实验讲义冲击强度测定东华大学材料学院
实验讲义 冲击强度测定 东华大学材料学院
冲击实验是用来衡量复合材料在经受高速冲击状态下的韧性或对断裂的抵抗能力的试验方法。对于研究各向异性复合材料在经受冲击时的力学行为具有一定的实际意义。冲击实验的方法很多，一般冲击实验可分为以下三种：摆锤式（包括简支梁型和悬臂梁型的标准冲击实验）、落球式和高速拉伸冲击实验等。简支梁型冲击试验是摆锤打击简支梁试样的中央，悬臂梁法则是用摆锤打击有缺口的悬臂梁试样的自由端。摆锤式冲击试验试样破坏所需的能量实际上无法测定，试样所测得的除了产生裂缝所需的能量及使裂缝扩展到整个试样所需的能量外，还要加上使材料永久变形的能量和把断裂的试样碎片抛出去的能量。把断裂试样碎片抛出去的能量与材料的韧性完全无关，但它却占据了所测总能量中一部分。实验证明，对同一跨度的实验，试样越厚消耗在碎片抛出的的能量越大。所以不同尺寸试样的实验结果不好相互比较。但由于摆锤式实验方法简单方便所以在材料质量控制、筛选等方面使用较多。本实验为摆锤式悬臂梁型的标准冲击实验，一、实验目的1、了解XJJUD-50Q多功能组合冲击试验机的使用方法2、掌握用摆锤式冲击试验测定冲击韧性的原理3、测定复合材料的冲击强度，了解其对制品使用的重要性二、实验仪器和设备XJJUD-50Q多功能组合冲击试验机万能制样机三、试验原理摆锤式冲击实验是将具有规定形状和尺寸的试样固定在冲击仪的试样支座上，使之处于悬臂梁状态，然后使规定高度的摆锤下落，产生冲击载荷将试样冲断。实质上就是通过能量转换过程，测定试样在这种冲击载荷作用下冲断时所吸收的功。设摆锤的重力为F（N），摆锤旋转轴线到摆锤重心的距离为L（m），若设其抬起的高度为H（m），则此时摆锤所具有的能量为Eo=FH=FL（1-cosα）若摆锤下落冲断试样后摆锤的高度变为h，则摆锤剩余能量为
冲击实验是用来衡量复合材料在经受高速冲击状态下的韧性或对断裂的抵 抗能力的试验方法。对于研究各向异性复合材料在经受冲击时的力学行为具有一 定的实际意义。 冲击实验的方法很多，一般冲击实验可分为以下三种：摆锤式（包括简支梁 型和悬臂梁型的标准冲击实验）、落球式和高速拉伸冲击实验等。 简支梁型冲击试验是摆锤打击简支梁试样的中央，悬臂梁法则是用摆锤打击 有缺口的悬臂梁试样的自由端。摆锤式冲击试验试样破坏所需的能量实际上无法 测定，试样所测得的除了产生裂缝所需的能量及使裂缝扩展到整个试样所需的能 量外，还要加上使材料永久变形的能量和把断裂的试样碎片抛出去的能量。把断 裂试样碎片抛出去的能量与材料的韧性完全无关，但它却占据了所测总能量中一 部分。实验证明，对同一跨度的实验，试样越厚消耗在碎片抛出的的能量越大。 所以不同尺寸试样的实验结果不好相互比较。但由于摆锤式实验方法简单方便， 所以在材料质量控制、筛选等方面使用较多。 本实验为摆锤式悬臂梁型的标准冲击实验。 一、实验目的 1、了解 XJJUD-50Q 多功能组合冲击试验机的使用方法 2、掌握用摆锤式冲击试验测定冲击韧性的原理 3、测定复合材料的冲击强度，了解其对制品使用的重要性 二、实验仪器和设备 XJJUD-50Q 多功能组合冲击试验机 万能制样机 三、试验原理 摆锤式冲击实验是将具有规定形状和尺寸的试样固定在冲击仪的试样支座 上，使之处于悬臂梁状态，然后使规定高度的摆锤下落，产生冲击载荷将试样冲 断。实质上就是通过能量转换过程，测定试样在这种冲击载荷作用下冲断时所吸 收的功。设摆锤的重力为 F（N），摆锤旋转轴线到摆锤重心的距离为 L（m），若 设其抬起的高度为 H（m），则此时摆锤所具有的能量为： E0＝FH＝FL（1－cos） 若摆锤下落冲断试样后摆锤的高度变为 h，则摆锤剩余能量为
E=Fh=FL（1-cosβ）这两部分能量之差，即为试样在冲击载荷作用下冲断所吸收的的功Ak。Ak=FH-Fh=FL（cos—cosα）其中，Ak的单位为Nm，通常用J表示。式中，α和β分别是试样冲断前后摆锤扬起的最大角度。若α为固定值（本实验中α为150°），则试样的冲击吸收功Ak就决定于摆锤冲断试样后扬起的角度β。冲击韧性按下式计算：αk=Ak/BH式中：αk一冲击韧性，J/cm2Ak一试样冲断所吸收的功，JB一试样缺口处剩余宽度，cmH一试样厚度，cmαk值作为材料的冲击韧性指标，不仅与材料的性质有关，试样的形状、尺寸、缺口形式等都会对其产生很大的影响，因此αk只是材料抗冲击断裂的一个参考性指标，只能在规定条件下进行相对比较，而不能代换到具体零件上进行定量计算。四、试样准备本实验中冲击试样为玻璃纤维增强塑料层压板，试样为矩形杆，并在表面开有缺口。开缺口的目的是为了使试样在承受冲击时在缺口附近产生应力集中，保证试样一次就被冲断且使断裂发生在缺口处。根据材料对缺口的敏感程度，缺口的形状有V型缺口和U型缺口。考虑到一般冲击实验的结果分散性很大，冲击试样每组至少准备5个。注意，同种材料用不同缺口试样测定的αk值不能相互换算和直接比较。本实验所选试样为悬臂梁冲击试样类型3
E＝Fh＝FL（1－cos） 这两部分能量之差，即为试样在冲击载荷作用下冲断所吸收的的功 Ak。 Ak＝FH－Fh＝FL（cos－cos） 其中，Ak 的单位为 Nm，通常用 J 表示。 式中，和分别是试样冲断前后摆锤扬起的最大角度。若为固定值（本实 验中为 150），则试样的冲击吸收功 Ak就决定于摆锤冲断试样后扬起的角度。 冲击韧性按下式计算： k＝Ak/BH 式中：k－冲击韧性，J/cm2 Ak－试样冲断所吸收的功，J B－试样缺口处剩余宽度，cm H－试样厚度，cm k值作为材料的冲击韧性指标，不仅与材料的性质有关，试样的形状、尺寸、 缺口形式等都会对其产生很大的影响，因此k 只是材料抗冲击断裂的一个参考 性指标，只能在规定条件下进行相对比较，而不能代换到具体零件上进行定量计 算。 四、试样准备 本实验中冲击试样为玻璃纤维增强塑料层压板，试样为矩形杆，并在表面开 有缺口。开缺口的目的是为了使试样在承受冲击时在缺口附近产生应力集中，保 证试样一次就被冲断且使断裂发生在缺口处。根据材料对缺口的敏感程度，缺口 的形状有 V 型缺口和 U 型缺口。考虑到一般冲击实验的结果分散性很大，冲击 试样每组至少准备 5 个。注意，同种材料用不同缺口试样测定的k 值不能相互换 算和直接比较。 本实验所选试样为悬臂梁冲击试样类型 3
22.5±0.5°T-?LH图1冲击试样示意图表1悬臂梁冲击试样类型表单位：mm试样类型长度 (L)宽度（B）厚度（H)163.5±210±0.24±0.2263.5±212.7±0.212.7±0.5363.5±212.7±0.26.4±0.3463.5±212.7±0.23.2±0.2单位：mm表22简支梁冲击试样类型表试样类型长度(L)宽度(B)厚度（H)支座跨度(b)180±210±0.54±0.26024050±16±0.54±0.2370120±215±0.510±0.5495125±213±0.513±0.5五、实验步骤1、试样前的准备（1）首先将被测试的试样制成标准试样（见试样类型表），根据试样类型选择相应的固定钳口。（2）根据试样的冲击韧性，选择适当动能的冲击摆，正确的安装在摆轴上。（3）检查试验机的水平是否正确。2、冲击摆及试样支座的选择与安装
22.50.5 L B H 图 1 冲击试样示意图 表 1 悬臂梁冲击试样类型表 单位：mm 试样类型 长度（L） 宽度（B） 厚度（H） 1 63.5±2 10±0.2 4±0.2 2 63.5±2 12.7±0.2 12.7±0.5 3 63.5±2 12.7±0.2 6.4±0.3 4 63.5±2 12.7±0.2 3.2±0.2 表 2 简支梁冲击试样类型表 单位：mm 试样类型 长度（L） 宽度（B） 厚度（H） 支座跨度 （b） 1 80±2 10±0.5 4±0.2 60 2 50±1 6±0.5 4±0.2 40 3 120±2 15±0.5 10±0.5 70 4 125±2 13±0.5 13±0.5 95 五、实验步骤 1、试样前的准备 （1）首先将被测试的试样制成标准试样(见试样类型表)，根据试样类型选择相应 的固定钳口。 （2）根据试样的冲击韧性，选择适当动能的冲击摆，正确的安装在摆轴上。 （3）检查试验机的水平是否正确。 2、冲击摆及试样支座的选择与安装
（1）冲击锤的选择：试样断裂所吸收能量在冲击摆总能量的10%90%以内。在试样前不知道试样强度的条件下，应选择最大冲击能量的冲击摆冲击，得出实验数值后，再根据以上原则选择冲击摆。（2）更换或安装冲击摆时，先将冲击摆上连接套的紧固螺钉松开，取下冲击摆将其全部零件放入附件箱中。再将所选的冲击摆的上连接套内的定位轴插入摆轴上的定位孔，然后盖上压盖，并使其与上连接套对齐，同时锁紧上连接套上的的紧固螺钉，摆锤的安装到此就完成了。（3）悬臂梁钳口调整方法：根据试样类型选择固定钳口，紧固在钳口座上，将钳口座平放入机体上的燕尾槽中靠实，用扳手紧固燕尾即将钳口支座与机体禁固在一起3、试样的放置：首先用六角扳手松开钳口，将试样插入钳口中，使用悬臂梁试样对中样板将试样对中后，加紧试样，应保证每次装夹试样时试样所受的夹持力相同，确保试验结果不因试样夹持力的不同而不同。4、试验过程中的操作方法（1）冲击试验机做好上述工作后，就可以进行试验。首先接通220V的电源，打开电源开关，预热5分钟（也可在打开电源后预热5分钟的期间做上述准备工作）（2）当打开电源后显示器显示“考思科学检测有限公司标志，然后进入主界面：a.按下FO后进入测试摆锤角度界面。主要用于测试摆锤仰角。将摆锤铅垂放下，直摆锤静止为止，按下F1角度清零。将摆锤向右侧扬起，拉开放锤锁扭将摆锤锁定，此时的仰角应为150士1°。测试完毕后按F0返回主菜单。b.按下F1后进入悬臂梁冲击模式（简支梁F2键同悬臂梁F1键操作相同)，摆锤能量值与实际安装的摆锤一致时按F2进入下级菜单：不一致时按F1更改摆锤能量，通过左右键选择数位，通过上下键更改数值，一致后按ENTER；如果选择错误或要返回上一级时按FO。按下F1键后进入设定界面，其中UP加1，DOWN减1，LEFT左移，RIGHT右移，ENTER确认，输入摆锤能量后如果下次实验摆锤能量不变可直接按F2键进入下级菜单。c.选择空冲击还是试样冲击。在第一次试验时应该选择空冲击，目的是要测试仪器的能量损失，如果一把摆锤进行过一次或多次空冲击试验，再次试验时可不进
（1）冲击锤的选择：试样断裂所吸收能量在冲击摆总能量的 10%～90%以内。 在试样前不知道试样强度的条件下，应选择最大冲击能量的冲击摆冲击，得出实 验数值后，再根据以上原则选择冲击摆。 （2）更换或安装冲击摆时，先将冲击摆上连接套的紧固螺钉松开，取下冲击摆 将其全部零件放入附件箱中。再将所选的冲击摆的上连接套内的定位轴插入摆轴 上的定位孔，然后盖上压盖，并使其与上连接套对齐，同时锁紧上连接套上的的 紧固螺钉，摆锤的安装到此就完成了。 （3）悬臂梁钳口调整方法：根据试样类型选择固定钳口，紧固在钳口座上，将 钳口座平放入机体上的燕尾槽中靠实，用扳手紧固燕尾即将钳口支座与机体禁固 在一起 3、试样的放置：首先用六角扳手松开钳口，将试样插入钳口中，使用悬臂梁试 样对中样板将试样对中后，加紧试样，应保证每次装夹试样时试样所受的夹持力 相同，确保试验结果不因试样夹持力的不同而不同。 4、试验过程中的操作方法 （1）冲击试验机做好上述工作后，就可以进行试验。首先接通 220V 的电源，打 开电源开关，预热 5 分钟(也可在打开电源后预热 5 分钟的期间做上述准备工作)。 （2）当打开电源后显示器显示“考思科学检测有限公司”标志，然后进入主界面： a. 按下 F0 后进入测试摆锤角度界面。主要用于测试摆锤仰角。将摆锤铅垂放下， 直摆锤静止为止，按下 F1 角度清零。将摆锤向右侧扬起，拉开放锤锁扭将摆锤 锁定,此时的仰角应为 150±1°。测试完毕后按 F0 返回主菜单。 b. 按下 F1 后进入悬臂梁冲击模式(简支梁 F2 键同悬臂梁 F1 键操作相同)，摆锤 能量值与实际安装的摆锤一致时按 F2 进入下级菜单；不一致时按 F1 更改摆锤 能量，通过左右键选择数位，通过上下键更改数值，一致后按 ENTER；如果选 择错误或要返回上一级时按 F0。 按下 F1 键后进入设定界面，其中 UP 加 1，DOWN 减 1，LEFT 左移，RIGHT 右移，ENTER 确认，输入摆锤能量后如果下次实验摆锤能量不变可直接按 F2 键 进入下级菜单。 c. 选择空冲击还是试样冲击。在第一次试验时应该选择空冲击，目的是要测试仪 器的能量损失，如果一把摆锤进行过一次或多次空冲击试验，再次试验时可不进
行空冲击（在不断电的情况下），直接按F2冲击试样。按F1进入空冲击界面，注意此时的摆锤位置应为铅垂状态！角度为零。开始冲击后会显示出空冲击的能量损失，按F1时再次空冲击或按F2冲击试样。d.按F2进入冲击试样界面，然后按下F1输入试样的长度和按F2输入试样的宽度后，按F3进入下级菜单。e.按F1开始冲击试样。显示屏上将出现实验结果和次数，按F1再次冲击直到试验结束，按F2可查阅冲击结果。本机可储存10次实验结果并自动计算平均值。六、数据记录与处理1、缺口试样的冲击强度按下式计算：αk= Ak/bh式中：αk--冲击韧性，J/cm2Ak--试样冲断所吸收的功，Jb--试样缺口处剩余宽度，cmh--试样厚度，cm2、计算缺口冲击强度的算术平均值，然后由下式求得标准偏差S：E(X-X)S=11n-1式中：X一单个测定值x-一组测定值的算术平均值n--测定值个数3、变异系数CV%按下式计算：SCV=→x100%七、注意事项在冲击实验时，应特别注意人身安全，尤其是在实验过程中，防止摆动的摆锤及飞出的试样对操作人员的伤害。八、思考题1、冲击试样开缺口的目的及缺口标准的重要性。2、同一材料的无缺口和有缺口两组试样，冲击实验结果哪组离散性大，为什么？
行空冲击（在不断电的情况下），直接按 F2 冲击试样。 按 F1 进入空冲击界面，注意此时的摆锤位置应为铅垂状态！角度为零。开 始冲击后会显示出空冲击的能量损失，按 F1 时再次空冲击或按 F2 冲击试样。 d．按 F2 进入冲击试样界面，然后按下 F1 输入试样的长度和按 F2 输入试样的 宽度后，按 F3 进入下级菜单。 e．按 F1 开始冲击试样。显示屏上将出现实验结果和次数，按 F1 再次冲击直到 试验结束，按 F2 可查阅冲击结果。本机可储存 10 次实验结果并自动计算平均 值。 六、数据记录与处理 1、缺口试样的冲击强度按下式计算： k＝Ak/bh 式中：k-冲击韧性，J/cm2 Ak-试样冲断所吸收的功，J b-试样缺口处剩余宽度，cm h-试样厚度，cm 2、计算缺口冲击强度的算术平均值，然后由下式求得标准偏差 S： 1 ( ) 2 − − = n X X S 式中：X—单个测定值 X -一组测定值的算术平均值 n-测定值个数 3、变异系数 CV％按下式计算： = 100% X S CV 七、注意事项 在冲击实验时，应特别注意人身安全，尤其是在实验过程中，防止摆动的摆 锤及飞出的试样对操作人员的伤害。 八、思考题 1、冲击试样开缺口的目的及缺口标准的重要性。 2、同一材料的无缺口和有缺口两组试样，冲击实验结果哪组离散性大，为什么？
3、为什么不同厚度试样测出的冲击强度值不能相互比较？
3、为什么不同厚度试样测出的冲击强度值不能相互比较?