冲击强度：定义、重要性和精确测量技术

冲击强度是材料在突然强烈冲击或冲击载荷下抵抗开裂、断裂或塑性变形的能力的量度。它是决定材料承受突然外力能力的关键特性。设计将承受高冲击或冲击载荷的组件取决于对这些测量的理解，以考虑潜在的故障。材料的冲击强度通常使用 IZOD 测试或夏比测试来量化。这些是指示性标准化测试，用于对材料进行分级。然而，它们并不代表实际使用情况，并且提供有关循环或现实世界负载的有限信息。本文将介绍冲击强度、其计算方法、重要性、影响因素以及冲击强度失效的不同类型。

什么是冲击强度？

冲击强度是材料在冲击和脉冲载荷下抵抗断裂的能力的量度。它仅适用于发生脆性断裂的材料。它还用于测试显示温度依赖性和/或脉冲依赖性脆性转变的延性材料。许多在“正常”负载和操作条件下具有延展性的材料在寒冷和/或突然受到冲击时会表现出脆性行为。评估这些行为对于产品设计和材料选择具有重要意义。

冲击强度的重要性是什么？

了解材料的影响行为是推动材料选择和详细设计的关键设计信息。可能遭受高脉冲（即短期）冲击的组件必须能够抵抗它们可能产生的灾难性影响。

除了基本的冲击强度之外，弹性产品的良好设计还需要了解各种行为。了解疲劳、微断裂和混合延性/脆性行为等特性也有助于减少/避免制造在使用中过早失效的产品。使用寿命在许多领域尤为重要。它可以实现预防性维护，并促进对检查流程和计划的了解，以预防故障。

冲击强度如何计算或测量？

下面列出了两种冲击强度的计算方法：

1。简支梁冲击试验

夏比试验不如 IZOD 试验常用，它可以测量吸收的夏比 V 型冲击能量（以焦耳为单位）。这是通过锤子撞击后的行程来测量的，因为剩余的能量在锤子的持续摆动中消耗掉了。

要了解更多信息，请参阅我们的夏比冲击测试完整指南。

影响材料冲击强度的因素有哪些？

下面列出了影响材料冲击强度的因素：

1。材料厚度

较厚的材料将通过提供更多可能需要破坏才能实现断裂的结构/结合来影响强度。

2。温度

随着温度的变化，许多材料的性能会发生显着的变化。表征这些变化是材料定义/测试过程的关键部分，IZOD 和夏比测试都是在一系列标准温度下进行的。

特别是金属，有一个退火温度，在这个温度下它们可以变得更加自我修复。例如，铝在 570°F 下退火，因此所有晶界相互融合，材料变得非常具有延展性。有些材料在低温下会脆化。许多材料随着温度升高而变弱，在玻璃化转变等温度下会出现明显的异常转变。

3。缺口半径

应力集中是影响材料强度的主要因素。尖头缺口会将应力集中在一点上，从而促进断裂，因此缺口半径在比较类似材料的测试时至关重要。

冲击强度失效有哪些不同类型？

下面列出了不同类型的冲击强度失效：

1。脆性断裂

脆性断裂是材料样品分成两个或多个部分的断裂。这些零件可以重新装配在一起以形成零件的原始形状/轮廓。饼干在新鲜脆的时候会发生脆性断裂。

2。延性断裂

韧性断裂很少发生。当材料发生不可逆的颈缩（即发生塑性变形）且严重时，就会出现延性失效模式。一般来说，拉伸试件中的大规模延性破坏看起来就像橡皮泥被拉形成颈部。随后通常会出现一个小的脆性断裂，该断裂可以整齐地重新组装在一起，而不是延伸成一根头发丝。

3。产量

屈服是弹性材料达到弹性极限然后发生塑性变形的特征。当受到低于屈服点的力时，当力释放时，材料将恢复到原始形状/尺寸。另一方面，当超过屈服点或屈服强度时，材料将发生一些塑性（即永久变形）。当力释放时，材料将恢复其弹性变形，但塑料部件不会。

4。轻微开裂

正确执行夏比试验和悬臂梁试验的目的是将材料样品分开或断裂成两块或多块。如果样品仅轻微损坏或部分破裂，则可能需要更高的能量或更深的缺口测试。破坏可以通过剪切、延性和脆性的混合模式来实现。失效类型分为：完全断裂、铰接断裂、不完全断裂、非断裂。

冲击强度与 3D 打印有何关系？

大多数 3D 打印塑料的冲击强度比相同材料的模制或机加工块要低得多。这是 3D 打印所用构建方法的各向异性特性的函数，并且与构建方向密切相关。例如，FDM 零件通常提供更好的内部 层间粘合比内 层，因此模型在构建的 X-Y 平面上具有合理的强度，但沿 Z 轴的强度要弱得多。这种变化/方向性在不同程度上也适用于其他模型类型。

3D 打印材料的理想冲击强度是多少？

3D 打印材料的理想冲击强度因材料特性而异。一般来说，在夏比测试中，FDM 打印部件（例如 PLA）在 Z 轴上的冲击强度接近于零，在 X-Y 轴上高达 23 kJ/m2。

冲击强度有哪些应用？

虽然冲击强度测试不能为组件设计提供绝对参考点，但它是必要的缩放测量。下面列出了冲击强度的一些应用：

1. 材料的相对强度。
2. “正常”不利条件下的故障模式。这些结果可以通过提高组件的刚度和能量耗散来为设计过程提供信息。它有助于提高现实世界的性能，例如，更好地容忍可能发生的延性变形。
3. 了解温度性能，以便选择适合零件预期工作条件的材料。
4. 了解其他环境因素，例如水分暴露/吸收及其对零件的影响。

某些材料的冲击强度有哪些示例？

材料影响测试是一个结果参差不齐的领域。并非所有测试都像应有的那样严格。材料制造可能会带来变异性，这种变异性在失效之前并不明显。在金属中，热处理以及由此产生的晶体结构变化可能会产生难以理解或量化的深远影响。合金剂同样重要，但不那么隐蔽。最后，制造工艺可以显着改变性能，以至于基本材料测试可能无法提供信息。一个很好的例子是用相同材料制成的锻钢零件和铸钢零件之间的差异。原材料相同，但锻造零件的硬度、强度和抗断裂性要高出几个数量级。

塑料的冲击强度是多少？

一些常见聚合物的冲击强度如下表 1 所示：

表1：一些常见聚合物的冲击强度

聚合物 最小 IZOD 值 (J/m2) 最大 IZOD 值 (J/m2)

聚合物

ABS-丙烯腈丁二烯苯乙烯

最小IZOD值（J/m2）

200

最大IZOD值（J/m2）

215

聚合物

ASA-丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯

最小IZOD值（J/m2）

100

最大IZOD值（J/m2）

600

聚合物

HDPE-高密度聚乙烯

最小IZOD值（J/m2）

20

最大IZOD值（J/m2）

220

聚合物

HIPS - 高抗冲聚苯乙烯

最小IZOD值（J/m2）

50

最大IZOD值（J/m2）

350

聚合物

LDPE-低密度聚乙烯

最小IZOD值（J/m2）

999

最大IZOD值（J/m2）

999

聚合物

LLDPE-线性低密度聚乙烯

最小IZOD值（J/m2）

54

最大IZOD值（J/m2）

999

聚合物

PA 66-聚酰胺6-6

最小IZOD值（J/m2）

50

最大IZOD值（J/m2）

150

聚合物

PBT-聚对苯二甲酸丁二醇酯

最小IZOD值（J/m2）

27

最大IZOD值（J/m2）

999

聚合物

PC-聚碳酸酯

最小IZOD值（J/m2）

80

最大IZOD值（J/m2）

650

聚合物

PET-聚对苯二甲酸乙二醇酯

最小IZOD值（J/m2）

140

最大IZOD值（J/m2）

140

聚合物

PETG——聚对苯二甲酸乙二醇酯

最小IZOD值（J/m2）

50

最大IZOD值（J/m2）

50

聚合物

PMMA-聚甲基丙烯酸甲酯/亚克力

最小IZOD值（J/m2）

10

最大IZOD值（J/m2）

25

聚合物

POM-聚甲醛（乙缩醛）

最小IZOD值（J/m2）

60

最大IZOD值（J/m2）

120

聚合物

PP - 聚丙烯 10–20% 玻璃纤维

最小IZOD值（J/m2）

50

最大IZOD值（J/m2）

145

聚合物

PTFE-聚四氟乙烯

最小IZOD值（J/m2）

160

最大IZOD值（J/m2）

200

聚合物

PVC硬质

最小IZOD值（J/m2）

20

最大IZOD值（J/m2）

110

表来源：https://omnexus.specialchem.com/

有关冲击强度的常见问题

冲击强度最强的金属是什么？

在研究成果中，迄今为止达到的最高夏比测试值是金属复合材料样品（~450J）。这是用于热轧结合铁素体和马氏体钢交替片材的层压块。

使用哪种设备来测量材料的冲击强度？

在 IZOD 和夏比测试中，样品受到摆锤的冲击，摆锤的能量可以通过更高或更低的摆锤重量进行调整。在 IZOD 测试中，样品通常在一端夹紧，垂直安装，并且可以有凹口，也可以（不太常见）没有凹口。凹口可以面向锤子或反向。虽然原则上测量结果应该变化不大，但任何测试周期的一致性都很重要。在夏比测试中，样品桥接了其所在的两个支撑件之间的水平间隙。锤子在这些支架之间摆动，对于强度较高的材料，锤子会更重。

冲击强度和拉伸强度有什么区别？

冲击强度定义了部件在受到横向冲击且一端或两端受到支撑时抵抗变形和断裂的能力。拉伸测试对样品的一端施加纵向载荷，而另一端牢固地保留在 2D 夹头中。拉伸能力是一种更清晰的衡量标准，具有更好的量化输出，可以转化为简单、可计算的组件拉伸强度。

要了解更多信息，请参阅我们的拉伸强度完整指南。

摘要

本文介绍了冲击强度，解释了它的含义，并讨论了它在制造中的含义。要了解有关冲击强度的更多信息，请联系 Xometry 代表。

Xometry 提供广泛的制造能力，包括 3D 打印和其他增值服务，满足您的所有原型设计和生产需求。请访问我们的网站了解更多信息或索取免费、无义务的报价。

免责声明

此网页上显示的内容仅供参考。 Xometry 对信息的准确性、完整性或有效性不作任何明示或暗示的陈述或保证。任何性能参数、几何公差、特定设计特征、材料或工艺的质量和类型均不应被推断为代表第三方供应商或制造商将通过 Xometry 网络交付的产品。寻求零件报价的买家负责确定这些零件的具体要求。请参阅我们的条款和条件以获取更多信息。

迪恩·麦克克莱门茨

Dean McClements 是机械工程荣誉学士学位毕业生，在制造业拥有二十多年的经验。他的职业生涯包括在 Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace 和 Hyster-Yale 等领先公司担任重要职务，在那里他对工程流程和创新有了深入的了解。

阅读 Dean McClements 的更多文章