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簡支梁沖擊性能的測定檢測

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發(fā)布時間：2025-07-23 20:19:52 更新時間：2025-07-22 20:19:53

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測中心

簡支梁沖擊性能的測定檢測

在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域，尤其對于塑料、復(fù)合材料及部分金屬材料而言，評估其抵抗突然施加的沖擊載荷的能力至關(guān)重要。簡支梁沖擊試驗（Charpy Impact Test - Type of Support: Simply Supported）是測定材料韌性或脆性的經(jīng)典方法之一。該試驗通過測量標(biāo)準(zhǔn)試樣在特定條件下被擺錘一次性沖擊斷裂時所吸收的能量，來表征材料的抗沖擊性能。這項性能指標(biāo)直接關(guān)系到材料在實際應(yīng)用中的安全性、可靠性及服役壽命，尤其在汽車零部件、建筑結(jié)構(gòu)件、電子電器外殼、運動器材等易受沖擊或跌落風(fēng)險的領(lǐng)域具有極其重要的參考價值。簡支梁沖擊試驗因其試樣制備相對簡單、操作便捷、結(jié)果直觀可比性高而被廣泛采用。

一、檢測項目

簡支梁沖擊試驗的核心檢測項目是測量并計算出試樣斷裂時所吸收的沖擊能量。具體而言，主要關(guān)注以下性能參數(shù)：

1. 沖擊強度 (Impact Strength)：這是最主要的測試結(jié)果。它通常以單位斷裂面積所吸收的能量來表示（單位為kJ/m2或J/m）。對于無缺口試樣，計算時使用試樣原始的橫截面積；對于缺口試樣，則使用缺口處的剩余橫截面積。沖擊強度是衡量材料韌性最直接的指標(biāo)。

2. 斷裂能量 (Fracture Energy)：指擺錘沖斷試樣過程中損失的總能量（單位為焦耳J），該數(shù)值由沖擊試驗機直接讀取或計算得出。它反映了試樣從開始受力到完全斷裂過程中消耗的總功。

3. 試樣破壞模式：試驗后需觀察并記錄試樣的斷裂形態(tài)（通常分為完全韌性斷裂、完全脆性斷裂或混合型斷裂），這對于深入理解材料性能和失效機理具有重要輔助意義。

二、檢測儀器

進行簡支梁沖擊試驗的核心設(shè)備是擺錘式?jīng)_擊試驗機，其主要組成部分包括：

1. 機架與底座：提供穩(wěn)固的支撐，確保試驗過程中設(shè)備的穩(wěn)定性和精度。

2. 擺錘系統(tǒng)：包含質(zhì)量可調(diào)的擺錘體、提升/釋放機構(gòu)以及測量擺錘初始勢能的裝置。擺錘的沖擊刃具有規(guī)定的半徑和角度。

3. 簡支梁試樣支座：這是區(qū)別于懸臂梁（Izod）試驗的關(guān)鍵部件。該支座有兩個平行的水平支撐刀口，用于放置試樣，試樣橫跨在兩支撐刀口上呈簡支梁狀態(tài)。支座間距（跨度）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（通常為40mm或62mm）精確設(shè)定。

4. 能量指示系統(tǒng)：通常是指針式刻度盤或電子顯示系統(tǒng)（后者精度更高），用于直接讀取或計算擺錘沖斷試樣后剩余的能量（或直接顯示沖擊吸收能）。高精度試驗機還配備自動能量修正和結(jié)果計算軟件。

5. 防護裝置：包括防止斷裂試樣飛濺的防護罩和保障操作人員安全的聯(lián)鎖裝置。

三、檢測方法

簡支梁沖擊試驗的操作遵循嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化流程：

1. 試樣制備：嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如ISO, ASTM, GB等）規(guī)定的尺寸（通常為長80mm, 寬10mm, 厚4mm）和公差要求制備試樣。根據(jù)測試需求，試樣可分為無缺口和帶缺口（常用V型或U型缺口）兩種類型。試樣需無氣泡、裂紋、劃痕等明顯缺陷，并經(jīng)過狀態(tài)調(diào)節(jié)（溫濕度控制）。

2. 測量試樣尺寸：精確測量試樣的寬度和厚度（無缺口試樣）或缺口處的剩余寬度（帶缺口試樣），用于后續(xù)沖擊強度計算。

3. 安裝試樣：將試樣平穩(wěn)地放置在試驗機的簡支梁支座上，確保其長軸方向與支撐刀口垂直，缺口（若有）背向沖擊刃。試樣必須與兩支撐刀口接觸良好，無翹曲。

4. 選擇與設(shè)置擺錘：根據(jù)預(yù)估的沖擊能量，選擇量程合適的擺錘（通常要求試樣吸收能量在擺錘標(biāo)稱能量的10%-80%之間）。將擺錘抬升至規(guī)定的高度（角度），鎖定。

5. 執(zhí)行沖擊：釋放擺錘，使其自由落下沖擊試樣中部（無缺口）或缺口背面（帶缺口）。

6. 讀取與記錄：擺錘沖斷試樣后，其剩余能量（或角度）被能量指示系統(tǒng)顯示出來。試驗機自動計算或人工計算沖擊吸收能（E = 初始勢能 - 剩余勢能/能量）。

7. 結(jié)果計算：計算沖擊強度 a_c (kJ/m2) = E / (b * d) * 103 (無缺口試樣)，或 a_cN (kJ/m2) = E / (b_N * d) * 103 (缺口試樣)。其中 E 為沖擊吸收能(J)， b/b_N 為試樣寬度/缺口處剩余寬度(mm)， d 為試樣厚度(mm)。

8. 觀察破壞形態(tài)：記錄試樣的斷裂模式。

9. 重復(fù)試驗：每組材料通常需要測試至少5個有效試樣，結(jié)果取平均值。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)

簡支梁沖擊試驗的操作方法、試樣規(guī)格、結(jié)果表述等均有嚴(yán)格的國家或國際標(biāo)準(zhǔn)進行規(guī)范，確保測試結(jié)果的可靠性和可比性。常用標(biāo)準(zhǔn)包括：

1. 國際標(biāo)準(zhǔn)： * `ISO 179-1: 塑料 - 簡支梁沖擊性能的測定 - 第1部分：非儀器化沖擊試驗`：這是最廣泛使用的國際標(biāo)準(zhǔn)，詳細規(guī)定了不同類型試樣（1eA, 1eB）的尺寸、試驗步驟和計算方法。 * `ISO 179-2: 塑料 - 簡支梁沖擊性能的測定 - 第2部分：儀器化沖擊試驗`：適用于使用儀器化沖擊試驗機獲取更多信息（如力-位移曲線）的情況。

2. 美國材料與試驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)： * `ASTM D6110: 塑料材料缺口簡支梁沖擊強度的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法`：這是美國常用的標(biāo)準(zhǔn)，側(cè)重于缺口試樣的測試。

3. 中國國家標(biāo)準(zhǔn)： * `GB/T 1043.1: 塑料簡支梁沖擊性能的測定第1部分：非儀器化沖擊試驗`：等效采用ISO 179-1。 * `GB/T 1043.2: 塑料簡支梁沖擊性能的測定第2部分：儀器化沖擊試驗`：等效采用ISO 179-2。

其他注意事項：標(biāo)準(zhǔn)中還對環(huán)境溫濕度、試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)時間、擺錘沖擊速度、支座跨距、缺口類型和精度、試驗機校準(zhǔn)等做出了明確規(guī)定。測試時必須嚴(yán)格遵守所選用標(biāo)準(zhǔn)的全部要求。