试验1高分子材料拉伸强度及断裂伸长率测定

一、实验目的

通过实验了解聚合物材料应力—应变曲线特点、试验速度对应力—应变曲线的影响、拉伸强度及断裂伸长率的意义，熟悉它们的测试方法；并通过测试应力—应变曲线来判断不同聚合物的力学性能。

二、实验原理

为了评价聚合物材料的力学性能，通常用等速施力下所获得的应力—应变曲线来进行描述。所谓应力是指拉伸力引起的在试样内部单位截面上产生的内力；而应变是指试样在外力作用下发生形变时，相对其原尺寸的相对形变量。不同种类聚合物有不同的应力—应变曲线。

等速条件下，无定形聚合物典型的应力—应变曲线如图1所示。图中的α点为弹性极限，σα为弹性（比例）极限强度，εσ=Έε 式中

σ——应力，MPa； ε——应变，%；

Ε——弹性（杨氏）模量（曲线的斜率），MP 。 曲线斜率E反映材料的硬性。Y称屈服点，对应的σy和ε

y称屈服强度和屈服伸长。材

α为弹性极限伸长。在

α点前，应力—应变服从虎克定律：

料屈服后，可在t点处，也可在t′点处断裂。因而视情况，材料断裂强度可大于或小于屈

服强度。εt（或εt′）称断裂伸长率，反映材料的延伸性。

从曲线的形状以及σt和ε

t

的大小，可以看出材料的性能，并借以判断它的应用范围。

t

如从σt的大小，可以判断材料的强与弱；而从ε

的大小，更正确地讲是从曲线下的面积大

小，可判断材料的脆性与韧性。从微观结构看，在外力的作用下，聚合物产生大分子链的运动，包括分子内的键长、键角变化，分子链段的运动，以及分子间的相对位移。沿力方向的整体运动（伸长）是通过上述各种运动来达到的。由键长、键角产生的形变较小（普弹形变），而链段运动和分子间的相对位移（塑性流动）产生的形变较大。材料在拉伸到破坏时，链段运动或分子位移基本上仍不能发生，或只是很小，此时材料就脆。若达到一定负荷，可以克服链段运动及分子位移所需要的能量，这些运动就能发生，形变就大，材料就韧。如果要使材料产生链段运动用分子位移所需要的负荷较大，材料就较强及硬。

图1 无定形聚合物的应力—应变曲线 图2 结晶型聚合物的应力—应变曲线

结晶性高聚物的应力—应变曲线分三个区域，如图2所示。

（1）OC段曲线的起始部分，近似直线，属普弹性变形，是由于分子的键长、键角以及原子间的距离改变所引起的，其形变是可逆的，应力与应变之间服从胡克定律。。

（2）微晶在c点以后将出现取向或熔解，然后沿力场方向进行重排或重结晶，故σc称重结晶强度，它同时也是材料“屈服”的反映。从宏观上看，材料在c点将出现细颈，出现细颈现象的本质是分子在该处发生取向结晶，使该处强度增大。随着拉伸的进行，细颈不断发展，至d点细颈发展完全，此阶段应力几乎不变，而变形增加很大。

（3）dt段 被均匀拉细后的试样，分子进一步取向，应力随应变的增大而增大，直到断裂点t，试样被拉断，t点的应力称为强度极限，即抗拉强度或断裂强度σ，是材料重要的质量指标，其计算公式为：

σ=P/（b×d） (MPa)

式中 P——最大破坏载荷，N；

b——试样宽度，mm； d——试样厚度，mm；

断裂伸长率ε是试样断裂时的相对伸长率，ε按下式计算：

ε=（F-G）/G×100%

式中G——试样标线间的距离，mm；

F——试样断裂时标线间的距离，mm。

对于结晶聚合物，当结晶度非常高时（尤其当晶相为大的球晶时），会出现聚合物脆性断裂的特征。总之，当聚合物的结晶度增加时，模量将增加，屈服强度和断裂强度也增加，但屈服形变和断裂形变却减小。

聚合物晶相的形态和尺寸对材料的性能影响也很大。同样的结晶度，如果晶相是由很大的球晶组成，则材料表现出低强度、高脆性倾向。如果晶相是由很多的微晶组成，则材料的性能有相反的特征。

另外，聚合物分子链间的化学交联对材料的力学性能也有很大的影响。这是因为有化学交联时，聚合物分子链之间不可能发生滑移，粘流态消失。当交联密度增加时，对于Tg以上的橡胶态聚合物来说，其抗张强度增加，模量增加，断裂伸长率下降。交联度很高时，聚合物成为三维网状链的刚硬结构。因此，只有在适当的交联度时抗张强度才有最大值。

综上所述，材料的组成、化学结构及聚集态结构都会对应力与应变产生影响。即使是同一品种，由于它们的交联度、结晶度、增塑剂含量及分子量的大小不同而表现出不同的结果。另，不同的测定条件（试验温度和试验速度）对聚合物应力—应变曲线也有很大的影响。塑料属于粘弹性材料，它的力学松弛过程不仅与试验温度有关，且与时间即试验速度有关。当升高温度时，分子链段的热运动增加，松弛过程进行得较快，在拉伸试验中就表现出较大的变形和较低的强度。而当减慢拉伸速度时，使外力作用时间延长，即松弛过程进行得较快，在拉伸试验中就表现出较大的变形和较低的强度。但不同的塑料其影响程度不同。

归纳各种不同类聚合物的应力—应变曲线，主要有以下5种类型，如图3所示。

应力—应变实验所得的数据也与温度、湿度、拉伸速度有关。因此，应规定一定的测试条件。

图3 5种类型聚合物的应力—应变曲线 （a）软而弱；（b）硬而脆；（c）硬而强；（d）软而韧；（e）硬而韧

三、实验仪器、用具及试样

1、采用承德精密试验机有限公司生产的WDT-20KN电子式万能材料试验机。电子式万能材料试验机整机示意图见图4。

2、游标卡尺一把。

3、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）、无定形聚苯乙烯（PS）标准试样，拉伸样条的形状（双铲型）如图5所示。试样表面应平整，无气泡、裂纹、分层及机械加工损伤等缺陷。

L——总长度（最小），150mm；

b——试样中间平行部分宽度，10±0.2mm； C——夹具间距离，115mm； d——试样厚度，2~10mm；

G——试样有效距离，50±0.5mm； h——试样端部宽度，20±0.2mm； R——半径，60mm。

图4 电子式万能材料试验机整机示意图

四、实验步骤

准备两组试样，每组三种样条（HDPE、PP、PS或SBS/PS），每组的拉伸速度不同：A组25mm/min，B组50mm/min。

1、熟悉万能试验机的结构，操作规程和注意事项。万能试验机操作面板见图6。

图6 万能试验机操作面板

A、显示窗

“负荷”显示窗显示负荷值；“变形”显示窗显示变形值；“速度”显示窗显示当前横梁位移速度值；

B、指示灯 “拉伸”、“压缩”、“弯曲”等指示灯指示试验类型；“运行”指示灯在试验过程中闪烁；“等待”指示灯在试验结束后等待继续实验时闪烁，在待机状态与实验过程中不亮；“电机告警”指示灯指示电机告警状态；“上升”与“下降”指示横梁位移方向；“上限位”与“下限位”指示限位开关状态； “过载保护”与“撞车保护”指示横梁负荷保护状态。 2、用游标卡尺量样条中部左、中、右三点的宽度和厚度，精确到0.02mm，取平均值。试样应编号，标出有效距离50mm和夹具间距离115mm。 3、实验参数设定 接通电源，启动试验机按钮，启动计算机； 双击桌面上“MCGS环境”进入系统主界面；分别点击“试验编号”、“试样设定”、“试样参数”、“测试项目”等按扭，设定参数。 设定试验编号；注意试验编号不能重复使用； 试样设定：

试验类型： 拉伸 横梁方向 ：向上

横梁速度： 25或50mm/min 变形测量： 横梁位移

试验结束条件：当负荷降到20%（最大）时 传感器选择 ：下空间 20000N 曲线选择 ：负荷-形变；

设定试样参数：板材、宽度、厚度

标距：50

每批数量： 3；

测试项目：最大负荷点、断裂点、断裂伸长率；

装夹试样：点击黄色三角形升降键将横梁运行到适当的位置，将样品在上下夹具上夹牢。夹试样时，应使试样的中心线与上下夹具中心线一致。 4、试验：点击负荷清零和变形清零，点击开始试验，进行拉伸试验，观察拉伸过程的变形特征，直到试样断裂为止，记录试验数据； 5、结果分析：点击主界面的“分析”，进入曲线分析界面，手动分析时，在分析结果区域中用鼠标左键双击对应的字母，然后在对应的曲线处单击，便可显示对应的数据，要想取消某一分析点，可在分析结果区域中，用鼠标左键双击对应的字母，然后双击鼠标右键即可； 6、改变速度，重复做第二组试样。

五、实验注意事项

1、实验前要认真预习，集中精神听指导老师讲解，操作试验机时，认真细致，注意安全。

2、夹具安装应注意上下垂直在同一平面上，防止实验过程中试样性能受到额外剪切力的影响。

六、实验报告要求

1、简述实验原理。 2、明确操作步骤和注意事项。 3、做好原始记录。 4、详细记录拉伸过程中观察到的现象，结合学过的理论知识分析现象产生的原因（包括变形情况，表面及颜色变化，断裂情况及断面情况等）。

5、根据实验测定的应力—应变曲线，评价测试材料（HDPE、PP、PS或SBS/PS）的屈服强度，断裂强度和断裂伸长率等表征参数，判断材料的强弱、软硬、韧脆，说明材料的大致用途，并简要分析不同的高聚物，不同的测定条件，对测试结果的影响。

七、预习要求

1、搞清实验原理；

2、了解万能试验机结构，操作规程及注意事项（来实验室进行）。 3、写好预习报告，准备记录表格。

八、实验记录参考表格

实验名称： 实验设备名称及型号规格：

试样名称 实验温度 湿度 日期 试样编号 样品 宽度 b/mm 样品 厚度 d/mm 样品面积 /mm 拉伸 速度 mm/min 拉伸强度 MPa 屈服载荷 MPa 断裂载荷 MPa 断裂伸长率/% 备注 思考题

1、如何根据聚合物材料的应力—应变曲线来判断材料的性能？ 2、在拉伸实验中，如何测定模量？

3、拉伸强度与断裂伸长率会随拉伸速度的改变而变化吗？为什么？

4、结晶聚合物（如PE）与无定形聚合物（如PS）的应力—应变曲线有何不同？塑料与橡胶呢？

实验2 塑料冲击强度实验

一、实验目的

1、加深对塑料冲击强度概念的理解； 2、熟悉聚合物的冲击强度测试原理，掌握简支梁冲击试验机的操作方法及其结果处理；

3、了解测试条件对结果的影响。

二、实验原理

冲击实验是在冲击负荷的作用下测定材料的冲击强度。在实验中对高聚物试样施加一次冲击负荷使试样破坏，记录下试样破坏时或过程中试样单位面积所吸收的能量，即得到冲击强度。冲击强度是高分子材料的一项很重要的性能指标，可评价材料的抗冲击能力，判断其脆性和韧性程度。

冲击实验的方法很多，根据试样的受力状态不同，可分为摆锤式弯曲冲击（简支梁冲击GB1043和悬臂梁冲击GB1843）、拉伸冲击和剪切冲击，本实验采用简支梁冲击GB1043方法，工作原理如下图1所示。

图1 简支梁冲击实验工作原理示意图

实验设备为简支梁冲击试验机（如原理图），本试验机的基本构造由机身、试样支座、冲击摆、测量装置及操纵机构五部分组成。其基本原理是把摆锤抬高置挂于机架的扬臂上以后，此时扬角为α，如图所示，它便获得了一定的位能。当摆锤自由落下，则位能转化为动能将试样冲断。冲断试样后，摆锤仍以剩余能量升到其一高度，升角为β，在整个冲击试验过程中，按照能量守恒定律，试样所消耗冲击能量按下式计算： E = Pd(cosβ-cosα)

式中：Pd — 冲击摆摆力矩（常数）

α— 冲击摆摆锤扬角 β— 冲击实验后摆锤升起的角度

本实验机中由于摆的冲击常数Pd、冲击前摆锤扬角均为常数，因此只要测出冲断试样后的摆锤升角，即可根据上述公式计算出试样冲断时所消耗的能量来，本实验机刻度盘的刻度就是根据上述原理进行计算的，因此我们实验时就可以直接从刻度盘中读出冲击能量。注意，本公式只适用于最大冲击能量大于5焦耳。

三、实验设备、用具及试样

1、 实验设备

（1）XJJ-5简支梁冲击试验机，本试验机的基本构造如下图2所示：

图2 简支梁冲击试验机结构图

（2）游标卡尺 2、 试样

试样材料可采用PP、PE、PS、PVC等，试样类型及尺寸，缺口类型及尺寸参照GB/1043-93执行。

表1 试样类型和试样尺寸以及相应的支撑线间的距离 单位：mm

试样

基本尺

类型

寸 1 2 3 4

80 50 120 125 长度l

极限偏差 ±2 ±1 ±2 ±2

宽度b 基本极限偏尺寸 差 10 6 15 15

±0.5 ±0.5 ±0.5 ±0.5

厚度 d 基本极限偏尺寸 差 4 4 10 13

±0.2 ±0.2 ±0.5 ±0.5

支撑线间距离 60 40 70 95

表2 试样缺口类型和缺口尺寸 单位：mm

试样类

缺口类

缺口剩

缺口底部圆弧半径

缺口宽度n

型 型

余厚度dk

r

基本尺寸 0.25 1.0 ≤0.1

极限偏差 ±0.05

基本尺寸 2 0.8

极限偏差 ±0.2 ±0.1

1~4 1、3 2

A B C C

0.8d 2/3d

注：A型、B型、C型缺口的形状见图1和图2 。

四、实验步骤

1、试样准备及处理

（1）按标准GB/1043-93要求,用注射成型方法制备冲击试样。试样表面平整、无气泡、裂纹、分层和明显杂质，缺口试样缺口处应无毛剌。

（2）测量试样中间部位的宽和厚，准确至0.05毫米，缺口试样测量缺口的剩余厚度。 （3）每组试样不少于五个GB/1043-93。 2、测试

（1）根据试样的冲击韧性，选用适当的冲击摆（11），并使试样所吸收的能量在冲击摆总能量的10%~85%范围内。

（2）根据试样的类型，选用相应的钳口（5），用对中样板按标准规定调节好跨度（支撑线间距离）。

（3）放好试样，试样宽面紧贴在支座上，使冲击摆上的刀刃（12）对准试样缺口背向的中心位置，然后把冲击摆扬起150度至定位机构（8）。

（4）校验冲击试验机的零点，把指针（6）拨到刻度盘（（16）上零的位置。且每做一个试样校准一次。

（5）一切准备好之后，按动放摆开关（1），冲击摆即可自由落下进行冲击试验。试样冲断后，由刻度盘读取冲断试样所消耗的功。凡试样未被冲断或未断在三等分中间部分或缺口处，该试样作废，另补试样试验。

3、 数据处理

（1）无缺口实验冲击强度

A =

E103（kJ/m2）

(bd)式中：E—试样吸收的冲击能量,J

b—试样宽度,mm d—试样厚度,mm （2）有缺口实验冲击强度 Ak =

Ek103（kJ/m2）

(bdk)式中：Ek—试样吸收的冲击能量,J

b—试样宽度,mm

dk—缺口试样缺口处剩余厚度,mm

3、侧向缺口实验冲击强度

Ak =

Ek103（kJ/m2）

(bkd) 式中：Ek—试样吸收的冲击能量,J

dk—侧向缺口试样缺口处剩余宽度,mm d —试样厚度,mm

五、实验注意事项

1、当摆动轴承定期未清洗摆动不灵活时，造成能量损失超差，是用前应清洗并加油； 2、击摆举起后，人体各部分不要伸到冲击摆下面，冲击过程中注意避免试样的碎片伤人。

六、预习要求

1、搞清实验原理；

2、了解设备结构，操作规程及注意事项（来实验室进行）；

3、写好预习报告，准备记录表格。

七、实验报告要求

1、 试样名称、规格、制样方法； 2、 实验设备型号和实验条件；

3、 观察实验现象，做好原始记录，计算实验结果； 4、 解答思考题。

八、思考题

在实验中哪些会影响测定结果？