浅析车用塑料机械性能检测

王 鑫 金秀英 谢 宇

（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津300300）

随着经济和科技的发展，汽车已成为了日常出行中重要的代步工具，我国也已成为年产销量连续突破5000 万辆（见图1）的全球最大的汽车产销国之一。在汽车生产过程中，为了提高汽车性能、美化汽车外观、实现汽车轻量化的目标，塑料被越来越广泛的应用在汽车零部件制造中[1]。如图2 所示，由于塑料具有轻质化、易成型、耐腐蚀、安全环保、容易改性的优点[2]，塑料主要应用在汽车内饰件、外饰件、功能结构件制造领域[3]。随着汽车制造业水平的发展和进步，汽车生产制造中单辆汽车的塑料用量逐年增加，车用塑料零部件的机械性能的优劣会影响到塑料零部件的耐久性、可靠性。因此，对车用塑料机械性能进行全面、客观的检测对保证汽车质量有着重要意义。本文主要阐述了车用塑料机械性能的测试方法，并阐述了测试过程中样品的制备、选取及测试条件选择的方法。

图1 2010-2019 中国汽车产销量

图2 车用塑料应用

1 车用塑料机械能测试取样方式

在车用塑料机械性能测试过程中，通常有两种取样方式:一是将塑料粒子原材料通过注塑的方式制备成标准样条进行测试，这种方法能够反应出原材料的机械性能，但是不能客观反应塑料成品件的机械性能；二是直接在塑料成品件上进行取样，根据塑料成品件实际面积大小选取合适的样条类型及测试标准，通过机加工的方式制备试验样条，这种取样的优点是能够客观的反应出塑料成品件的机械性能，对原材料的性能指标要求更高。由于成品件取样方法测试结果能客观反应出车用塑料成品件机械性能，该种取样方法受到更多高端汽车生产商的青睐。

2 车用塑料机械性能测试

2.1 拉伸性能

塑料拉伸性能表征的是塑料在受到拉向应力时，材料的应力、应变性能。在拉伸性能测试过程中，沿试样纵向主轴方向恒速拉伸，直至试样发生断裂，并记录试样在这一过程中的应力/应变曲线。车用塑料拉伸性能检测，常用拉伸弹性模量、拉伸强度、断裂伸长率、拉伸屈服应力、拉伸屈服应变等参数来表征塑料的拉伸性能。其中拉伸弹性模量是拉伸应力与拉伸产生的应变的比值，可用来表征材料刚度，其值越大，则该材料发生一定弹性变形所需的应力值也越大。拉伸强度表征的是材料在拉伸试验过程中，观测到的最大初始应力。断裂伸长率表征的是材料在断裂时的应变。根据试样的拉伸应力/应变曲线类型，可将塑料分为脆性材料和非脆性材料，拉伸屈服应力、拉伸屈服应变表征的是非脆性材料在屈服点处（拉伸曲线中初次出现应力不增加但应变增加的点）的应力、应变值。对于各向异性塑料，应在每个受试方向制取试样进行测试，在测试过程中应废弃打滑或在非试样平行段位置断裂的试样，并保证每组有效试样的数量不少于5 个。在拉伸性能测试过程中，可根据材料性质（脆性材料、非脆性材料）选用合适的试验速度，脆性材料多选用较低拉伸速度（如2 mm/min）进行测试，非脆性材料多选用较高拉伸速度（如50 mm/min）进行测试。但在测试拉伸模量时，试验速度应尽可能使应变速率接近每分钟1%标距，以保证拉伸模量测试结果的准确性。试样的标距长度则是根据选取的试样类型，进行确定。

2.2 弯曲性能

塑料弯曲性能表征的是塑料在受到压向应力时，材料的应力、应变性能。车用塑料弯曲性能检测，有三点弯曲、四点弯曲两种测试方法。使用三点弯曲测试弯曲性能时，将试样以一定距离支撑成横梁，沿试样跨度中心以恒定速率施加压力，直至试样发生断裂或屈服，并记录试样在这一过程中的应力/应变曲线。常用弯曲模量、弯曲强度、弯曲强度下的弯曲应变等参数来表征塑料的弯曲性能。其中弯曲模量是弯曲应力与弯曲应变的比值，表征的是材料在弹性极限内抵抗弯曲变形的能力。弯曲强度表征的是材料在弯曲过程中承受的最大弯曲应力，弯曲应变表征的材料最大弯曲应力时的弯曲应变。在弯曲性能测试过程中，需要根据试样实际厚度选择相应规格的样品支座，并根据试样厚度确认试验跨距（样品厚度的16 倍）。在设置弯曲性能试验速度时，应使弯曲应变速率尽可能接近1%/min，对于尺寸为（80*10*4）mm 的标准试样，建议设定试验速度为2 mm/min。当材料在两个主要方向上的弯曲性能有较大差异时，应当在这两个方向上分别取样，进行弯曲强度测试。对于体积较小的内外饰塑料件或样品平坦区域较小的塑料零部件，可选用四点弯曲进行测试，该测试标准所要求的试样尺寸较小（长度15 mm，宽度10 mm，厚度（1.2～4.5）mm）,适用范围较广。在进行弯曲测试时以150o/min 的变形速率无冲击的施加弯曲载荷，测定试样弯曲角度为α3.5（28/样品厚度）时的弯曲强度。这两种弯曲强度的测试方法，都需要每组测试至少5 个平行样，并取平均值作为弯曲强度的测试结果。

2.3 塑料冲击性能

塑料冲击性能表征的是塑料抵抗冲击应力的耐受力，有简支梁冲击、悬臂梁冲击、德标小试样冲击三种方法测试塑料的冲击性能。简支梁冲击性能测试是将摆锤升至固定高度，然后释放摆锤，以恒定的速度冲击支撑成水平横梁的试样，冲击轴线位于梁支座间的中点，对于缺口试样，冲击轴线应正对单缺口，且以试样无缺口一侧迎向摆锤冲击。对于简支梁缺口冲击性能测试，试样缺口类型有A型缺口、B型缺口、C型缺口三种缺口类型可选，推荐选用A型缺口进行冲击性能测试。悬臂梁冲击强度与简支梁冲击强度不同的是，悬臂梁冲击是由已知能量的摆锤冲击支撑成垂直悬臂梁的试样，测量试样接收冲击时吸收的能量。摆锤冲击线到试样夹具为固定距离，对于缺口试样，摆锤冲击线到试样缺口中心线为固定距离，在试验过程中，应使试样缺口一层迎向摆锤冲击。对于悬臂梁缺口冲击强度测试，试样类型有A 型缺口、B 型缺口两种缺口类型可选，推荐选用A型缺口进行测试。德标小试样冲击强度测试，适用于试验要求塑料成品件取样，但塑料成品件较小的情况。德标小试样冲击是由已知能量的摆锤冲击试样，但落锤举升高度小于悬臂梁冲击，且在试验过程中，并无夹具夹持试样，而是将试样紧靠样品支座，保持直立。对于德标小试样缺口冲击测试，需要将试样缺口一侧迎向摆锤冲击，试验缺口类型为U型缺口。在选用这三种方法测试塑料冲击强度时，为保证测试数据的有效性，应合理选择摆锤能量，使得冲断试样吸收的能量应在摆锤标称能量10%到80%范围内，建议每组测试至少选用10 个平行样，取平均值作为测试结果。

2.4 硬度

塑料硬度表征的是塑料局部抵抗硬物压入其表面的能力，有邵氏硬度、球压痕硬度、洛氏硬度三种测试方法。邵氏硬度的原理是在规定载荷下，将压针压入塑料表面，测量压针垂直压入的深度，塑料硬度与压针压入深度呈反比。测量塑料的邵氏硬度时，应保证试样的厚度至少为4 mm。如果样品厚度不够，可选用较薄的几层样品叠加至4 mm进行硬度测试，但应尽量保证各层之间接触完全，同时叠加层数不超过三层。为保证塑料邵氏硬度测试结果的准确性，应选用尺寸足够大的样品进行测试，以保证任意测试点距离试样边缘至少9 mm，并在同一试样上测量5 个点的硬度值，相邻测量位置至少间隔6 mm，取平均值作为测试结果。在测试塑料邵氏硬度时，应根据材料硬度选用合适类型硬度计：当材料邵A硬度大于90 HA 时，应选用邵D 硬度计进行测试；当材料邵D 硬度小于20 HD时，应选用邵A硬度计进行测试。在测试前应确认邵氏硬度读数之间，读数时间不同，会影响最终邵氏硬度的测试结果。塑料球压痕硬度是通过将直径为5 mm 的钢球以规定的负荷压入试样表面，在施加负载的状态下测量钢球压入深度，根据压入深度计算压入的表面积，球压痕硬度即为施加的负荷与钢球压入表面积的比值。球压痕硬度需要根据材料硬度选择试验负荷，以保证钢球压入深度在（0.15～0.35）mm 之间。试验负荷可在49.0 N，132 N，358 N，961 N中根据材料硬度进行选择，在测试过程中，应保证试验载荷在（2～3）s 内平稳地施加在样品表面上，在施加试验载荷30 s 后，测量钢球压入深度。为保证测试结果准确性，推荐使用厚度为4 mm的试样进行测试，相邻压痕点之间及每个压痕点距离试样边缘的位置都不小于10 mm，且应在一个或多个试样表面进行10 次有效性测试，取平均值作为测试结果。塑料洛氏硬度的测试原理是在规定的负荷加载时间内，通过钢球向试样施加一个恒定的初负荷，随后施加主负荷，然后再恢复到相同的初负荷，测量结果是由钢球压入总深度减去初负荷引起的压入深度以及卸去主负荷后规定时间内的弹性恢复量。根据施加的主负荷大小不同、钢球压头直径不同（见表1），有三种洛氏硬度标尺可供选择，分别是R、L、M，这三种标尺适用的塑料硬度依次增加。根据塑料的实际硬度，应选择合适的标尺，以使得洛氏硬度的测量值在50～115 之间，若洛氏硬度测试结果超出范围，应根据测试结果大小更换相邻标尺重新测试。对于塑料硬度较小，需要比R 标尺更低硬度的标尺时，应采用邵氏硬度的方法测试塑料硬度。为保证测试结果准确性，试样厚度至少为6 mm，相邻压痕点之间及每个压痕点距离试样边缘的位置都不小于10 mm，且应在试样的同一表面测量5 次，取平均值作为测试结果。

表1 洛氏硬度标尺参数

2.5 负荷变形温度

塑料负荷变形温度表征的是塑料在受到恒定三点弯曲负荷下，随着温度的升高，试样达到规定弯曲应变时对应的温度。根据负荷变形温度测试过程中，施加的恒定载荷不同，有三种试验方法可供选择，分别是A法（1.80 MPa）、B法（0.45 MPa）、C法（8.00 MPa）。测试过程中应准确测量样品的宽度、厚度，并根据样品尺寸计算出施加恒定载荷所需要的砝码质量，试验开始后，以120℃/h 的升温速率进行测试。对于塑料成品件取样，样品如有翘曲现象，应当使试样分别以不同的面朝着载荷头进行试验，分别记录试验结果并标注试样放置方向。每组样品至少选用两个平行样进行测试，若两个试样测试结果相差2℃以上，则应重新进行测试，以保证测试结果准确性。

3 结论

车用塑料机械性能测试项目及试验方法众多，为客观、全面表征车用塑料机械性能，应当根据实际应用需要选择合适的测试项目、制样方法、试验条件。通过对车用塑料拉伸性能、弯曲性能、冲击性能、硬度、负荷变形温度的测试，为客观评估车用塑料零部件的使用可靠性、使用耐久性提供依据。