使冲击刀刃对准试样中心，缺口试样刀刃对准缺口背向的中心位置（如图11-2）。
图11－2 简支梁冲击实验中冲击刀刃、试样和支座的相互关系
1－试样 2－冲击方向 3－冲击瞬间摆锤位置
4－下支座 5－冲击刀刃 6－支撑块
（3）将指针拨至满量程位置。
（4）扳动手柄抓钩，平稳释放摆锤，从能量度盘上读取试样吸收的冲击能量并记录。
（5）试样可能会有三种破坏类型，完全破坏（指经过一次冲击使试样分成两段或几段）；部分破坏（指一种不完全破坏，即无缺口试样或缺口试样的横断面至少断开90％的破坏）；无破坏（指一种不完全破坏，即无缺口试样或缺口试样的横断面断开部分小于90％的破坏）。对于同种材料，如果可以观察到一种以上的破坏类型，须在报告中标明其破坏类型。试样无破坏的应不取冲击值，实验
记录为不破坏或NB；试样完全破坏或部分破坏的可以取值，计算平均冲击值，并记录部分破坏试样的破坏百分数。不同破坏类型的结果不能进行比较。
2．悬臂梁冲击实验
（1）按准备工作要求进行完试样测量和冲击试验机的检查之后，抬起并锁住摆锤，把试样放在虎钳中，按图11－3所示夹住试样（也称正置试样冲击）；测定缺口试样时，缺口应在摆锤冲击刃的一边。
图11－3 虎钳支座、缺口试样及冲刃位置图（单位mm）
1－虎钳固定夹具 2－试样 3－冲击刃 4－虎钳可动夹具
（2）释放摆锤，记录试样所吸收的冲击能，并对其摩擦损失等进行修正。
（3）试样可能会有四种破坏类型，完全破坏（试样断裂成两段或多段）、 铰链破坏（断裂的试样由没有刚性的很薄表皮连在一起的一种不完全破坏）、部分破坏（除铰链破坏以外的不完全破坏）、无破坏（指试样未破坏，只产生弯曲变形并有应力发白现象的产生）。测得的完全破坏和铰链破坏的值用以计算平均值。在部分破坏时，如果要求部分破坏的值，则以字母P表示。完全不破坏时以NB表示，不报告数值。
（4）在同一样品中，如果有部分破坏和完全破坏或铰链破坏时，应报告每种破坏类型的算术平均值。
六、数据处理与记录
1．无缺口试样简支梁冲击强度α（kJ/m2）
α=A ×103 （11－4）b⋅d
式中 A－试样吸收的冲击能量，J；
记录为不破坏或NB；试样完全破坏或部分破坏的可以取值，计算平均冲击值，并记录部分破坏试样的破坏百分数。不同破坏类型的结果不能进行比较。
2．悬臂梁冲击实验
（1）按准备工作要求进行完试样测量和冲击试验机的检查之后，抬起并锁住摆锤，把试样放在虎钳中，按图11－3所示夹住试样（也称正置试样冲击）；测定缺口试样时，缺口应在摆锤冲击刃的一边。
图11－3 虎钳支座、缺口试样及冲刃位置图（单位mm）
1－虎钳固定夹具 2－试样 3－冲击刃 4－虎钳可动夹具
（2）释放摆锤，记录试样所吸收的冲击能，并对其摩擦损失等进行修正。
（3）试样可能会有四种破坏类型，完全破坏（试样断裂成两段或多段）、 铰链破坏（断裂的试样由没有刚性的很薄表皮连在一起的一种不完全破坏）、部分破坏（除铰链破坏以外的不完全破坏）、无破坏（指试样未破坏，只产生弯曲变形并有应力发白现象的产生）。测得的完全破坏和铰链破坏的值用以计算平均值。在部分破坏时，如果要求部分破坏的值，则以字母P表示。完全不破坏时以NB表示，不报告数值。
（4）在同一样品中，如果有部分破坏和完全破坏或铰链破坏时，应报告每种破坏类型的算术平均值。
六、数据处理与记录
1．无缺口试样简支梁冲击强度α（kJ/m2）
α=A ×103 （11－4）b⋅d
式中 A－试样吸收的冲击能量，J；
b－试样宽度，mm；
d－试样厚度，mm。
2．缺口试样简支梁冲击强度αk（kJ/m2）
αk=Ak×103 （11－5） b⋅dk
式中 Ak－缺口试样吸收的冲击能量，J；
b－试样宽度，mm；
dk－缺口试样缺口处剩余厚度，mm。
3．无缺口试样悬臂梁冲击强度αiu（kJ/m2）
αiu=Wiu×103 （11－6） b⋅h
式中 Wiu－破坏试样所吸收并经过修正后的能量，J；
b－试样宽度，mm；
h－试样厚度，mm。
4．缺口试样悬臂梁冲击强度αiN
αiN=WiN
bN⋅h×103 （11－4）
式中 W iN－破坏试样所吸收并经修正后的能量，J；
bN－试样缺口处剩余宽度，mm；
h－试样厚度，mm。
七、注意事项
1．摆锤举起后，人体各部分都不要伸到重锤下面及摆锤起始处，冲击实验时注意避免样条碎块伤人。
2．扳手柄时，用力适当，切忌过猛。