冲击强度：定义、重要性与精确测量技术

冲击强度是材料抵抗突然强烈冲击或冲击载荷下开裂、断裂或塑性变形能力的度量。它是决定材料承受突发力能力的关键性能。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，以预判潜在失效。材料冲击强度通常用IZOD测试或夏比测试量化。这些是指示性标准化测试，用于材料分级。但不代表真实使用，对循环或真实载荷信息有限。本文将描述冲击强度、计算方法、重要性、影响因素及不同类型的冲击强度失效。

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能力的度量。仅适用于发生脆性断裂的材料。也用于测试表现出温度依赖性和/或冲动依赖性脆-延转变的延性材料。许多材料在"正常"载荷和工况下呈延性，但在低温和/或突然冲击下表现脆性行为。评估这些行为对产品设计和材料选择具有参考价值。

冲击强度的重要性

理解材料冲击行为是驱动材料选择和详细设计的关键设计信息。可能遭受高脉冲（即短周期）冲击的组件必须能抵抗这些冲击可能产生的灾难性影响。有弹性产品的良好设计要求除基本冲击强度外理解各种行为。理解疲劳、微裂纹、混合延性/脆性行为等性能也有助于减少/避免过早失效产品。使用寿命在许多领域尤为重要。它支持预防性维护，驱动检验流程和计划以防止失效。

冲击强度如何计算或测量？

计算冲击强度的两种方法：

1. 夏比冲击测试

夏比测试比IZOD测试少用，测得吸收夏比V型冲击能量，单位焦耳。通过锤击后摆锤继续摆动耗散剩余能量，测量摆锤冲击后行程获得。了解更多请参阅夏比冲击测试完整指南。

影响材料冲击强度的因素

影响材料冲击强度的因素：

1. 材料厚度

较厚材料通过提供更多结构/键合需破坏达成断裂来影响强度。

2. 温度

许多材料随温度变化显示显著性能变化。表征这些变化是材料定义/测试过程关键部分，IZOD和夏比测试均在一系列标准温度下进行。金属特别有退火温度，可变得更自愈。如铝退火温度570°F，晶界相互融合，材料变得非常延性。一些材料低温脆化。许多材料随升温弱化，在玻璃化转变起始等温度出现异常转变。

3. 缺口半径

应力集中是材料强度主要因素。尖端缺口聚焦应力于一点促进断裂，故缺口半径在同类材料测试对比中至关重要。

冲击强度失效的不同类型

冲击强度失效不同类型：

1. 脆性断裂

脆性断裂指材料样品分成两或多部分。这些部分可重新拼合形成零件原始形状/轮廓。鲜脆饼干经历脆性断裂。

2. 延性断裂

延性断裂罕见。延性失效模式发生在材料不可逆颈缩（即塑性变形）且大幅颈缩时。一般拉伸试样大规模延性失效像被拉成颈缩的塑性泥。通常随之小脆性断裂可整齐拼合——而非延伸成细丝。

3. 屈服

屈服是弹性材料达弹性极限后发生塑性畸变的特征。受低于屈服点力时，力释放材料恢复原形/尺寸。反之超过屈服点或屈服强度，材料发生塑性（永久变形）。力释放后材料恢复弹性畸变，但不恢复塑性成分。

4. 微裂

夏比和IZOD测试正确执行时目的为将材料样品分成两或多片。若样品仅轻微损伤或部分断裂，可能需更高能量或更深缺口测试。失效可由混合模式达成——剪切、延性、脆性。失效类型列为：完全断裂、铰链断裂、不完全断裂、不断裂。

冲击强度与3D打印有何关系？

大多数3D打印塑料显示的冲击强度远低于同材料模塑或机加工块材。这是3D打印构建方法各向异性性能的函数，与构建取向显著相关。例如FDM零件通常提供较好层间结合而非层内，模型在构建X-Y平面有合理强度但Z轴极弱。这种变化/方向性对其他模型类型也存在，程度不一。

3D打印材料的理想冲击强度是多少？

3D打印材料理想冲击强度随材料特性而异。一般FDM打印件如PLA在Z轴冲击强度接近零，X-Y轴夏比测试高达23 kJ/m²。

冲击强度的应用

冲击强度测试虽不能提供组件设计绝对基准，但为必要标度测量。应用包括：

1. 材料相对强度。
2. "正常"不利条件下的失效模式。结果可指导设计过程，提高组件刚度和能量耗散。如更好容忍可预测发生的延性畸变，改善真实性能。
3. 理解温度性能，允许选择适合零件预期工况的材料。
4. 理解其他环境因素如湿气暴露/吸收对零件影响。

部分材料冲击强度实例

材料冲击测试结果好坏参半。非所有测试像应有般严格。材料制造可能引入直到失效才显现的变异性。金属中热处理及由此晶体结构改变有深远影响，难理解量化。合金元素同样重要但不那么隐蔽。最终制造工艺可能显著改变性能，使基础材料测试无信息量。好例是同材料锻造和铸造钢零件差异。原材料相同，但锻造件可高数量级更刚、更强、更抗断裂。

塑料的冲击强度是多少？

一些常见聚合物冲击强度见表1：

表格来源：https://omnexus.specialchem.com/

常见问题解答

冲击强度最强的金属是什么？

研究结果中，最高夏比测试值为金属复合样品（~450J）。为热轧结合铁素体和马氏体钢交替层压块。

测量材料冲击强度用什么设备？

IZOD和夏比测试中，样品由摆锤冲击，可通过更高或更低锤重调节能量。IZOD测试中样品通常一端夹持垂直安装，可有缺口或（少见）无缺口。缺口可朝向锤头或反向。原则上测量变化不大，但测试周期一致性重要。夏比测试中样品架于两支撑间水平间隙上。锤在支撑间摆动，高强度材料用更重锤头。

冲击强度与拉伸强度有何区别？

冲击强度定义组件横向冲击一或两端支撑时抵抗畸变断裂能力。拉伸测试对样品一端施加纵向载荷，另一端牢固夹持于二维卡盘。拉伸能力量化输出更清晰，转化为简单可计算的张力强度，用于组件。

了解更多请参阅拉伸强度完整指南。

总结

本文介绍冲击强度，解释其含义及制造业意义。了解更多冲击强度请联系Xometry代表。Xometry提供广泛制造能力，含3D打印及其他增值服务，满足所有原型和生产需求。访问网站了解更多或申请免费无义务报价。

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