高分子材料的冲击韧性
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外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得多，因此在 设计承受冲击载荷的零件和工具时，不仅要满足强度、塑性、硬度等性 能要求，还必须有足够的韧性。
韧性是指材料在破坏前吸收外加能量的能力。
冲击强度是量度材料在高速冲击下的韧性大小和抗断裂能 力的参数，是标准试样在冲击断裂时单位面积上所消耗的能 量，是一种广义的能量力，不是通常的断裂应力。材料抗冲 击性能与其冲击过程所消耗的能量有关，所消耗的能量越大， 韧性越好。
高分子材料抗冲击强度是指标准试样受高速冲击作用断 裂时，单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量。 它描述了高分子材料在高速冲击作用下抵抗冲击破坏的能 力和材料的抗冲击韧性，有重要工艺意义。但它不是材料 基本常数，其量值与实验方法和实验条件有关。
冲击强度的单位：J/m2
2. 冲击强度的测定方法
抗冲击强度 的测定方法
第5章 材料的冲击韧性
• 主要内容： 1.冲击强度与韧性的关系 2.冲击强度的测试方法 3.冲击强度的影响因素
1.韧性与冲击强度
冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度（幅度和频 率）
静拉伸试验 ε =10-5～10-2 s-1 冲击试验 ε =102～104 s-1 一般情况下 ε =10-4～10-2 s-1，可按静载荷处理。
高速拉伸试验 落锤式冲击试验 摆锤式冲击试验
悬臂梁式（Izod） 简支梁式（Charpy）
最通用的是悬臂梁（Izod）冲击试验和简支梁（Charpy）冲击试验（弯曲冲击）
悬臂梁冲击和简支梁冲击法
简单描述：都是用重锤
冲击条状试样，所用仪 器为摆锤冲击仪，不同 之处是试样的规格和安 装方法，悬臂梁冲击试 验是将试样垂直放置， 一端固定，重锤冲击另 一自由端；简支梁冲击 试验是将试样水平放置 在支架上，试样不需要 夹住，免受夹压振动影 响，然后用重锤冲击。
• 拉伸冲击仪的冲击装置构造如图所示，一定规格的哑铃形试 验夹于装置中，试样的厚度和宽度用测微计量度，以计算横 截面积，由摆锤以速度v猛冲，使模头与砧座撞击，试样断 裂所需的能量来自摆锤的动能，可以从仪器的标度盘读取。
• 在高速拉伸试验中，可以测量出高速拉伸 时的断裂强度与断裂伸长率，这样能够区 分断裂伸长率低而断裂强度大的材料和断 裂伸长率大而断裂强度低的材料。显然， 只有断裂伸长率大而断裂强度又高的材料， 才是韧性较好的材料。
高速拉伸冲击法
摆锤式冲击是横向冲击试验弯曲破坏，需要考虑切口敏感 性、飞出功和试样厚度的影响，而且弯曲形变时应力在试验中 的分布是不均匀的，难以从理论上分析探讨。由于应力在拉伸 试样中的分布是相对均匀的，拉伸应力－应变曲线下的面积和 材料断裂时消耗的能量成正比，只要拉伸速率足够高，曲线下 的面积和材料的冲击强度近似相等。所以高速冲击试验与摆锤 冲击试验相比是评价材料冲击强度最好的方法。
• 静拉伸试验下得到断裂韧性与冲击韧性的不同
拉伸断裂实验中，材料拉伸应力-应变曲线下的面积（下 图）相当于试样拉伸断裂所消耗的能量，也表征材料韧性 的大小。很显然，断裂强度高和断裂伸长率大的材料韧性 也好。
但这个能量与抗冲击强 度不同。不同在于，两种实 验的应变速率不同，拉伸实 验速率慢而冲击速率极快； 拉伸曲线求得的能量为断裂 时材料单位体积所吸收的能 量，而冲击实验只关心断裂 区表面吸收的能量。
测试基本原理：
把摆锤从垂直位置抬到扬角为a的位置，它便获得了一定的位能（Uh）. 若任其自由落下，则位能转化为动能将试样冲断，冲断试样消耗的能量为
Uf ，冲断试验后，摆锤即以剩余能量升到（升角为β）某一高度，此时的 位能为Uh′. 按照能量守恒关系可写出：
Uh＝Uf+ Uh′+Ua+Um+Ui （5-1）
式中，w为冲击锤重量；l为冲击锤摆长
Hale Waihona Puke Baidu
（5-2）
求出Uf值，再除以试样在冲断处的截面积，即是材料的冲击强度
存在的问题：
摆锤式冲击试验原是用来评价金属材料延展性的，借用来测试高分子材料的冲 击强度，存在不足。主要是冲击试验机的读数盘是按式（5-3）刻度的，从读数 盘上所读出的的冲断试样所消耗的能量，不仅包括使试样产生裂纹和裂纹扩展消 耗的能量以及使试样断裂产生永久变形的能量，而且还包括Ua、Um和Ui ，而这部 分能量与材料的韧性毫无关系，可有时竟占相当大的比例，尤其是飞出功，比如 PMMA标准试样的飞出功有时可达冲断试样消耗能量的50％左右。所以冲击强度 不是材料的基本性能参数，而是特定试验条件下的一个相对的韧性指标。只有在 标准试样相同，又是在相同试样条件下测得的冲击强度数据，才具有工程使用意 义上的可比性，才能用以判断高分子材料的脆－韧转变。
注 意：
• 材料的冲击性能常常受到温度、湿度、冲击速度、试样的几何形状以及应力 方式等的影响。因此冲击性能用于工程设计只能作为参考指标，因为冲击性 能只是表征该材料在试验方法规定条件下的冲击韧性，没有绝对的物理意义。
落重冲击法
为了克服飞出功的影响，可采用落重冲击法测试材料的冲击强度。该 方法的特点是把一个撞锤从已知高度自由落下，测出标准试样刚好形成 裂纹而不把试样完全打断时的能量。由于加速度计固定在撞锤上，可记 录加速度随时间的变化，冲击时撞锤的速度是v0=(2gh0)1/2,原来的位能 U0=mgh0已转变成动能，因此可以计算出撞锤的速度、位移、吸收的能 量和作用力随时间的变化，冲击时间一般为0.5～50ms，冲击完成时由试 样消耗的能量可计算冲击强度。落重冲击法由于装置比较复杂，只适用 于片材和薄膜类材料。
简支梁，横放
简支梁测试时必须将摆锤对准缺口背面的中心位置 悬臂梁测试时摆锤的冲击方向为有缺口的一面
为了增加试验的精确性，大都需要在试样上引入一中 心切口（U型或V型），在外力作用下，切口端部由于应 力集中而首先开裂，然后裂缝扩展至断裂。切口的深度及 其端部的曲率半径对测定结果都有较大影响，应按试验标 准规定执行。
式中，Ua是摆锤在a 和β角段内克服空气阻力消耗的能量；Um是冲击时设 备振动所吸收的能量；Ui是试样冲断后的飞出功，Ui＝0.5mv2
若 Ua、Um和Ui可忽略不计，则Uh＝Uf+ Uh′
已知 Uh＝wl (1-cosa), Uh′ ＝ wl (1-cosβ),
则
Uf＝ wl (cosβ-cosa) （5-3）
韧性是指材料在破坏前吸收外加能量的能力。
冲击强度是量度材料在高速冲击下的韧性大小和抗断裂能 力的参数，是标准试样在冲击断裂时单位面积上所消耗的能 量，是一种广义的能量力，不是通常的断裂应力。材料抗冲 击性能与其冲击过程所消耗的能量有关，所消耗的能量越大， 韧性越好。
高分子材料抗冲击强度是指标准试样受高速冲击作用断 裂时，单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量。 它描述了高分子材料在高速冲击作用下抵抗冲击破坏的能 力和材料的抗冲击韧性，有重要工艺意义。但它不是材料 基本常数，其量值与实验方法和实验条件有关。
冲击强度的单位：J/m2
2. 冲击强度的测定方法
抗冲击强度 的测定方法
第5章 材料的冲击韧性
• 主要内容： 1.冲击强度与韧性的关系 2.冲击强度的测试方法 3.冲击强度的影响因素
1.韧性与冲击强度
冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度（幅度和频 率）
静拉伸试验 ε =10-5～10-2 s-1 冲击试验 ε =102～104 s-1 一般情况下 ε =10-4～10-2 s-1，可按静载荷处理。
高速拉伸试验 落锤式冲击试验 摆锤式冲击试验
悬臂梁式（Izod） 简支梁式（Charpy）
最通用的是悬臂梁（Izod）冲击试验和简支梁（Charpy）冲击试验（弯曲冲击）
悬臂梁冲击和简支梁冲击法
简单描述：都是用重锤
冲击条状试样，所用仪 器为摆锤冲击仪，不同 之处是试样的规格和安 装方法，悬臂梁冲击试 验是将试样垂直放置， 一端固定，重锤冲击另 一自由端；简支梁冲击 试验是将试样水平放置 在支架上，试样不需要 夹住，免受夹压振动影 响，然后用重锤冲击。
• 拉伸冲击仪的冲击装置构造如图所示，一定规格的哑铃形试 验夹于装置中，试样的厚度和宽度用测微计量度，以计算横 截面积，由摆锤以速度v猛冲，使模头与砧座撞击，试样断 裂所需的能量来自摆锤的动能，可以从仪器的标度盘读取。
• 在高速拉伸试验中，可以测量出高速拉伸 时的断裂强度与断裂伸长率，这样能够区 分断裂伸长率低而断裂强度大的材料和断 裂伸长率大而断裂强度低的材料。显然， 只有断裂伸长率大而断裂强度又高的材料， 才是韧性较好的材料。
高速拉伸冲击法
摆锤式冲击是横向冲击试验弯曲破坏，需要考虑切口敏感 性、飞出功和试样厚度的影响，而且弯曲形变时应力在试验中 的分布是不均匀的，难以从理论上分析探讨。由于应力在拉伸 试样中的分布是相对均匀的，拉伸应力－应变曲线下的面积和 材料断裂时消耗的能量成正比，只要拉伸速率足够高，曲线下 的面积和材料的冲击强度近似相等。所以高速冲击试验与摆锤 冲击试验相比是评价材料冲击强度最好的方法。
• 静拉伸试验下得到断裂韧性与冲击韧性的不同
拉伸断裂实验中，材料拉伸应力-应变曲线下的面积（下 图）相当于试样拉伸断裂所消耗的能量，也表征材料韧性 的大小。很显然，断裂强度高和断裂伸长率大的材料韧性 也好。
但这个能量与抗冲击强 度不同。不同在于，两种实 验的应变速率不同，拉伸实 验速率慢而冲击速率极快； 拉伸曲线求得的能量为断裂 时材料单位体积所吸收的能 量，而冲击实验只关心断裂 区表面吸收的能量。
测试基本原理：
把摆锤从垂直位置抬到扬角为a的位置，它便获得了一定的位能（Uh）. 若任其自由落下，则位能转化为动能将试样冲断，冲断试样消耗的能量为
Uf ，冲断试验后，摆锤即以剩余能量升到（升角为β）某一高度，此时的 位能为Uh′. 按照能量守恒关系可写出：
Uh＝Uf+ Uh′+Ua+Um+Ui （5-1）
式中，w为冲击锤重量；l为冲击锤摆长
Hale Waihona Puke Baidu
（5-2）
求出Uf值，再除以试样在冲断处的截面积，即是材料的冲击强度
存在的问题：
摆锤式冲击试验原是用来评价金属材料延展性的，借用来测试高分子材料的冲 击强度，存在不足。主要是冲击试验机的读数盘是按式（5-3）刻度的，从读数 盘上所读出的的冲断试样所消耗的能量，不仅包括使试样产生裂纹和裂纹扩展消 耗的能量以及使试样断裂产生永久变形的能量，而且还包括Ua、Um和Ui ，而这部 分能量与材料的韧性毫无关系，可有时竟占相当大的比例，尤其是飞出功，比如 PMMA标准试样的飞出功有时可达冲断试样消耗能量的50％左右。所以冲击强度 不是材料的基本性能参数，而是特定试验条件下的一个相对的韧性指标。只有在 标准试样相同，又是在相同试样条件下测得的冲击强度数据，才具有工程使用意 义上的可比性，才能用以判断高分子材料的脆－韧转变。
注 意：
• 材料的冲击性能常常受到温度、湿度、冲击速度、试样的几何形状以及应力 方式等的影响。因此冲击性能用于工程设计只能作为参考指标，因为冲击性 能只是表征该材料在试验方法规定条件下的冲击韧性，没有绝对的物理意义。
落重冲击法
为了克服飞出功的影响，可采用落重冲击法测试材料的冲击强度。该 方法的特点是把一个撞锤从已知高度自由落下，测出标准试样刚好形成 裂纹而不把试样完全打断时的能量。由于加速度计固定在撞锤上，可记 录加速度随时间的变化，冲击时撞锤的速度是v0=(2gh0)1/2,原来的位能 U0=mgh0已转变成动能，因此可以计算出撞锤的速度、位移、吸收的能 量和作用力随时间的变化，冲击时间一般为0.5～50ms，冲击完成时由试 样消耗的能量可计算冲击强度。落重冲击法由于装置比较复杂，只适用 于片材和薄膜类材料。
简支梁，横放
简支梁测试时必须将摆锤对准缺口背面的中心位置 悬臂梁测试时摆锤的冲击方向为有缺口的一面
为了增加试验的精确性，大都需要在试样上引入一中 心切口（U型或V型），在外力作用下，切口端部由于应 力集中而首先开裂，然后裂缝扩展至断裂。切口的深度及 其端部的曲率半径对测定结果都有较大影响，应按试验标 准规定执行。
式中，Ua是摆锤在a 和β角段内克服空气阻力消耗的能量；Um是冲击时设 备振动所吸收的能量；Ui是试样冲断后的飞出功，Ui＝0.5mv2
若 Ua、Um和Ui可忽略不计，则Uh＝Uf+ Uh′
已知 Uh＝wl (1-cosa), Uh′ ＝ wl (1-cosβ),
则
Uf＝ wl (cosβ-cosa) （5-3）