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電子拉力機測定聚合物的應力-應變曲線

來源：上海衡翼精密儀器有限公司 2013年05月11日 15:42

一．實驗目的

1.掌握拉伸強度的測試原理和測試方法，掌握電子拉力機的使用方法及共工作原理；

2.了解橡膠在拉伸應力作用下的形變行為，測試橡膠的應力-應變曲線；

3.通過應力-應變曲線評價材料的力學性能（初始模量、拉伸強度、斷裂伸長率）；

4.了解測試條件對測試結果的影響；

5.熟悉高分子材料拉伸性能測試標準條件。

二．實驗原理

隨著高分子材料的大量使用，人們迫切需要了解它的性能。而拉伸性能是高分子聚合物材料的一種基本的力學性能指標。

拉伸試驗是力學性能中一種常用的測試方法，它是在規(guī)定的試驗溫度、濕度和拉伸速度下，試樣上沿縱向施加拉伸載荷至斷裂。在材料試驗機上可以測定材料的屈服強度、斷裂強度、拉伸強度、斷裂伸長率。

影響高聚物實際強度的因素有：
1）化學結構。鏈剛性增加的因素都有助于增加強度，極性基團過密或取代基過大，阻礙鏈段運動，不能實現強迫高彈形變，使材料變脆。

2）相對分子質量。在臨界相對分子質量之前，相對分子質量增加，強度增加，越過后拉伸強度變化不大，沖擊強度隨相對分子質量增加而增加，沒有臨界值。

3）支化和交聯(lián)。交聯(lián)可以有效增強分子鏈間的，使強度提高。分子鏈支化程度增加，分子間作用力小，拉伸強度降低，而沖擊強度增加。

4）應力集中。應力集中處會成為材料破壞的薄弱環(huán)節(jié)，斷裂首先在此發(fā)生，嚴重降低材料的強度。

5）添加劑。增塑劑、填料。增強劑和增韌劑都可能改變材料的強度。增塑劑使大分子間作用力減少，降低了強度。又由于鏈段運動能力增強，材料的沖擊強度增加。惰性填料只降低成本，強度也隨之降低，而活性填料有增強作用。

6）結晶和取向。結晶度增加，對提高拉伸強度、彎曲強度和彈性模量有好處。結晶尺寸越小，強度越高。取向使材料的強度提高幾倍甚至幾十倍，此外，取向后可以阻礙裂縫向縱深方向發(fā)展。

7）外力作用速度和溫度。拉伸試驗中提高拉伸速度和降低溫度都會使強度降低。

拉伸試驗的一個重要的優(yōu)點就是在一個相對簡單的測試中可以得到幾個有用的變量。它可以測定特定伸長率（典型和300%）下的應力（300%的定伸應力）。此外還可以得到扯斷伸長率、拉伸強度、斷裂強度。典型的拉伸應力應變曲線如圖1所示：

根據國標，對測試試樣的厚度、測試速度和溫度有規(guī)定。試樣包括啞鈴型，兩邊平行的條形或環(huán)形，啞鈴狀樣片（如圖2）Z常見。

三.實驗材料與設備

HY-0580 電子拉力機，HY（CP）沖片機，厚度計，啞鈴形試樣用裁刀。

各種橡膠試樣

四．

圖1 典型的拉伸應力-應變曲線

實驗步驟

1）打開儀器電源，預熱15—20min。

2）控制試樣厚度2.0mm，按國標剪裁試樣，用厚度計測量真實的厚度，測量3點，去測量3點的中位數作為式樣的厚度值。

3）橡膠試樣的測試

選定試驗速度。將啞鈴形試樣均勻加持在上、下夾持器上，使拉力均勻分布在橫截面上。開動試驗機，測試并記錄。

圖2 啞鈴形試樣形狀示意圖

4）按實驗施加的負荷和試樣尺寸，計算出相應的應力值，并對應變作圖，得應力-應變曲線。計算拉伸強度。定伸應力、扯斷伸長率、扯斷*變形。

五．計算方法和公式

1）拉伸強度

式中，：拉伸強度，MPa；：記錄的Z大力，N；W：試樣狹小平行部分寬度，mm；t：試樣長度部分原始的厚度，mm；

2）定伸應力

式中，：定伸應力，MPa；：給定應變下記錄的力，N。

3）扯斷伸長率

式中，：式樣的初始標距，mm；：試樣斷裂時的標距，mm。

4）扯斷*伸長率

式中，：扯斷*伸長率，%；：試樣斷裂后，停放3min對起來的標距，mm；

六．實驗數據及處理

實驗原始數據：

1.用厚度計測量式樣長度部分的原始厚度，測量3次分別為1.856mm，1.869mm，1.880mm。取中間的厚度值作為試樣的原始厚度，即1.869mm，原始標距長度為25mm。

2.對橡膠試樣采用邵氏硬度計測量其硬度值。把試樣放置在堅固的平面上，拿住硬度計，壓足中孔的壓針距離試塊邊緣至少12mm，平穩(wěn)地把壓足壓在試樣上，不能有任何振動，并保持壓足平行于試樣表面，以使壓針垂直地壓入試樣，所施加的力要剛好足以使壓足和試樣*接觸，除另有規(guī)定，必須在壓足和試樣*按觸后1秒內讀數。橡膠的試樣厚度不小于6mm，寬度不小于15mm，長度不小于35mm，試樣厚度不足6mm時，可用同樣膠片重疊測定，但不超過3層。并要求膠片上下平行。檢定時室溫為23℃±5℃，檢定前硬度計在此溫度下至少存放1小時。Z后測得本實驗所用試樣的邵氏硬度為68度。

3.在電子拉伸機上進行橡膠拉伸試驗所得的數據見附錄，由所得數據和載荷-位移曲線，取點畫出應力應變曲線，按位移均勻取點如下，然后由：

應變?yōu)?/span>，應力為，得到下表：

表1 拉伸試驗的載荷-位移及其對應的應力-應變數據

位移ΔL（mm）	載荷F（N）	應變ε	應力σ（MPa）	位移ΔL（mm）	載荷F（N）	應變ε	應力σ（MPa）
0	0	0	0.000	33.8	34.2	1.352	3.050
2.6	6.5	0.104	0.580	36.4	37.5	1.456	3.344
5.2	10	0.208	0.892	39	41.5	1.56	3.701
7.8	13	0.312	1.159	41.6	45	1.664	4.013
10.4	15	0.416	1.338	44.2	48.8	1.768	4.352
13	16.5	0.52	1.471	46.8	53	1.872	4.726
15.6	18.5	0.624	1.650	49.4	57	1.976	5.083
18.2	20.4	0.728	1.819	52	62	2.08	5.529
20.8	21.8	0.832	1.944	54.6	66	2.184	5.886
23.4	23.5	0.936	2.096	57.2	70.5	2.288	6.287
26	26	1.04	2.319	59.8	75	2.392	6.688
28.6	28	1.144	2.497	62.4	78.5	2.496	7.000
31.2	31.2	1.248	2.782

根據表1中的數據，用Excel畫出橡膠拉伸的應力-應變曲線如圖3：

圖3 橡膠拉伸應力-應變曲線

4.根據附表數據，得到各種應力應變平均值如下：

1）拉伸強度：TS=8.8MPa；

2）對和300%定伸應力測量時，發(fā)現1、4兩組數據中，由于位移傳感器未夾緊等原因，造成伸長率測量值變小，使得300%伸長率的應力值為0，故只采用2、3兩組數據，這樣得到和300%的定伸應力值分別為：

：Se=（2.1+2.2）/2 MPa=2.15 MPa

300%：Se=（7.1+7.6）/2 MPa=7.35 MPa。

3）扯斷伸長率為：Eb=301%；

4）扯斷*伸長率：將拉斷后的橡膠試樣過3min后測量標距點之間的距離為：26mm。這樣扯斷*伸長率為：Sb=（26-25）/25×=4%

七．實驗結果分析討論

根據以上的應力應變值的計算可以明顯看出橡膠的彈性非常好，其伸長率可以達到300%以上，遠遠大于一般的材料，但是它的強度很低，只有7MPa左右，大概比低碳鋼的屈服強度低兩個數量級，其硬度也是比較低的。

通過本次試驗的學習，基本上掌握了拉伸強度的測試原理和測試方法，掌握了電子拉力機的使用方法和工作原理，而且根據載荷-位移曲線畫出了應力-應變曲線，并計算出了橡膠的斷裂強度、扯斷伸長率、扯斷*伸長率等性能指標。

八．實驗思考題

1）改變拉伸速率，拉伸強度將怎么變化？

答：提高拉伸速率會使強度降低，這是由于提高拉伸速率使得橡膠中運動單元來不及運動，故使得強度降低。

2）同樣實驗條件下，拉伸同一聚合物，但厚薄尺寸不同的兩個試樣，哪個試樣強度更高，說明原因。

答：厚的強度更高，因為薄試樣的形變在垂直于平面方向可以自由變形，而厚的試樣在垂直于平面方向要受到約束，這樣就需要更大的應力來使得它發(fā)生斷裂。

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