為確保整車的安全性，在開發過程中需認真考察用于內外飾生產的塑料材料的常溫和低溫韌性，以避免高分子內外飾部件在碰撞過程中產生碎片，危及駕乘人員的安全。多軸沖擊試驗是一種能用于表征材料韌性的方法，本文對這種測試方法的原理、儀器、測試條件、結果的表征和斷裂方式的判定進行了闡述，并對影響試驗結果的因素，以及測試曲線圖與樣件斷裂狀態之間的關系進行了分析。
多軸沖擊試驗相當于缺口沖擊與面沖擊的結合。缺口沖擊常用的方法有簡支梁和懸臂梁兩種，此測試主要用于表征材料吸收能量的能力；面沖擊實際上就是落球沖擊，主要用來衡量材料抵抗破壞的能力。而多軸沖擊是上述二者的結合，主要用于測試材料的抗沖擊性能，表征材料的韌性。
一般，多軸沖擊對材料的要求比較嚴格，對于汽車行業而言，為確保整車的安全性，常會采用多軸沖擊對由高分子材料制成的塑料件進行測試，通過模擬汽車的碰撞情況，檢驗內外飾材料在受到強大沖擊力或破壞力時的表現，從而避免零件在實際碰撞過程中產生尖銳的碎片或斷裂，進而危及駕乘人員的安全。
本文對常用于汽車行業的多軸沖擊試驗方法進行了詳細闡述，并對多種改性塑料材料的試驗結果判定和影響因素進行了簡要分析。
試驗部分
現行的多軸沖擊測試標準為ISO 6603、ASTM D3763。以下簡要介紹一下具體的測試原理、設備以及其他的測試條件。
1. 試驗原理
多軸沖擊試驗可以確定材料的低溫脆性溫度，同時也能比較不同材料的性能。在實際測試中，要根據產品的功能要求選擇對應的材料試驗溫度，用高速行駛的落錘沖擊材料樣板，根據設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。
2. 試驗設備
試驗設備為多軸沖擊試驗儀，目前普遍采用的是Instron公司生產的落錘沖擊試驗系統，該設備由一套多軸臺架，一個溫度控制箱以及一套電子采集系統組成。其中，多軸臺架由固定支座和落錘組成。落錘重量可通過增加砝碼進行調整，錘頭直徑可更換，有20mm和10mm兩種規格可供選擇。直徑20mm的錘頭適用于ISO 6603標準，直徑10mm的錘頭適用于ASTM D3763標準。試驗時，可根據測試材料的種類來選擇落錘的總重量。為了降低沖擊過程中的摩擦損耗，每次測試前需對錘頭進行潤滑。
溫度控制箱的溫度范圍在-40~150℃范圍內，低溫時可用液氮進行降溫。
電子采集系統可全程連續采集落錘將材料樣板擊穿過程中的時間、位移和能量等數據，**終得出時間-位移-能量曲線。
3. 試驗條件
試驗條件包括測試溫度、落錘總重量、沖擊速度和樣板規格等參數。
**先，介紹一下測試溫度：根據零件使用的環境工況，內飾材料一般考察的溫度為常溫23℃和低溫-20℃、-30℃以及-35℃共4個溫度工況，外飾材料一般考察常溫23℃的工況。
其次是落錘總重量：不同型號的設備可達到的落錘總配重不一樣。所選擇的落錘需**能將測試樣板沖穿，若不能沖穿，則需增加落錘總重量。一般，改性PP材料的落錘總重量選擇在11 kg以上；ABS、PC等材料需選擇更大的落錘配重。
沖擊速度代表落錘與材料樣板接觸時的行駛速度。根據ISO 6603標準，針對一般韌性材料，常溫下的沖擊速度通常選擇4.4m/s；根據ASTM D3763標準則選擇6.6m/s，脆性材料可選擇1m/s。值得一提的是，4.4m/s及以下速度可由落錘自由落體實現，也可由機器控制勻速下降，但6.6m/s或更大的速度只能由機器控制。沖擊速度的選擇以落錘沖穿樣板后的速度衰減在20%以內為**。
關于樣板規格和數量：標準材料樣板可選擇直徑為60±2mm的圓形或邊長60±2mm的正方形。材料樣板的厚度為2.5~3mm，一般多選擇3mm。為**試驗數據的有效性，試驗樣板數量為5個。在試驗前，要對測試樣件進行厚度測量，其要求是在半徑為10mm的圓圈內并且是等距離的3個點上進行測量，取其平均值作為厚度值。對于低溫試驗，樣件需在帶有氮氣冷卻的環境箱中調節至少3h。
結果分析
測試后，對材料樣板沖擊韌性的評價主要從兩個方面進行，其一是從樣件的斷裂過程即微觀方面；其二是直觀地根據樣件的斷裂面進行評價。兩種方法缺一不可。
1. 時間-載荷-能量曲線
圖1所示為多軸沖擊試驗中采集的時間-載荷-能量雙縱軸曲線。從曲線中可以看出，時間-載荷曲線中的**點為樣板被擊穿過程中的**載荷，其對應的時間點在時間-能量曲線中的能量為**載荷時樣板所吸收的能量。時間-能量曲線的**點表示樣板被擊穿前后所吸收的總能量。一般情況下，**載荷時吸收的能量越高，代表材料受到沖擊時吸能效果越好，但還需結合樣件的斷裂面形態才能確定材料的斷裂方式。
圖1 時間-載荷-能量雙縱軸曲線
2.斷裂面形態
材料的斷裂面有韌性斷裂和脆性斷裂兩種形態，其中韌性斷裂隨裂口的不同其延展度分為多種情況，脆性斷裂隨沖擊部位的不同其斷裂形態也存在多種情況。圖2所示為多軸沖擊試驗中樣板的斷裂面形態，其中上排樣品的斷裂均為韌性斷裂，下排樣品的斷裂為脆性斷裂。
圖2 不同樣品的斷裂面形態（上排為韌性斷裂，下排為脆性斷裂）
3.斷裂方式的判定
按照IS0 6603標準的描述，判斷材料脆性斷裂和韌性斷裂的方式主要有4種（如圖3所示）——YD、YS、YU和NY。其中，YD型斷裂方式在曲線圖中表現為有明顯的屈服點，斷裂表面有整體深度的延展，擊穿孔只有一圈裂紋；YS型斷裂方式在曲線圖中表現為有明顯的屈服點，斷裂表面有穩定但不的延展性，可均勻區分，擊穿孔有不重復的兩圈裂紋；YU型斷裂方式在曲線圖中表現為有明顯的屈服點，斷裂表面有不穩定延性斷裂，可能有延性斷裂的部分，擊穿孔有不重復的兩圈裂紋或者擊穿部位發生不穩定的無延展性斷裂，有明顯裂紋但未與樣板間脫落；NY型斷裂方式表現為無屈服。
圖3 根據4種斷裂方式，對11種斷裂面進行了歸類
總體而言，表現為YD型和NY型斷裂方式的材料較容易斷裂，表現為YU和YS型斷裂的材料較難斷裂。
多軸沖擊試驗的影響因素
從試驗的結果分析來看，影響多軸沖擊試驗的因素主要有以下幾個：錘頭直徑、落錘總重量、測試溫度、沖擊速度、錘頭潤滑程度、樣板厚度和材料種類等。
1. 錘頭直徑
對于同種材料樣板的測試，在沖擊速度和測試溫度時，采用10mm直徑的錘頭時，樣板的斷裂狀態比采用20mm直徑錘頭時好。
2. 落錘總重量
對于同種材料樣板的測試，在沖擊速度和測試溫度時，根據 F=mv ，落錘總重量越大，樣板受到沖擊的瞬間作用力越大，其表面的斷裂形態越差。因此在選擇落錘重量時，既要**選擇的錘頭能將樣板擊穿，也要**樣件的擊穿狀態為**。
3. 測試溫度
測試溫度越低，材料韌性越差，樣板吸收的能量越低，其表面的斷裂形態越差。
4. 沖擊速度
根據F=mv， 沖擊速度越大，樣板受到沖擊的瞬間作用力越大，其表面的斷裂形態越差。
5.錘頭潤滑程度
錘頭潤滑后會降低錘頭與樣板間的摩擦力，若不潤滑錘頭，會降低樣板在被擊穿過程中吸收的能量，使曲線圖發生變化。
6. 樣板厚度
同種材料的樣板越厚，擊穿時間越長，樣板吸收的總能量越高，也會對曲線圖產生影響。
7. 材料種類
一般，PP材料吸收能量的能力比ABS、PC/ABS、PA6和PA66類的材料低。在PP材料中，脆性PP其吸收能量的能力比韌性較好的PP差。
曲線圖、斷裂表面與斷裂方式之間的關系
同一種材料的曲線圖和斷裂表面之間有一定的聯系，從曲線圖中可以大致判斷斷裂表面的趨勢。例如，圖4所示為某材料廠家的PC/ABS材料在某條件下的沖擊曲線圖，圖5為該材料斷裂表面圖，表1為該材料被擊穿過程中的承載力和能量數據。
圖4 PC/ABS沖擊曲線圖
圖5 PC/ABS斷裂表面圖
圖6為某PA66材料在某條件下的沖擊曲線圖，圖7為該材料斷裂表面圖，表2為該材料被擊穿過程中的承載力和能量數據。
圖6 PA66沖擊曲線圖
圖7 PA66斷裂表面圖
結合圖4、圖5，以及圖6、圖7可以看出，當曲線圖中時間-載荷曲線有明顯的屈服點，曲線末端的起伏較小且穩定時，斷裂方式為YD型斷裂；當曲線圖中時間-載荷曲線有明顯的屈服點，但屈服點后的曲線不平穩，起伏較大時，斷裂方式為YU或YS型斷裂。
從表1、表2中可以看出，樣板**載荷時吸收的能量值與總能量相差越大，韌性斷裂的可能性越大；若相差一倍，可判定為韌性斷裂。
圖8為某PP材料在某條件下的沖擊曲線圖，圖9為該材料的斷裂表面圖，該材料的斷裂方式為NY型斷裂。
圖8 PP沖擊曲線圖
圖9 PP斷裂表面圖
結論
綜上所述，在設計儀表板、門護板以及保險杠時需要對所使用材料的常溫和低溫韌性進行相關的規定。為避免因材料的脆性斷裂而形成的尖角傷害到乘客，用多軸沖擊性能來管控是非常有必要的。隨著市場對汽車內外飾零件性能要求的不斷提高，對材料低溫性能的要求也越發嚴格，因此需要材料供應商開發耐低溫高抗沖的汽車料，以滿足高性能汽車材料的需求。
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