前言

为了确保汽车行驶的安全性，在汽车开发过程中需认真考察用于内外饰生产的塑料材料的常温和低温韧性，以避免高分子内外饰部件在碰撞过程中产生碎片，危及驾乘人员的安全。

汽车开发材料阶段，企业很难去通过总成或整车爆破实验来验证自己的材料，而传统的悬臂梁冲击和简支梁冲击，并不能很好的模拟汽车爆破时高速要求，多轴冲击强度评价（Determination of puncture impact behaviour）是一种高速多轴冲击模式，能模拟高速冲击破坏形式，根据产品的功能要求选择对应的材料试验温度，用高速行驶的落锤冲击材料样板，根据设备采集的曲线以及材料样板的断裂方式，来确定材料在此温度和速度下的冲击韧性。

01 多轴冲击试验常用标准解读

多轴冲击测试常用标准为ISO 6603-1/2:2000和ASTM D3763-18，还有一些企标如GM 9904P、TOYOTA TSM 5608G、FIAT 50424等，不同标准对设备硬件如冲击头尺寸、夹持环内径、样品尺寸、冲击速度等要求不同（如表1所示）。

表1 多轴冲击试验标准要求

02 多轴冲击试验测试方法

多轴冲击试验设备由一套多轴台架，一个温度控制箱以及一套电子采集系统组成。

多轴冲击试验设备

其中，多轴台架由固定支座和落锤组成，落锤重量可通过增加砝码进行调整，锤头直径可更换，有20mm和12.7mm两种规格可供选择。直径20mm的锤头适用于ISO 6603标准，直径12.7mm的锤头适用于ASTM D3763标准。试验时，可根据测试材料吸收能量的情况来选择落锤的总重量，以达到标准要求的速度衰减要求。温度控制箱的温度范围在-40~70℃范围内，低温时可用液氮进行降温。电子采集系统可全程连续采集落锤将材料样板击穿过程中的时间、力值、位移和能量等数据，最终得出时间-位移-能量曲线，结合样件的断裂面形态确定材料的断裂方式。

03 多轴冲击试验结果分析方法

测试结束后，对材料样板冲击韧性的评价主要从两个方面进行，其一是从样件刺穿过程力值变化和能量吸收情况；其二是直观地根据样件的断裂面进行评价。

3.1 时间-载荷-能量曲线

如图1所示为多轴冲击结果曲线图，图中FM：最大力；LM：最大力时的挠度；EM：最大力时的吸收能量；LP：刺穿挠度；EP：刺穿吸收能量。

图1 多轴冲击试验结果曲线

时间-载荷-能量双纵轴曲线，时间-载荷曲线中的最高点为样板被击穿过程中的最大载荷，其对应的时间点在时间-能量曲线中的能量为最大载荷时样板所吸收的能量。时间-能量曲线的最高点表示样板被击穿前后所吸收的总能量。一般情况下，最大载荷时吸收的能量越高，代表材料受到冲击时吸能效果越好，但还需结合样件的断裂面形态才能确定材料的断裂方式。

3.2 断裂面形态

材料的断裂形式常分韧性和脆性断裂两种形态，ASTM D3763明确定义韧性：样品破坏前有塑性变形，且裂纹未扩展至冲击中心点10mm外；脆性：样品测试区域破坏成两片或多片，边缘锋利，几乎无塑性流动。而ISO 6603-2并没有明确韧性与脆性的严格区分，而是定义为YD、YS、YU、NY，其中，YD：屈服（最大力值时零斜率）后深拉开裂；YS：屈服（最大力值时零斜率）后裂纹稳定扩展；YU：屈服（最大力值时零斜率）后裂纹不稳定扩展；NY：不屈服。

图2 根据4种断裂方式，对11种断裂面进行了归类

图3 多轴冲击试验样件断面图

因此ASTM标准仅根据样件断面情况进行破坏形式判定，而ISO标准需将曲线与断面情况相结合进行判定。

04 多轴冲击试验的应用案例

4.1 汽车外壳喷漆韧性评估

塑料常被用于汽车内饰件或外饰件，为了增加客户对美观、感官的体验，常会进行喷漆，但是大量试验证明，美化喷漆会致使材料多轴冲击性能大大降低，材料在未喷漆时是韧性，但是喷漆后表现出脆性，且吸收的能量也会急剧衰减。

如对某PC/ABS材料进行喷漆和未喷漆样板进行多轴冲击测试（如图4所示），未喷漆样板吸收能量大，呈韧性破坏，而喷漆后的样板吸收能量锐减至10%以内，且呈脆性破坏。并且出现这种情况的概率达到了至少80%以上。

图4 未喷漆和喷漆样件多轴冲击试验结果

极少数表现相对较好的美化喷漆，可使得喷漆前后破坏形式一致，但是吸收能量适当锐减（如图5所示）。喷漆和未喷漆样件，都为韧性破坏，但是喷漆后吸收能量衰减了50%。也有极少数情况会出现喷漆与未喷漆结果差异较小，此时选取的油漆类型及工艺都是非常成功的。

图5 未喷漆和喷漆样件多轴冲击试验结果

大多数情况下，油漆类型选取不当，喷漆工艺不适宜，会破坏聚合物分子链结构，致使聚合物发生不可逆性破坏，在冲击时表现出脆性效果。因此没有经过试验研究，将油漆选型、喷漆工艺与多轴冲击测试相结合，喷漆后的高分子材料极大可能都遭到了破坏，性能大大衰减，在直接投入使用后对人们的生命财产安全是一种威胁。

4.2 汽车内饰做美化皮纹韧性评估

塑料常被用于汽车内饰件或外饰件，为了增加客户对美观、感官的体验，常会在塑料表面做皮纹，但是大量试验证明，美化皮纹会致使材料多轴冲击性能有所降低，且出现脆性破坏的概率会大大增加。

如某PP材料进行多轴冲击测试，对光滑无皮纹面进行多轴冲击（如图6所示），刺穿吸收能量为47J，韧性破坏占比60%，而对皮纹面进行多轴冲击时，刺穿吸收能量为23J，全部为脆性破坏。皮纹的出现，对裂纹的产生和扩展提供了有利的帮助，因此在能量吸收方面会出现明显降低，在韧性上表现较差。

图6 皮纹件多轴冲击试验结果

05多轴冲击试验其他应用

此外，多轴冲击测试也常用于碰撞类CAE分析，用于模拟碰撞对标试验，可大大提升数据精度和仿真可信度。