前言

為了確保汽車行駛的安全性，在汽車開發(fā)過程中需認(rèn)真考察用于內(nèi)外飾生產(chǎn)的塑料材料的常溫和低溫韌性，以避免高分子內(nèi)外飾部件在碰撞過程中產(chǎn)生碎片，危及駕乘人員的安全。

汽車開發(fā)材料階段，企業(yè)很難去通過總成或整車爆破實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證自己的材料，而傳統(tǒng)的懸臂梁沖擊和簡(jiǎn)支梁沖擊，并不能很好的模擬汽車爆破時(shí)高速要求，多軸沖擊強(qiáng)度評(píng)價(jià)（Determination of puncture impact behaviour）是一種高速多軸沖擊模式，能模擬高速?zèng)_擊破壞形式，根據(jù)產(chǎn)品的功能要求選擇對(duì)應(yīng)的材料試驗(yàn)溫度，用高速行駛的落錘沖擊材料樣板，根據(jù)設(shè)備采集的曲線以及材料樣板的斷裂方式，來確定材料在此溫度和速度下的沖擊韌性。

01 多軸沖擊試驗(yàn)常用標(biāo)準(zhǔn)解讀

多軸沖擊測(cè)試常用標(biāo)準(zhǔn)為ISO 6603-1/2:2000和ASTM D3763-18，還有一些企標(biāo)如GM 9904P、TOYOTA TSM 5608G、FIAT 50424等，不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備硬件如沖擊頭尺寸、夾持環(huán)內(nèi)徑、樣品尺寸、沖擊速度等要求不同（如表1所示）。

表1 多軸沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求

02 多軸沖擊試驗(yàn)測(cè)試方法

多軸沖擊試驗(yàn)設(shè)備由一套多軸臺(tái)架，一個(gè)溫度控制箱以及一套電子采集系統(tǒng)組成。

多軸沖擊試驗(yàn)設(shè)備

其中，多軸臺(tái)架由固定支座和落錘組成，落錘重量可通過增加砝碼進(jìn)行調(diào)整，錘頭直徑可更換，有20mm和12.7mm兩種規(guī)格可供選擇。直徑20mm的錘頭適用于ISO 6603標(biāo)準(zhǔn)，直徑12.7mm的錘頭適用于ASTM D3763標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)測(cè)試材料吸收能量的情況來選擇落錘的總重量，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的速度衰減要求。溫度控制箱的溫度范圍在-40~70℃范圍內(nèi)，低溫時(shí)可用液氮進(jìn)行降溫。電子采集系統(tǒng)可全程連續(xù)采集落錘將材料樣板擊穿過程中的時(shí)間、力值、位移和能量等數(shù)據(jù)，最終得出時(shí)間-位移-能量曲線，結(jié)合樣件的斷裂面形態(tài)確定材料的斷裂方式。

03 多軸沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析方法

測(cè)試結(jié)束后，對(duì)材料樣板沖擊韌性的評(píng)價(jià)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行，其一是從樣件刺穿過程力值變化和能量吸收情況；其二是直觀地根據(jù)樣件的斷裂面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 時(shí)間-載荷-能量曲線

如圖1所示為多軸沖擊結(jié)果曲線圖，圖中FM：最大力；LM：最大力時(shí)的撓度；EM：最大力時(shí)的吸收能量；LP：刺穿撓度；EP：刺穿吸收能量。

圖1 多軸沖擊試驗(yàn)結(jié)果曲線

時(shí)間-載荷-能量雙縱軸曲線，時(shí)間-載荷曲線中的最高點(diǎn)為樣板被擊穿過程中的最大載荷，其對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)在時(shí)間-能量曲線中的能量為最大載荷時(shí)樣板所吸收的能量。時(shí)間-能量曲線的最高點(diǎn)表示樣板被擊穿前后所吸收的總能量。一般情況下，最大載荷時(shí)吸收的能量越高，代表材料受到?jīng)_擊時(shí)吸能效果越好，但還需結(jié)合樣件的斷裂面形態(tài)才能確定材料的斷裂方式。

3.2 斷裂面形態(tài)

材料的斷裂形式常分韌性和脆性斷裂兩種形態(tài)，ASTM D3763明確定義韌性：樣品破壞前有塑性變形，且裂紋未擴(kuò)展至沖擊中心點(diǎn)10mm外；脆性：樣品測(cè)試區(qū)域破壞成兩片或多片，邊緣鋒利，幾乎無塑性流動(dòng)。而ISO 6603-2并沒有明確韌性與脆性的嚴(yán)格區(qū)分，而是定義為YD、YS、YU、NY，其中，YD：屈服（最大力值時(shí)零斜率）后深拉開裂；YS：屈服（最大力值時(shí)零斜率）后裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展；YU：屈服（最大力值時(shí)零斜率）后裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展；NY：不屈服。

圖2 根據(jù)4種斷裂方式，對(duì)11種斷裂面進(jìn)行了歸類

圖3 多軸沖擊試驗(yàn)樣件斷面圖

因此ASTM標(biāo)準(zhǔn)僅根據(jù)樣件斷面情況進(jìn)行破壞形式判定，而ISO標(biāo)準(zhǔn)需將曲線與斷面情況相結(jié)合進(jìn)行判定。

04 多軸沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用案例

4.1 汽車外殼噴漆韌性評(píng)估

塑料常被用于汽車內(nèi)飾件或外飾件，為了增加客戶對(duì)美觀、感官的體驗(yàn)，常會(huì)進(jìn)行噴漆，但是大量試驗(yàn)證明，美化噴漆會(huì)致使材料多軸沖擊性能大大降低，材料在未噴漆時(shí)是韌性，但是噴漆后表現(xiàn)出脆性，且吸收的能量也會(huì)急劇衰減。

如對(duì)某PC/ABS材料進(jìn)行噴漆和未噴漆樣板進(jìn)行多軸沖擊測(cè)試（如圖4所示），未噴漆樣板吸收能量大，呈韌性破壞，而噴漆后的樣板吸收能量銳減至10%以內(nèi)，且呈脆性破壞。并且出現(xiàn)這種情況的概率達(dá)到了至少80%以上。

圖4 未噴漆和噴漆樣件多軸沖擊試驗(yàn)結(jié)果

極少數(shù)表現(xiàn)相對(duì)較好的美化噴漆，可使得噴漆前后破壞形式一致，但是吸收能量適當(dāng)銳減（如圖5所示）。噴漆和未噴漆樣件，都為韌性破壞，但是噴漆后吸收能量衰減了50%。也有極少數(shù)情況會(huì)出現(xiàn)噴漆與未噴漆結(jié)果差異較小，此時(shí)選取的油漆類型及工藝都是非常成功的。

圖5 未噴漆和噴漆樣件多軸沖擊試驗(yàn)結(jié)果

大多數(shù)情況下，油漆類型選取不當(dāng)，噴漆工藝不適宜，會(huì)破壞聚合物分子鏈結(jié)構(gòu)，致使聚合物發(fā)生不可逆性破壞，在沖擊時(shí)表現(xiàn)出脆性效果。因此沒有經(jīng)過試驗(yàn)研究，將油漆選型、噴漆工藝與多軸沖擊測(cè)試相結(jié)合，噴漆后的高分子材料極大可能都遭到了破壞，性能大大衰減，在直接投入使用后對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全是一種威脅。

4.2 汽車內(nèi)飾做美化皮紋韌性評(píng)估

塑料常被用于汽車內(nèi)飾件或外飾件，為了增加客戶對(duì)美觀、感官的體驗(yàn)，常會(huì)在塑料表面做皮紋，但是大量試驗(yàn)證明，美化皮紋會(huì)致使材料多軸沖擊性能有所降低，且出現(xiàn)脆性破壞的概率會(huì)大大增加。

如某PP材料進(jìn)行多軸沖擊測(cè)試，對(duì)光滑無皮紋面進(jìn)行多軸沖擊（如圖6所示），刺穿吸收能量為47J，韌性破壞占比60%，而對(duì)皮紋面進(jìn)行多軸沖擊時(shí)，刺穿吸收能量為23J，全部為脆性破壞。皮紋的出現(xiàn)，對(duì)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展提供了有利的幫助，因此在能量吸收方面會(huì)出現(xiàn)明顯降低，在韌性上表現(xiàn)較差。

圖6 皮紋件多軸沖擊試驗(yàn)結(jié)果

05多軸沖擊試驗(yàn)其他應(yīng)用

此外，多軸沖擊測(cè)試也常用于碰撞類CAE分析，用于模擬碰撞對(duì)標(biāo)試驗(yàn)，可大大提升數(shù)據(jù)精度和仿真可信度。