实验五 聚合物材料冲击强度的测定
一、实验目的
1. 了解高分子材料的冲击性能;
2. 理解摆锤式抗冲击强度试验机的原理;
3. 掌握冲击强度的测试方法;
二、实验原理
冲击强度是衡量材料韧性的一种强度指标,表征材料抵抗冲击载荷破坏的能力。通常定义为试样受冲击载荷而折断时单位面所吸收的能量。
式中,为冲击强度;单位为J/cm2;A为冲断试样所消耗的功;b为试样宽度;h为试样厚度。冲击强度的测试方法很多,应用较广的有以下三种:
(1)摆锤式冲击试验;
(2)落球法冲击试验;
(3)高速拉伸试验。
本实验采用摆锤式冲击试验法。摆锤冲击试验,是将标准试样放在冲击机规定的位置上,然后让重锤自由落下冲击试样,测量摆锤冲断试样所消耗的功,根据上述公式计算试样的冲击强度。摆锤冲击试验机的基本构造有3部分:机架部分、摆锤冲击部分和指示系统部分。根据试样的按放方式,摆锤式冲击试验又分为简支梁型(Charpy法)和悬臂梁型。前者试样两端固定,摆锤冲击试样的中部;后者试样一端固定,摆锤冲击自由端。如图1所示。
图1 摆锤冲击试验中试样的安放方式
试样可采用带缺口和无缺口两种。采用带缺口试样的目的是使缺口处试样的截面积大为减小,受冲击时,试样断裂一定发生在这一薄弱处,所有的冲击能量都能在这局部的地方被吸收,从而提高试验的准确性。
测定时的温度对冲击强度有很大影响。温度越高,分子链运动的松弛过程进行越快,冲击强度越高。相反,当温度低于脆化温度时,几乎所有的塑料都会失去抗冲击的能力。当然,结构不同的各种聚合物,其冲击强度对温度的依赖性也各不相同。湿度对有些塑料的冲击强度也有很大影响。如尼龙类塑料,特别是尼龙6、尼龙66等在湿度较大时,其冲击强度更主要表现为韧性的大大增加,在绝干状态下几乎完全丧失冲击韧性。这是因为水分在尼龙中起着增塑剂和润滑剂的作用。
试样尺寸和缺口的大小和形状对测试结果也有影响。用同—种配方,同一种成型条件而厚度不同的塑料作冲击试验时,会发现不同厚度的试样在同一跨度上作冲击试验,以及相同厚度在不同跨度上试验,其所得的冲击强度均不相同,且都不能进行比较和换算。而只有用相同厚度的试样在同一跨度上试验,其结果才能相互比较,因此在标准试验方法中规定了材料的厚度和跨度。缺口半径越小,即缺口越尖锐,则应力越易集中,冲击强度就越低。因此,同一种试样,加工的缺口尺寸和形状不同,所测得冲击强度数据也不——样。这在比较强度数据时应该注意。
三、实验仪器和材料
1、试验机
试验机为摆锤式(悬臂梁),并由摆锤、试样支座、能量指示机构和机体等主要构件组成。能指示试样破坏过程中所吸收的冲击能量。
2、摆体
摆体是试验机的核心部分,它包括旋转轴、摆杆、摆锤和冲击刀刃等部件。
旋转轴心到摆锤打击中心的距离与旋转轴心至试样中心距离应一致。两者之差不应超过后者的±1%。冲击刀刃规定夹角为30士1º。端部圆弧半径为2.0士0.5 mm。摆锤下摆时,刀刃通过两支座问的中央偏差不得超过士0.2 mm,刀刃应与试样的冲击面接触。接触线应与试样长轴线相垂直,偏差不超过士2º。
3、试样支座
为两块安装牢固的支撑块,能使试样成水平,其偏差在1/20以内。在冲击瞬间应能使试样打击面平行于摆锤冲击刀刃,其偏差在1/200以内。支撑刃前角为5º,后角为10士1º,端部圆弧半径为1mm。
4、能量指示机构
能量指示机构包括指示度盘和指针。应对能量度盘的摩擦、风阻损失和示值误差做准确的校正。
5、机体
机体为刚性良好的金属框架,并牢固地固定在质量至少为所用最重摆锤质量40倍的基础上。本试验采用带缺口试样。试样表面应平整、无气泡、裂纹、分层和明显杂质。试样缺口处应无毛刺。
6. 冲击能量及摆锤力矩
四、实验步骤
1 试样制备
(1)将样条裁成1.0 - 1.5cm宽,并打磨光滑,使无毛刺、裂痕。
(2)测量试样中部的宽度和厚度,准确至0.05mm。
(3)在缺口试样机上将试样中部切出缺口,缺口深度3mm。
2 根据试样破坏时所需的能量选择摆锤,使消耗的能量在摆锤总能量的10—85%范围内。(注::若符合这一能量范围的不只一个摆锤时,应该用最大能量的摆锤。)
摆锤的安装:首先卸下摆锤上连接套上的螺钉及上连接套,再将摆锤用上连接套及其上的螺钉牢固地固定在主轴上。装卸连接套时,要保持上下部分方向一致。
3 转动衬盘使表盘外圈处于铅垂位置的小孔内出现所选摆锤的能量值。
4 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。进行空击试验,保证总摩擦损失不超过相应的数值。
5抬起并锁住摆锤,把试样按规定放置在两支撑块上,试样支撑面紧贴在支撑块上,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。
6 平稳释放摆锤,从度盘上读取试样吸收的冲击能量。
7 试样无破坏的冲击值应不作取值。试样完全破坏或部分破坏的可以取值。
8 如果同种材料可以观察到一种以上的破坏类型,须在报告中标明每种破坏类型的平均冲击值和试样破坏的百分数。不同破坏类型的结果不能进行比较。
五、实验结果及数据处理
1. 计算冲击强度:
无缺口冲击强度 (KJ/cm2)
缺口冲击强度 (KJ/cm2)
式中:
A — 缺口试样吸收的冲击能量,J;
b — 试样宽度,mm;
h — 试样厚度,mm;
a — 缺口深度,mm。
2. 当用户选择小能量的摆锤(悬臂梁5.5J)以下试验时,由于摆锤能量较小,试验中由于空气阻力、摩擦阻力等不可消除阻力的影响不能忽略不计,因此应对试验结果进行修正。修正方法如下:
冲击后将表盘上被动指针所指的值代入下式进行计算,计算结果即为试样所吸收能量的真实值。
A:试样吸收的能量
M:摆锤力矩
: 摆锤预扬角
:空击后的升角
:试样断裂后摆锤的升角
六、注意事项
1 试验过程中注意安全。在做空击和冲击试验过程中,其他人应远离冲击试验机。
2 试样冲断后应及时捡回并观察断裂情况是否符合要求。
3 试样无破坏的冲击值应不作取值。试样完全破坏或部分破坏的可以取值。
七、思考题
1 影响高分子材料冲击强度测试值的因素有哪些?
2 高分子材料冲击强度测试方法有哪些,各有什么不同?
第二篇:材料冲击实验
材料冲击实验
一、实验目的
1、观察分析低碳钢材料在常温冲击下的破坏情况和断口形貌。
2、测定低碳钢材料的冲击韧度ak值。
3、了解冲击试验方法。
二、实验设备
1、液晶全自动金属摆锤冲击试验机。
2、游标卡尺。
三、实验材料
本实验采用GB/T 229¾1994标准规定的10mm´10mm´55mm U形缺口或V形缺口试件。
四、实验步骤及注意事项
1、测量试件缺口处尺寸,测三次,取平均值,计算出横截面面积。
2、检查回零误差和能量损失:正式试验开始前在支座上不放试件的情况下“空打”一次:
(1)取摆:按“取摆”键,摆锤逆时针转动;
(2)退销:按“退销”键,保险销退销;
(3)冲击:按“冲击”键,挂/脱摆机构动作,摆锤靠自重绕轴开始进行冲击;
(4)放摆:按“放摆”键,保险销自动退销,当摆锤转至接近垂直位置时便自动停摆;
(5)清零:按“清零”键,使摆锤角度值复位为零。注意:必须在摆锤处于垂直静止状态时方可执行此动作。
第一次“空打”后显示屏上显示的空打冲击吸收功N1即为回零误差,此值经校正后应不大于此摆锤标称能量值的0.1%。
继续“空打”五次,记下第六次空打冲击吸收功N6,则摆锤在摆动中由于空气和摩擦阻力造成的能量损失为:
此值应不大于此摆锤标称能量值的0.5%。
3、正式试验:按“取摆”键,摆锤逆时针转动上扬,触动限位开关后由挂摆机构挂住,保险销弹出,此时可在支座上放置试件(注意试件缺口对中并位于受拉边)。然后顺序执行以上 “取摆”、“退销”、“冲击”、“放摆”动作。显示屏上将显示该试件的冲击吸收功和相应的冲击韧度。
4、摆锤抬起后,严禁在摆锤摆动范围内站立、行走和放置障碍物。
五、实验数据记录及结果处理