淺析車用塑料機(jī)械性能檢測(cè)

王 鑫 金秀英 謝 宇

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津300300）

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，汽車已成為了日常出行中重要的代步工具，我國(guó)也已成為年產(chǎn)銷量連續(xù)突破5000 萬輛（見圖1）的全球最大的汽車產(chǎn)銷國(guó)之一。在汽車生產(chǎn)過程中，為了提高汽車性能、美化汽車外觀、實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的目標(biāo)，塑料被越來越廣泛的應(yīng)用在汽車零部件制造中[1]。如圖2 所示，由于塑料具有輕質(zhì)化、易成型、耐腐蝕、安全環(huán)保、容易改性的優(yōu)點(diǎn)[2]，塑料主要應(yīng)用在汽車內(nèi)飾件、外飾件、功能結(jié)構(gòu)件制造領(lǐng)域[3]。隨著汽車制造業(yè)水平的發(fā)展和進(jìn)步，汽車生產(chǎn)制造中單輛汽車的塑料用量逐年增加，車用塑料零部件的機(jī)械性能的優(yōu)劣會(huì)影響到塑料零部件的耐久性、可靠性。因此，對(duì)車用塑料機(jī)械性能進(jìn)行全面、客觀的檢測(cè)對(duì)保證汽車質(zhì)量有著重要意義。本文主要闡述了車用塑料機(jī)械性能的測(cè)試方法，并闡述了測(cè)試過程中樣品的制備、選取及測(cè)試條件選擇的方法。

圖1 2010-2019 中國(guó)汽車產(chǎn)銷量

圖2 車用塑料應(yīng)用

1 車用塑料機(jī)械能測(cè)試取樣方式

在車用塑料機(jī)械性能測(cè)試過程中，通常有兩種取樣方式:一是將塑料粒子原材料通過注塑的方式制備成標(biāo)準(zhǔn)樣條進(jìn)行測(cè)試，這種方法能夠反應(yīng)出原材料的機(jī)械性能，但是不能客觀反應(yīng)塑料成品件的機(jī)械性能；二是直接在塑料成品件上進(jìn)行取樣，根據(jù)塑料成品件實(shí)際面積大小選取合適的樣條類型及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，通過機(jī)加工的方式制備試驗(yàn)樣條，這種取樣的優(yōu)點(diǎn)是能夠客觀的反應(yīng)出塑料成品件的機(jī)械性能，對(duì)原材料的性能指標(biāo)要求更高。由于成品件取樣方法測(cè)試結(jié)果能客觀反應(yīng)出車用塑料成品件機(jī)械性能，該種取樣方法受到更多高端汽車生產(chǎn)商的青睞。

2 車用塑料機(jī)械性能測(cè)試

2.1 拉伸性能

塑料拉伸性能表征的是塑料在受到拉向應(yīng)力時(shí)，材料的應(yīng)力、應(yīng)變性能。在拉伸性能測(cè)試過程中，沿試樣縱向主軸方向恒速拉伸，直至試樣發(fā)生斷裂，并記錄試樣在這一過程中的應(yīng)力/應(yīng)變曲線。車用塑料拉伸性能檢測(cè)，常用拉伸彈性模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸屈服應(yīng)力、拉伸屈服應(yīng)變等參數(shù)來表征塑料的拉伸性能。其中拉伸彈性模量是拉伸應(yīng)力與拉伸產(chǎn)生的應(yīng)變的比值，可用來表征材料剛度，其值越大，則該材料發(fā)生一定彈性變形所需的應(yīng)力值也越大。拉伸強(qiáng)度表征的是材料在拉伸試驗(yàn)過程中，觀測(cè)到的最大初始應(yīng)力。斷裂伸長(zhǎng)率表征的是材料在斷裂時(shí)的應(yīng)變。根據(jù)試樣的拉伸應(yīng)力/應(yīng)變曲線類型，可將塑料分為脆性材料和非脆性材料，拉伸屈服應(yīng)力、拉伸屈服應(yīng)變表征的是非脆性材料在屈服點(diǎn)處（拉伸曲線中初次出現(xiàn)應(yīng)力不增加但應(yīng)變?cè)黾拥狞c(diǎn)）的應(yīng)力、應(yīng)變值。對(duì)于各向異性塑料，應(yīng)在每個(gè)受試方向制取試樣進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試過程中應(yīng)廢棄打滑或在非試樣平行段位置斷裂的試樣，并保證每組有效試樣的數(shù)量不少于5 個(gè)。在拉伸性能測(cè)試過程中，可根據(jù)材料性質(zhì)（脆性材料、非脆性材料）選用合適的試驗(yàn)速度，脆性材料多選用較低拉伸速度（如2 mm/min）進(jìn)行測(cè)試，非脆性材料多選用較高拉伸速度（如50 mm/min）進(jìn)行測(cè)試。但在測(cè)試?yán)炷Ａ繒r(shí)，試驗(yàn)速度應(yīng)盡可能使應(yīng)變速率接近每分鐘1%標(biāo)距，以保證拉伸模量測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度則是根據(jù)選取的試樣類型，進(jìn)行確定。

2.2 彎曲性能

塑料彎曲性能表征的是塑料在受到壓向應(yīng)力時(shí)，材料的應(yīng)力、應(yīng)變性能。車用塑料彎曲性能檢測(cè)，有三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲兩種測(cè)試方法。使用三點(diǎn)彎曲測(cè)試彎曲性能時(shí)，將試樣以一定距離支撐成橫梁，沿試樣跨度中心以恒定速率施加壓力，直至試樣發(fā)生斷裂或屈服，并記錄試樣在這一過程中的應(yīng)力/應(yīng)變曲線。常用彎曲模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度下的彎曲應(yīng)變等參數(shù)來表征塑料的彎曲性能。其中彎曲模量是彎曲應(yīng)力與彎曲應(yīng)變的比值，表征的是材料在彈性極限內(nèi)抵抗彎曲變形的能力。彎曲強(qiáng)度表征的是材料在彎曲過程中承受的最大彎曲應(yīng)力，彎曲應(yīng)變表征的材料最大彎曲應(yīng)力時(shí)的彎曲應(yīng)變。在彎曲性能測(cè)試過程中，需要根據(jù)試樣實(shí)際厚度選擇相應(yīng)規(guī)格的樣品支座，并根據(jù)試樣厚度確認(rèn)試驗(yàn)跨距（樣品厚度的16 倍）。在設(shè)置彎曲性能試驗(yàn)速度時(shí)，應(yīng)使彎曲應(yīng)變速率盡可能接近1%/min，對(duì)于尺寸為（80*10*4）mm 的標(biāo)準(zhǔn)試樣，建議設(shè)定試驗(yàn)速度為2 mm/min。當(dāng)材料在兩個(gè)主要方向上的彎曲性能有較大差異時(shí)，應(yīng)當(dāng)在這兩個(gè)方向上分別取樣，進(jìn)行彎曲強(qiáng)度測(cè)試。對(duì)于體積較小的內(nèi)外飾塑料件或樣品平坦區(qū)域較小的塑料零部件，可選用四點(diǎn)彎曲進(jìn)行測(cè)試，該測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)所要求的試樣尺寸較?。ㄩL(zhǎng)度15 mm，寬度10 mm，厚度（1.2～4.5）mm）,適用范圍較廣。在進(jìn)行彎曲測(cè)試時(shí)以150o/min 的變形速率無沖擊的施加彎曲載荷，測(cè)定試樣彎曲角度為α3.5（28/樣品厚度）時(shí)的彎曲強(qiáng)度。這兩種彎曲強(qiáng)度的測(cè)試方法，都需要每組測(cè)試至少5 個(gè)平行樣，并取平均值作為彎曲強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果。

2.3 塑料沖擊性能

塑料沖擊性能表征的是塑料抵抗沖擊應(yīng)力的耐受力，有簡(jiǎn)支梁沖擊、懸臂梁沖擊、德標(biāo)小試樣沖擊三種方法測(cè)試塑料的沖擊性能。簡(jiǎn)支梁沖擊性能測(cè)試是將擺錘升至固定高度，然后釋放擺錘，以恒定的速度沖擊支撐成水平橫梁的試樣，沖擊軸線位于梁支座間的中點(diǎn)，對(duì)于缺口試樣，沖擊軸線應(yīng)正對(duì)單缺口，且以試樣無缺口一側(cè)迎向擺錘沖擊。對(duì)于簡(jiǎn)支梁缺口沖擊性能測(cè)試，試樣缺口類型有A型缺口、B型缺口、C型缺口三種缺口類型可選，推薦選用A型缺口進(jìn)行沖擊性能測(cè)試。懸臂梁沖擊強(qiáng)度與簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度不同的是，懸臂梁沖擊是由已知能量的擺錘沖擊支撐成垂直懸臂梁的試樣，測(cè)量試樣接收沖擊時(shí)吸收的能量。擺錘沖擊線到試樣夾具為固定距離，對(duì)于缺口試樣，擺錘沖擊線到試樣缺口中心線為固定距離，在試驗(yàn)過程中，應(yīng)使試樣缺口一層迎向擺錘沖擊。對(duì)于懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度測(cè)試，試樣類型有A 型缺口、B 型缺口兩種缺口類型可選，推薦選用A型缺口進(jìn)行測(cè)試。德標(biāo)小試樣沖擊強(qiáng)度測(cè)試，適用于試驗(yàn)要求塑料成品件取樣，但塑料成品件較小的情況。德標(biāo)小試樣沖擊是由已知能量的擺錘沖擊試樣，但落錘舉升高度小于懸臂梁沖擊，且在試驗(yàn)過程中，并無夾具夾持試樣，而是將試樣緊靠樣品支座，保持直立。對(duì)于德標(biāo)小試樣缺口沖擊測(cè)試，需要將試樣缺口一側(cè)迎向擺錘沖擊，試驗(yàn)缺口類型為U型缺口。在選用這三種方法測(cè)試塑料沖擊強(qiáng)度時(shí)，為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性，應(yīng)合理選擇擺錘能量，使得沖斷試樣吸收的能量應(yīng)在擺錘標(biāo)稱能量10%到80%范圍內(nèi)，建議每組測(cè)試至少選用10 個(gè)平行樣，取平均值作為測(cè)試結(jié)果。

2.4 硬度

塑料硬度表征的是塑料局部抵抗硬物壓入其表面的能力，有邵氏硬度、球壓痕硬度、洛氏硬度三種測(cè)試方法。邵氏硬度的原理是在規(guī)定載荷下，將壓針壓入塑料表面，測(cè)量壓針垂直壓入的深度，塑料硬度與壓針壓入深度呈反比。測(cè)量塑料的邵氏硬度時(shí)，應(yīng)保證試樣的厚度至少為4 mm。如果樣品厚度不夠，可選用較薄的幾層樣品疊加至4 mm進(jìn)行硬度測(cè)試，但應(yīng)盡量保證各層之間接觸完全，同時(shí)疊加層數(shù)不超過三層。為保證塑料邵氏硬度測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)選用尺寸足夠大的樣品進(jìn)行測(cè)試，以保證任意測(cè)試點(diǎn)距離試樣邊緣至少9 mm，并在同一試樣上測(cè)量5 個(gè)點(diǎn)的硬度值，相鄰測(cè)量位置至少間隔6 mm，取平均值作為測(cè)試結(jié)果。在測(cè)試塑料邵氏硬度時(shí)，應(yīng)根據(jù)材料硬度選用合適類型硬度計(jì)：當(dāng)材料邵A硬度大于90 HA 時(shí)，應(yīng)選用邵D 硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試；當(dāng)材料邵D 硬度小于20 HD時(shí)，應(yīng)選用邵A硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試前應(yīng)確認(rèn)邵氏硬度讀數(shù)之間，讀數(shù)時(shí)間不同，會(huì)影響最終邵氏硬度的測(cè)試結(jié)果。塑料球壓痕硬度是通過將直徑為5 mm 的鋼球以規(guī)定的負(fù)荷壓入試樣表面，在施加負(fù)載的狀態(tài)下測(cè)量鋼球壓入深度，根據(jù)壓入深度計(jì)算壓入的表面積，球壓痕硬度即為施加的負(fù)荷與鋼球壓入表面積的比值。球壓痕硬度需要根據(jù)材料硬度選擇試驗(yàn)負(fù)荷，以保證鋼球壓入深度在（0.15～0.35）mm 之間。試驗(yàn)負(fù)荷可在49.0 N，132 N，358 N，961 N中根據(jù)材料硬度進(jìn)行選擇，在測(cè)試過程中，應(yīng)保證試驗(yàn)載荷在（2～3）s 內(nèi)平穩(wěn)地施加在樣品表面上，在施加試驗(yàn)載荷30 s 后，測(cè)量鋼球壓入深度。為保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性，推薦使用厚度為4 mm的試樣進(jìn)行測(cè)試，相鄰壓痕點(diǎn)之間及每個(gè)壓痕點(diǎn)距離試樣邊緣的位置都不小于10 mm，且應(yīng)在一個(gè)或多個(gè)試樣表面進(jìn)行10 次有效性測(cè)試，取平均值作為測(cè)試結(jié)果。塑料洛氏硬度的測(cè)試原理是在規(guī)定的負(fù)荷加載時(shí)間內(nèi)，通過鋼球向試樣施加一個(gè)恒定的初負(fù)荷，隨后施加主負(fù)荷，然后再恢復(fù)到相同的初負(fù)荷，測(cè)量結(jié)果是由鋼球壓入總深度減去初負(fù)荷引起的壓入深度以及卸去主負(fù)荷后規(guī)定時(shí)間內(nèi)的彈性恢復(fù)量。根據(jù)施加的主負(fù)荷大小不同、鋼球壓頭直徑不同（見表1），有三種洛氏硬度標(biāo)尺可供選擇，分別是R、L、M，這三種標(biāo)尺適用的塑料硬度依次增加。根據(jù)塑料的實(shí)際硬度，應(yīng)選擇合適的標(biāo)尺，以使得洛氏硬度的測(cè)量值在50～115 之間，若洛氏硬度測(cè)試結(jié)果超出范圍，應(yīng)根據(jù)測(cè)試結(jié)果大小更換相鄰標(biāo)尺重新測(cè)試。對(duì)于塑料硬度較小，需要比R 標(biāo)尺更低硬度的標(biāo)尺時(shí)，應(yīng)采用邵氏硬度的方法測(cè)試塑料硬度。為保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性，試樣厚度至少為6 mm，相鄰壓痕點(diǎn)之間及每個(gè)壓痕點(diǎn)距離試樣邊緣的位置都不小于10 mm，且應(yīng)在試樣的同一表面測(cè)量5 次，取平均值作為測(cè)試結(jié)果。

表1 洛氏硬度標(biāo)尺參數(shù)

2.5 負(fù)荷變形溫度

塑料負(fù)荷變形溫度表征的是塑料在受到恒定三點(diǎn)彎曲負(fù)荷下，隨著溫度的升高，試樣達(dá)到規(guī)定彎曲應(yīng)變時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度。根據(jù)負(fù)荷變形溫度測(cè)試過程中，施加的恒定載荷不同，有三種試驗(yàn)方法可供選擇，分別是A法（1.80 MPa）、B法（0.45 MPa）、C法（8.00 MPa）。測(cè)試過程中應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量樣品的寬度、厚度，并根據(jù)樣品尺寸計(jì)算出施加恒定載荷所需要的砝碼質(zhì)量，試驗(yàn)開始后，以120℃/h 的升溫速率進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于塑料成品件取樣，樣品如有翹曲現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)使試樣分別以不同的面朝著載荷頭進(jìn)行試驗(yàn)，分別記錄試驗(yàn)結(jié)果并標(biāo)注試樣放置方向。每組樣品至少選用兩個(gè)平行樣進(jìn)行測(cè)試，若兩個(gè)試樣測(cè)試結(jié)果相差2℃以上，則應(yīng)重新進(jìn)行測(cè)試，以保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

車用塑料機(jī)械性能測(cè)試項(xiàng)目及試驗(yàn)方法眾多，為客觀、全面表征車用塑料機(jī)械性能，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要選擇合適的測(cè)試項(xiàng)目、制樣方法、試驗(yàn)條件。通過對(duì)車用塑料拉伸性能、彎曲性能、沖擊性能、硬度、負(fù)荷變形溫度的測(cè)試，為客觀評(píng)估車用塑料零部件的使用可靠性、使用耐久性提供依據(jù)。