浅析塑料悬臂梁冲击强度标准ASTM D256-2010E1

关键词：悬臂梁摆锤；冲击强度；缺口试样

冲击强度常用来评价材料抵抗冲击的能力或判断材料的脆性或韧性程度，它是塑料材料在工程应用中的一项重要的性能指标，它反映不同材料抵抗高速冲击而致破坏的能力。在测定塑料的冲击强度时，常用到的测试方法有悬臂梁冲击方法和简支梁冲击方法，而这两种方法中又有缺口冲击和无缺口冲击两种类型。标准ASTM D256-2010E1主要是针对悬臂梁缺口冲击方法制定的标准，本文通过对该标准的解读，并将其与GB/T 1843-2008进行了比较，简要分析了两个标准之间的差异。

标准ASTM D256-2010E1中主要介绍了4种测试方法，即方法A、方法C、方法D以及方法E（方法B为简支梁冲击，已被移走并用新标准号重新出版）。方法A与方法C类似，其中方法C中增加了抛掷修正，适合IZOD冲击强度小于27 J/m的材料；方法D用于测量材料缺口灵敏度，缺口处的应力集中随半径的递减而增加；方法E是反向缺口冲击试验，用于指示塑料的无缺口冲击强度，然而用该方法所取得的测试结果与完全无缺口样品取得结果并非一致。以下便是对这几种测试方法的详细介绍。

方法A 悬臂梁试验

设备要求：

仪器相关参数及要求如图1。

图1 悬臂梁试验方法A和C的台钳、试样、冲击边的相互关系

注解：

1、冲击刃曲率半径0.80±0.20mm；

2、冲击刃与样品初次接触点距离台钳顶面22.0±0.05mm；

3、台钳固定夹具和活动夹具的上边缘的半径应为 0.25±0.12mm（0.010±0.005in）。

仪器应备有一个基础摆锤，摆锤能量应为2.7±0.14 J,该摆锤可用于所有吸收能量小于此摆锤能量的85%的试样。若需要更大的断裂能量，则需要更换更大能量的摆锤，通常，能量在2.7~21.7 J一系列摆锤足以适用于大多数塑料。摆夹持和释放机构的位置应在冲击端下落垂直高度为 610±2mm处，这会使冲击端在冲击时产生的速度约为 3.5m/s。

我们实验室采用的是PIT501B-2型摆锤冲击试验机，如图2所示。

图2 PIT501B-2型摆锤冲击试验机

该试验机有2.75 J、5.5 J和22 J三种能量的悬臂梁摆锤，适用于大多数的塑料试样。

试样要求：模制材料宽在 3.17~12.7mm（0.125~0.500in）的范围内。尺寸小于 12.7mm（0.500in）的所有试样都应在较短面开缺口。另外，所有压模试样都应在平行于模压施加方向的面上开缺口。宽度小于6.4mm的试样对夹持压力很敏感，研究表明该类试样吸收的能量偏大，因此推荐使用宽度6.4mm以上的样品。标准样条规格如图3所示。

图3 悬臂梁型试验试样的尺寸

A  10.16±0.05 mm

B  31.8±1.0 mm

C  63.5±2.0 mm

D  0.25R±0.05 mm

E  12.70±0.20 mm

注：缺口剩余宽度A应用千分尺或其他合适测量工具来测量（如图4所示的缺口深度微分尺）；样品厚度不得大于12.7mm。

图4 缺口深度微分尺的规格

样品状态调节：23±2℃，50±10%RH的条件下至少调节40h，并在该条件下进行测试。有争议时，应在23±1℃和50±5%RH下进行测试。

测试步骤：

1)准备至少5个样品，若要测多个方向，每个方向至少5个样品。

2)预估样品断裂所需能量，并选择一个合适能量的摆锤；使用既能使一组试验中的每个试样断裂，而能耗不超过其摆锤能量的 85%的最轻的标准摆。（太重的摆锤会减小读数的灵敏度）

3)测量试样的宽度和厚度，精确至0.025mm。

4)记录冲击时试样吸收的能量，并处以试样的横截面积（或宽度），得到冲击强度。

5)计算每组试样中相同断裂类型的平均值。

方法C 冲击能量小于 27J/m 材料的悬臂梁试验

其他步骤同方法A，但在操作步骤中增加了一步：将断裂试样的自由端重新放回夹持部分上，以相同的方法用摆锤作二次冲击，该方法测得的能量可认为是抛掷样品冲击端的能量，然后用原来得到的能量值减去该能量便可得到修正后试样断裂所吸收的能量，称为净悬臂梁冲击能量。用该能量值计算得到的冲击强度称为净悬臂梁冲击强度。当冲击能量大于27 J/m时，抛掷能量相对于断裂能量可忽略不计，可直接使用方法A进行测试。

方法D 缺口半径灵敏度试验

除以下几个方面，其他同方法A。

开缺口：

除了 10 个试样应开缺口半径为 0.25mm（0.010in），10 个试样应开缺口半径为1.0mm（0.040in）外，其余开缺口应按图 3中的规定进行。

步骤：

1)试验每种缺口半径的试样 10 个。

2)应计算每组的平均冲击强度，只是在每组内断裂类型须统一为 C、H、C 和 H，或 P。

3)如果缺口半径为 0.25mm(0.010in)的试样不被冲断，该试验是不适用的。

4)假如 10 个半径为 1.0mm（0.040in）缺口的任一试样不能归入 NB 类（非断裂），则在得不到另外数据的情况下，缺口灵敏度方法不能使用，应从同一样品上制得一套新的试样，缺口半径为 0.50mm（0.020in），重复上述步骤。

计算：

连接缺口半径为 0.25 和 1.0mm（0.010 和 0.04in）的断裂冲击能量成直线，假如适用的话，还有缺口半径为 0.50mm（0.020in）的，连线斜率计算如下：

b=（E₂－E₁）/（R₂－R₁）

式中

E₂ =较大缺口的平均冲击能量，J/m（缺口）；

E₁ =较少缺口的平均冲击能量, J/m（缺口）；

R₂ =大缺口半径，mm（in）；

R₁ =小缺口半径，mm（in）。

方法E 反向缺口悬臂梁试验

其他同方法A，只是夹持试样时要使冲锤冲击在缺口面的反面，这样缺口在冲击过程中受到的就是压力而不是拉伸应力。（如图5）

图5 悬臂梁试验方法E的台钳、试样、冲击边的相互关系

反向缺口试验采用的是标准的 0.25mm（0.010in）缺口试样，以提供无缺口冲击强度指标，反向缺口试验的应用避免了在试验前机加工无缺口样条至所需的 10.2±0.05mm（0.400±0.002in）深度的要求，且提供了标准缺口试验（试验方法 A、C）同样的试样安装的便利。值得注意的是，由反向缺口试验所得的结果不总是与机加工至 10.2mm（0.400in）厚度要求的无缺口样条所得的结果一致。

标准ASTM D256-2010E1同GB/T 1843-2008相比，差异主要体现在以下几个方面：

总的来说，这两个标准之间的差异较大，得到的结果不可比较，我们实际测试中，通常选用的方法仍然是GB/T 1843-2008 塑料 悬臂梁冲击强度的测定。

【参考文献】

[1]GB/T 1843-2008 塑料 悬臂梁冲击强度的测定

[2]ASTM D256-2010E1 Standard Test Methods for Determining the Izod Pendulum Impact Resistance of Plastics

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