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選材進(jìn)階：如何兼顧塑料的強度與韌性？（附118種聚合物沖擊韌性指標(biāo)）
上次我們探討了塑料的屈服強度與斷裂強度，引起了大家的熱烈討論。塑料拉伸斷裂強度如何檢測？（內(nèi)附142種塑料拉伸斷裂強度數(shù)值表）如何利用屈服強度為工程選對塑料？（內(nèi)附150種塑料屈服拉伸強度數(shù)值表）
今天我們就把目光轉(zhuǎn)向另一個關(guān)乎產(chǎn)品安全與可靠性的關(guān)鍵性能——韌性。
它衡量的是材料在沖擊、跌落等突然受力時，吸收能量、抵抗斷裂的綜合能力。對于需要承受動態(tài)載荷的部件（如汽車內(nèi)飾、電子外殼、工具手柄）而言，韌性是選材時不可忽視的指標(biāo)。
本文將系統(tǒng)介紹塑料韌性的核心概念、影響因素，以及關(guān)鍵的測試方法（如Izod與Charpy沖擊試驗），幫助你在設(shè)計中做出更可靠的材料選擇。
什么是韌性？
韌性是指材料在外力作用下既能抵抗斷裂又能抵抗變形的能力。它等效于材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線下面積，面積越大表明材料具有越高的韌性。要具備高韌性，材料必須同時具有良好的強度和延展性。
硬度、韌性與強度之間的區(qū)別？
在日常語言中，“硬度”、“韌性”和“強度”常被混用，但在材料科學(xué)領(lǐng)域，三者是既存在一定關(guān)聯(lián)、又完全不同的材料性能，核心區(qū)別如下：
硬度：描述材料在摩擦載荷下抵抗表面永久變形的能力。
強度：表示材料在發(fā)生屈服或斷裂前所能承受的最大載荷。
韌性：是材料在受力時抵抗斷裂、吸收能量的能力。
聚合物的韌性如何變化？
聚合物的韌性或抗沖擊性能會受到多種因素影響，包括：
分子結(jié)構(gòu)
環(huán)境溫度
應(yīng)力加載方式
一般來說，更“橡膠狀”的材料具有更高的斷裂伸長率和更好的抗沖擊性能，但其整體剛性通常較低。
影響塑料韌性的因素
主要有以下幾點：
結(jié)晶度：結(jié)晶度越高，材料越硬，相對韌性可能降低。
溫度：存在塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度，溫度變化會顯著影響韌性表現(xiàn)。
長鏈支化：長鏈支化可提高聚合物的韌性。
如何測量塑料的韌性？
塑料的韌性通常通過沖擊試驗來測定，即材料在塑性變形過程中吸收能量的能力。沖擊試驗的結(jié)果代表材料的韌性或沖擊強度，反映材料的脆性或韌性。
沖擊試驗結(jié)果一般用兩種方式表示：
吸收的能量總量（單位：N·m 或 J）
吸收能量按單位截面積（單位：N·m/cm2 或 J/m2）
沖擊試驗主要用于：
測量材料裂紋擴展所需的能量
在開發(fā)階段篩選材料的抗沖擊性能
確定材料在汽車等工業(yè)應(yīng)用中的適用性
沖擊試驗的類型
測定韌性的兩種最常見方法是：伊佐德（Izod）試驗與夏比（Charpy）試驗。
這些試驗都有一個共同的基本原理：
使用高速沖擊載荷施加力
測量樣品因沖擊破斷而吸收的能量（單位：Kg·m 或 J）
夏比沖擊試驗和伊佐德沖擊試驗的描述
（來源：ResearchGate）
伊佐德與夏比試驗的區(qū)別
兩者主要在以下方面存在差異：
試樣尺寸與形狀
試樣夾持方法
試驗中擺錘的最大沖擊能量
缺口試驗與無缺口試驗
工程零件通常存在應(yīng)力集中部位，因此材料的缺口沖擊行為尤為重要。測試中常使用帶缺口試樣進(jìn)行韌性評價，同時也可使用無缺口試樣得出對應(yīng)數(shù)據(jù)，用于不同用途對比分析。
a) 有缺口和無缺口夏比沖擊試驗；
b) 有缺口和無缺口伊佐德沖擊試驗
（來源：ScienceDirect）
沖擊試驗的核心優(yōu)勢
材料的韌性指標(biāo)雖不直接用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，但可表征材料承受沖擊載荷的能力，該試驗主要用于以下對比分析：
不同材料的抗沖擊載荷能力
同一材料在不同加工工藝下的抗沖擊性能（如熱處理、加工工序、機械加工等工藝）
各類塑料的韌性指標(biāo)
