基于Origin軟件的ABS沖擊力學(xué)行為分析

王凱歌 曹新鑫 吳夢林 菅珂婕 何小芳

（河南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，焦作，454000）

丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物（ABS）是目前流行最廣的通用塑料之一，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、加工性能，被廣泛應(yīng)用于家用電器、汽車配件和建筑材料[1-3]。在其實(shí)際的使用環(huán)境中，常常受到外力的影響，導(dǎo)致性能下降，因此對ABS的力學(xué)行為分析至關(guān)重要。力學(xué)行為分析可探究材料在受到外力時(shí)本身的形變和變化規(guī)律，便于研究者設(shè)計(jì)和優(yōu)化產(chǎn)品的力學(xué)性能，減少外力因素對材料的破壞，延長使用周期[4-5]。

沖擊實(shí)驗(yàn)常用來測量材料的沖擊強(qiáng)度，使用單一的數(shù)值表征材料的沖擊性能，但材料本身在沖擊力作用下的形變規(guī)律和變化曲線沒有得到相應(yīng)的體現(xiàn)[6]。材料在實(shí)際使用中受到外力沖擊時(shí)，引起的損傷往往很微小，但隨著使用的加劇，材料強(qiáng)度和模量下降，易引發(fā)安全事故，因此研究材料在沖擊力作用下的力學(xué)行為很是重要[7-8]。

Origin軟件可以用來處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的繪圖、分析、擬合等處理，研究發(fā)現(xiàn)，Origin軟件可以很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，便于研究者分析結(jié)果和相關(guān)趨勢[9-10]。本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于ABS缺口沖擊實(shí)驗(yàn)，探究在相同試樣寬度B和缺口深度a下，跨距L與沖擊功、跨距與裂紋尖端能量釋放率G的關(guān)系。經(jīng)Origin 2016軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理，數(shù)據(jù)變化規(guī)律明顯，便于實(shí)驗(yàn)人員分析和驗(yàn)證相關(guān)理論。

1 材料的制備和數(shù)據(jù)來源

圖1 試樣外觀形狀Fig.1 Appearance and shape of a sample

試樣按ASTM D256-2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定注塑成標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣并加工出V型缺口，試樣寬度為8.0 mm，缺口深度 3.0 mm，缺口夾角為 45°±1°，缺口尖端曲率半徑為0.25±0.05 mm，試樣形狀如圖1所示。改變試樣跨距L，對試樣進(jìn)行沖擊測試，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表1為不同試樣厚度（D）下跨距與沖擊功數(shù)據(jù)，表2為不同跨距下的裂紋尖端能量釋放率數(shù)據(jù)。

表1 不同試樣厚度下跨距與沖擊功Tab.1 Spacing and impact of specimens with different thickness

表2不同跨距下的裂紋尖端能量釋放率Tab.2 Energy release rates(G)of crack tips under different spacing

2 Origin 2016軟件數(shù)據(jù)處理

本文以ABS缺口沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，對Origin 2016軟件處理數(shù)據(jù)操作進(jìn)行詳細(xì)介紹，依次為：數(shù)據(jù)導(dǎo)入、點(diǎn)線圖繪制、數(shù)據(jù)擬合、格式調(diào)整、文本框?qū)牒蛨D像導(dǎo)出。希望方便其他研究人員的使用，減輕工作負(fù)擔(dān)，提高科研效率。

2.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入和點(diǎn)線圖繪制

2.1.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

首先，“雙擊”桌面Origin 2016快捷方式，打開軟件，操作界面如圖2所示?！癇ook 1”為工作表窗口，是Origin工作的基礎(chǔ)區(qū)域，用來記錄和處理數(shù)據(jù)。圖中標(biāo)藍(lán)、綠、紅、紫色區(qū)域?yàn)槌Ｓ每旖莘绞剑謩e表示：菜單欄、工具欄、快捷方式欄和快捷繪圖工具欄。

“Long Name”為試樣的規(guī)格和實(shí)驗(yàn)所測沖擊功；“Units”為對應(yīng)單位，分別為“mm”和“J”。 在“Book1”空白頁面“右擊”鼠標(biāo)，點(diǎn)擊“Add New Column”添加新的數(shù)據(jù)列。點(diǎn)擊單元格可直接輸入中文漢字、英文字母、數(shù)字等符號。圖3為導(dǎo)入數(shù)據(jù)后的截圖。B、C、D、E列對應(yīng)厚度依次為 15、13、10、7 mm。

圖2 打開界面截圖Fig.2 A screeshot of the operation interface of Origin 2016

圖3 數(shù)據(jù)導(dǎo)入圖Fig.3 Data import diagram

2.1.2 點(diǎn)線圖繪制

由表1數(shù)據(jù)可知，將“跨距”設(shè)置為坐標(biāo)“X”軸，“沖擊功”設(shè)置為“Y”軸，將4組數(shù)據(jù)放在同坐標(biāo)圖中，便于觀察變化趨勢。將數(shù)據(jù)全部選中，點(diǎn)擊軟件左下角“l(fā)ine+symbol”按鈕，生成“Graph 1”點(diǎn)線圖，具體操作截屏見圖4。

圖4 多曲線點(diǎn)線圖繪制截圖Fig.4 Screenshots of point-line drawing of multiple curves

2.2 數(shù)據(jù)擬合、格式調(diào)整和文本框?qū)?/h3>

2.2.1 數(shù)據(jù)擬合

對數(shù)據(jù)進(jìn)行“擬合”處理，點(diǎn)擊“Analysis-fitting-Linear Fit-Open Dialog”。在彈出的窗口中選擇“Add all plots in active page”如圖 5。 圖 6為多曲線點(diǎn)線圖和擬合曲線圖。

2.2.2 格式調(diào)整和文本框插入

雙擊坐標(biāo)軸，在彈出對話框中的 “Line and Ticks-Major Ticks(Minor Ticks)-Style-In”將坐標(biāo)軸刻度調(diào)至內(nèi)側(cè)。“Scale”可修改基本格式如：坐標(biāo)原點(diǎn)、終點(diǎn)、間距等；“Line and Ticks”可修改坐標(biāo)軸上刻度的方向和刻度線的粗細(xì)；“Tick labels-Format-size”可修改“刻度值”格式。修改后點(diǎn)擊“OK”即可應(yīng)用。

雙擊“Graph 1”中的文本框，可直接進(jìn)行調(diào)整格式和內(nèi)容。雙擊“Y軸”左側(cè)文本框，將“沖擊功1（J）”修改為“沖擊功（J）”。 點(diǎn)擊左下角“Scatter”將“點(diǎn)線圖”改為“點(diǎn)圖”。

右擊“Graph l”空白處，點(diǎn)擊“Add text”在圖中添加文本框，輸入“D”；點(diǎn)擊左側(cè)“快捷欄-↗”添加箭頭在“D”左側(cè)，雙擊“↑”，點(diǎn)擊“Line”和“Arrow”調(diào)整“線”的格式和“箭頭”格式。調(diào)整后如圖8所示。

圖5 數(shù)據(jù)擬合操作截圖Fig.5 Screenshots of data fitting operation)

圖6 擬合初始圖Fig.6 Fitting initial chart

圖7 格式調(diào)整操作截圖Fig.7 Screenshots of format adjustment operation

圖8 數(shù)據(jù)點(diǎn)圖及擬合圖Fig.8 Chart of data points and fitting curves

由圖8中的擬合曲線可以看出，在同D、同a下，隨著試樣跨距L加大，沖擊功呈現(xiàn)下降的趨勢；在同L、同a下，試樣厚度D越大，沖擊功越大。

圖9 擬合數(shù)據(jù)表Fig.9 Table of fitting data

圖9為擬合數(shù)據(jù)表，從表中可直觀的看出擬合曲線的相關(guān)數(shù)據(jù)。“Statistics”表示“統(tǒng)計(jì)量”數(shù)據(jù)；“Summary” 表示 “擬合數(shù)據(jù)值”；“Standard error”表示“標(biāo)準(zhǔn)誤差”；“Intercept”表示“Y 軸截距”；“Slope”表示“斜率”；“R-Square”表示“方差”，方差數(shù)值越小，表示數(shù)據(jù)離散性越??；“Adj.R-Square”表示“擬合度”；

2.3 圖像的導(dǎo)出

方法一：右擊“Graph 1”空白處，點(diǎn)擊“Print”在彈出對話框中點(diǎn)擊 “Microsoft Print to PDF”點(diǎn)擊“OK”，保存文件到相應(yīng)的文件夾。如圖10所示。

圖10 方法一截圖Fig.10 A screenshot of Method 1

方法二：右擊“Graph 1”空白處，點(diǎn)擊“Copy Page”，將圖像粘貼至“Word”文檔。

方法三：右擊“Graph 1”空白處，點(diǎn)擊“Export Graphs”，在窗口中點(diǎn)擊“Image Type-jpg”輸出格式為“JPG”；點(diǎn)擊“Path”選擇保存路徑。 如圖 11所示。

圖11 方法三截圖Fig.11 A screenshot of Method 3

2.4 跨距、裂尖能量釋放率G關(guān)系

以表2為數(shù)據(jù)源，按照上述步驟，用Origin 2016軟件作圖，擬合、調(diào)整。ABS缺口沖擊實(shí)驗(yàn)中，跨距與裂紋尖端能量釋放率繪制的圖近似一條直線，在一定誤差范圍內(nèi)，裂紋尖端能量釋放率與試樣的跨距無關(guān)，是個(gè)固定值。作圖結(jié)果如圖12所示。

圖12 試樣跨距與G數(shù)據(jù)點(diǎn)圖和擬合圖Fig.12 Data point and fitting curve of specimen spacing vs.G(energy release rate)of crack tips

3 結(jié)論

ABS缺口沖擊實(shí)驗(yàn)，是表征材料力學(xué)性能的方式之一，與單一力學(xué)測試不同之處在于，力學(xué)行為分析必須基于大量的實(shí)驗(yàn)樣條和數(shù)據(jù)。為便于實(shí)驗(yàn)人員分析影響因素和變化趨勢，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、分析、繪圖是其中一項(xiàng)重要的過程。Origin 2016軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、繪圖、擬合，分析結(jié)果準(zhǔn)確，并且擬合圖像清晰、直觀，方便研究人員分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)際使用中，反復(fù)練習(xí)，熟悉操作和分析方法對于提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和科研效率具有指導(dǎo)意義。