高分子材料拉伸強度及斷裂伸長率、沖擊強度測定

1、實驗1 高分子材料拉伸強度及斷裂伸長率測定一、實驗?zāi)康耐ㄟ^實驗了解聚合物材料應(yīng)力應(yīng)變曲線特點、試驗速度對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響、拉伸強度及斷裂伸長率的意義，熟悉它們的測試方法；并通過測試應(yīng)力應(yīng)變曲線來判斷不同聚合物的力學(xué)性能。二、實驗原理為了評價聚合物材料的力學(xué)性能，通常用等速施力下所獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線來進行描述。所謂應(yīng)力是指拉伸力引起的在試樣內(nèi)部單位截面上產(chǎn)生的內(nèi)力；而應(yīng)變是指試樣在外力作用下發(fā)生形變時，相對其原尺寸的相對形變量。不同種類聚合物有不同的應(yīng)力應(yīng)變曲線。等速條件下，無定形聚合物典型的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。圖中的點為彈性極限，為彈性（比例）極限強度，為彈性極限伸長。在點前，應(yīng)力應(yīng)變服

2、從虎克定律：=式中 應(yīng)力，mpa；應(yīng)變，%；彈性（楊氏）模量（曲線的斜率），mp 。曲線斜率e反映材料的硬性。y稱屈服點，對應(yīng)的y和y稱屈服強度和屈服伸長。材料屈服后，可在t點處，也可在t點處斷裂。因而視情況，材料斷裂強度可大于或小于屈服強度。t（或t）稱斷裂伸長率，反映材料的延伸性。從曲線的形狀以及t和t的大小，可以看出材料的性能，并借以判斷它的應(yīng)用范圍。如從t的大小，可以判斷材料的強與弱；而從t的大小，更正確地講是從曲線下的面積大小，可判斷材料的脆性與韌性。從微觀結(jié)構(gòu)看，在外力的作用下，聚合物產(chǎn)生大分子鏈的運動，包括分子內(nèi)的鍵長、鍵角變化，分子鏈段的運動，以及分子間的相對位移。沿力方向的整

3、體運動（伸長）是通過上述各種運動來達到的。由鍵長、鍵角產(chǎn)生的形變較?。ㄆ諒椥巫儯?，而鏈段運動和分子間的相對位移（塑性流動）產(chǎn)生的形變較大。材料在拉伸到破壞時，鏈段運動或分子位移基本上仍不能發(fā)生，或只是很小，此時材料就脆。若達到一定負荷，可以克服鏈段運動及分子位移所需要的能量，這些運動就能發(fā)生，形變就大，材料就韌。如果要使材料產(chǎn)生鏈段運動用分子位移所需要的負荷較大，材料就較強及硬。圖1 無定形聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線 圖2 結(jié)晶型聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線結(jié)晶性高聚物的應(yīng)力應(yīng)變曲線分三個區(qū)域，如圖2所示。（1）oc段曲線的起始部分，近似直線，屬普彈性變形，是由于分子的鍵長、鍵角以及原子間的距離改變所引起的

4、，其形變是可逆的，應(yīng)力與應(yīng)變之間服從胡克定律。（2）微晶在c點以后將出現(xiàn)取向或熔解，然后沿力場方向進行重排或重結(jié)晶，故c稱重結(jié)晶強度，它同時也是材料“屈服”的反映。從宏觀上看，材料在c點將出現(xiàn)細頸，出現(xiàn)細頸現(xiàn)象的本質(zhì)是分子在該處發(fā)生取向結(jié)晶，使該處強度增大。隨著拉伸的進行，細頸不斷發(fā)展，至d點細頸發(fā)展完全，此階段應(yīng)力幾乎不變，而變形增加很大。（3）dt段 被均勻拉細后的試樣，分子進一步取向，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而增大，直到斷裂點t，試樣被拉斷，t點的應(yīng)力稱為強度極限，即抗拉強度或斷裂強度t，是材料重要的質(zhì)量指標(biāo)，其計算公式為：t=p/（bd） (mpa)式中 p最大破壞載荷，n；b試樣寬度，mm；

5、d試樣厚度，mm；斷裂伸長率t是試樣斷裂時的相對伸長率，t按下式計算：t=（f-g）/g100%式中g(shù)試樣標(biāo)線間的距離，mm；f試樣斷裂時標(biāo)線間的距離，mm。對于結(jié)晶聚合物，當(dāng)結(jié)晶度非常高時（尤其當(dāng)晶相為大的球晶時），會出現(xiàn)聚合物脆性斷裂的特征。總之，當(dāng)聚合物的結(jié)晶度增加時，模量將增加，屈服強度和斷裂強度也增加，但屈服形變和斷裂形變卻減小。聚合物晶相的形態(tài)和尺寸對材料的性能影響也很大。同樣的結(jié)晶度，如果晶相是由很大的球晶組成，則材料表現(xiàn)出低強度、高脆性傾向。如果晶相是由很多的微晶組成，則材料的性能有相反的特征。另外，聚合物分子鏈間的化學(xué)交聯(lián)對材料的力學(xué)性能也有很大的影響。這是因為有化學(xué)交聯(lián)時，

6、聚合物分子鏈之間不可能發(fā)生滑移，粘流態(tài)消失。當(dāng)交聯(lián)密度增加時，對于tg以上的橡膠態(tài)聚合物來說，其抗張強度增加，模量增加，斷裂伸長率下降。交聯(lián)度很高時，聚合物成為三維網(wǎng)狀鏈的剛硬結(jié)構(gòu)。因此，只有在適當(dāng)?shù)慕宦?lián)度時抗張強度才有最大值。綜上所述，材料的組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)都會對應(yīng)力與應(yīng)變產(chǎn)生影響。即使是同一品種，由于它們的交聯(lián)度、結(jié)晶度、增塑劑含量及分子量的大小不同而表現(xiàn)出不同的結(jié)果。另，不同的測定條件（試驗溫度和試驗速度）對聚合物應(yīng)力應(yīng)變曲線也有很大的影響。塑料屬于粘彈性材料，它的力學(xué)松弛過程不僅與試驗溫度有關(guān)，且與時間即試驗速度有關(guān)。當(dāng)升高溫度時，分子鏈段的熱運動增加，松弛過程進行得較快，在

7、拉伸試驗中就表現(xiàn)出較大的變形和較低的強度。而當(dāng)減慢拉伸速度時，使外力作用時間延長，即松弛過程進行得較快，在拉伸試驗中就表現(xiàn)出較大的變形和較低的強度。但不同的塑料其影響程度不同。歸納各種不同類聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線，主要有以下5種類型，如圖3所示。應(yīng)力應(yīng)變實驗所得的數(shù)據(jù)也與溫度、濕度、拉伸速度有關(guān)。因此，應(yīng)規(guī)定一定的測試條件。 圖3 5種類型聚合物的應(yīng)力應(yīng)變曲線 （a）軟而弱；（b）硬而脆；（c）硬而強；（d）軟而韌；（e）硬而韌三、實驗儀器、用具及試樣1、采用承德精密試驗機有限公司生產(chǎn)的wdt-20kn電子式萬能材料試驗機。電子式萬能材料試驗機整機示意圖見圖4。2、游標(biāo)卡尺一把。3、高密度聚乙烯

8、（hdpe）、聚丙烯（pp）、無定形聚苯乙烯（ps）標(biāo)準(zhǔn)試樣，拉伸樣條的形狀（雙鏟型）如圖5所示。試樣表面應(yīng)平整，無氣泡、裂紋、分層及機械加工損傷等缺陷。l總長度（最?。?，150mm；b試樣中間平行部分寬度，100.2mm；c夾具間距離，115mm；d試樣厚度，210mm；g試樣有效距離，500.5mm；h試樣端部寬度，200.2mm；r半徑，60mm。圖4 電子式萬能材料試驗機整機示意圖四、實驗步驟準(zhǔn)備兩組試樣，每組三種樣條（hdpe、pp、ps或sbs/ps），每組的拉伸速度不同：a組25mm/min，b組50mm/min。1、熟悉萬能試驗機的結(jié)構(gòu)，操作規(guī)程和注意事項。萬能試驗機操作面板見

9、圖6。圖6 萬能試驗機操作面板a、顯示窗“負荷”顯示窗顯示負荷值；“變形”顯示窗顯示變形值；“速度”顯示窗顯示當(dāng)前橫梁位移速度值；b、指示燈“拉伸”、“壓縮”、“彎曲”等指示燈指示試驗類型；“運行”指示燈在試驗過程中閃爍；“等待”指示燈在試驗結(jié)束后等待繼續(xù)實驗時閃爍，在待機狀態(tài)與實驗過程中不亮；“電機告警”指示燈指示電機告警狀態(tài)；“上升”與“下降”指示橫梁位移方向；“上限位”與“下限位”指示限位開關(guān)狀態(tài)； “過載保護”與“撞車保護”指示橫梁負荷保護狀態(tài)。2、用游標(biāo)卡尺量樣條中部左、中、右三點的寬度和厚度，精確到0.02mm，取平均值。試樣應(yīng)編號，標(biāo)出有效距離50mm和夾具間距離115mm。3、

10、實驗參數(shù)設(shè)定接通電源，啟動試驗機按鈕，啟動計算機；雙擊桌面上“mcgs環(huán)境”進入系統(tǒng)主界面；分別點擊“試驗編號”、“試樣設(shè)定”、“試樣參數(shù)”、“測試項目”等按扭，設(shè)定參數(shù)。設(shè)定試驗編號；注意試驗編號不能重復(fù)使用；試樣設(shè)定：試驗類型： 拉伸橫梁方向 ：向上橫梁速度： 25或50mm/min變形測量： 橫梁位移試驗結(jié)束條件：當(dāng)負荷降到20%（最大）時傳感器選擇 ：下空間 20000n曲線選擇 ：負荷-形變；設(shè)定試樣參數(shù)：板材、寬度、厚度標(biāo)距：50每批數(shù)量： 3；測試項目：最大負荷點、斷裂點、斷裂伸長率；裝夾試樣：點擊黃色三角形升降鍵將橫梁運行到適當(dāng)?shù)奈恢茫瑢悠吩谏舷聤A具上夾牢。夾試樣時，應(yīng)使試樣

11、的中心線與上下夾具中心線一致。4、試驗：點擊負荷清零和變形清零，點擊開始試驗，進行拉伸試驗，觀察拉伸過程的變形特征，直到試樣斷裂為止，記錄試驗數(shù)據(jù)；5、結(jié)果分析：點擊主界面的“分析”，進入曲線分析界面，手動分析時，在分析結(jié)果區(qū)域中用鼠標(biāo)左鍵雙擊對應(yīng)的字母，然后在對應(yīng)的曲線處單擊，便可顯示對應(yīng)的數(shù)據(jù)，要想取消某一分析點，可在分析結(jié)果區(qū)域中，用鼠標(biāo)左鍵雙擊對應(yīng)的字母，然后雙擊鼠標(biāo)右鍵即可；6、改變速度，重復(fù)做第二組試樣。五、實驗注意事項1、實驗前要認真預(yù)習(xí)，集中精神聽指導(dǎo)老師講解，操作試驗機時，認真細致，注意安全。2、夾具安裝應(yīng)注意上下垂直在同一平面上，防止實驗過程中試樣性能受到額外剪切力的影響。

12、六、實驗報告要求1、簡述實驗原理。2、明確操作步驟和注意事項。3、做好原始記錄。4、詳細記錄拉伸過程中觀察到的現(xiàn)象，結(jié)合學(xué)過的理論知識分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因（包括變形情況，表面及顏色變化，斷裂情況及斷面情況等）。 5、根據(jù)實驗測定的應(yīng)力應(yīng)變曲線，評價測試材料（hdpe、pp、ps或sbs/ps）的屈服強度，斷裂強度和斷裂伸長率等表征參數(shù)，判斷材料的強弱、軟硬、韌脆，說明材料的大致用途，并簡要分析不同的高聚物，不同的測定條件，對測試結(jié)果的影響。七、預(yù)習(xí)要求1、搞清實驗原理；2、了解萬能試驗機結(jié)構(gòu)，操作規(guī)程及注意事項（來實驗室進行）。3、寫好預(yù)習(xí)報告，準(zhǔn)備記錄表格。八、實驗記錄參考表格實驗名稱： 實驗

13、設(shè)備名稱及型號規(guī)格： 試樣名稱 實驗溫度 濕度 日期 試樣編號樣品寬度b/mm樣品厚度d/mm樣品面積/mm拉伸速度mm/min拉伸強度mpa屈服載荷mpa斷裂載荷mpa斷裂伸長率/%備注思考題1、如何根據(jù)聚合物材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線來判斷材料的性能？2、在拉伸實驗中，如何測定模量？3、拉伸強度與斷裂伸長率會隨拉伸速度的改變而變化嗎？為什么？4、結(jié)晶聚合物（如pe）與無定形聚合物（如ps）的應(yīng)力應(yīng)變曲線有何不同？塑料與橡膠呢？實驗3 塑料沖擊強度實驗一、實驗?zāi)康?1、加深對塑料沖擊強度概念的理解； 2、熟悉聚合物的沖擊強度測試原理，掌握簡支梁沖擊試驗機的操作方法及其結(jié)果處理；3、了解測試條件對結(jié)果

14、的影響。二、實驗原理沖擊實驗是在沖擊負荷的作用下測定材料的沖擊強度。在實驗中對高聚物試樣施加一次沖擊負荷使試樣破壞，記錄下試樣破壞時或過程中試樣單位面積所吸收的能量，即得到?jīng)_擊強度。沖擊強度是高分子材料的一項很重要的性能指標(biāo)，可評價材料的抗沖擊能力，判斷其脆性和韌性程度。沖擊實驗的方法很多，根據(jù)試樣的受力狀態(tài)不同，可分為擺錘式彎曲沖擊（簡支梁沖擊gb1043和懸臂梁沖擊gb1843）、拉伸沖擊和剪切沖擊，本實驗采用簡支梁沖擊gb1043方法，工作原理如下圖1所示。 圖1 簡支梁沖擊實驗工作原理示意圖實驗設(shè)備為簡支梁沖擊試驗機（如原理圖），本試驗機的基本構(gòu)造由機身、試樣支座、沖擊擺、測量裝置及操

15、縱機構(gòu)五部分組成。其基本原理是把擺錘抬高置掛于機架的揚臂上以后，此時揚角為，如圖所示，它便獲得了一定的位能。當(dāng)擺錘自由落下，則位能轉(zhuǎn)化為動能將試樣沖斷。沖斷試樣后，擺錘仍以剩余能量升到其一高度，升角為，在整個沖擊試驗過程中，按照能量守恒定律，試樣所消耗沖擊能量按下式計算： e = pd(cos-cos) 式中：pd 沖擊擺擺力矩（常數(shù)） 沖擊擺擺錘揚角 沖擊實驗后擺錘升起的角度 本實驗機中由于擺的沖擊常數(shù)pd、沖擊前擺錘揚角均為常數(shù)，因此只要測出沖斷試樣后的擺錘升角，即可根據(jù)上述公式計算出試樣沖斷時所消耗的能量來，本實驗機刻度盤的刻度就是根據(jù)上述原理進行計算的，因此我們實驗時就可以直接從刻度盤

16、中讀出沖擊能量。注意，本公式只適用于最大沖擊能量大于5焦耳。三、實驗設(shè)備、用具及試樣1、 實驗設(shè)備（1）xjj-5簡支梁沖擊試驗機，本試驗機的基本構(gòu)造如下圖2所示：圖2 簡支梁沖擊試驗機結(jié)構(gòu)圖（2）游標(biāo)卡尺2、 試樣試樣材料可采用pp、pe、ps、pvc等，試樣類型及尺寸，缺口類型及尺寸參照gb/1043-93執(zhí)行。 表1 試樣類型和試樣尺寸以及相應(yīng)的支撐線間的距離 單位：mm試樣類型長度l寬度b厚度 d支撐線間距離基本尺寸極限偏差基本尺寸極限偏差基本尺寸極限偏差1802100.540.260250160.540.24031202150.5100.57041252150.5130.595 表2

17、 試樣缺口類型和缺口尺寸 單位：mm試樣類型缺口類型缺口剩余厚度dk缺口底部圓弧半徑r缺口寬度n基本尺寸極限偏差基本尺寸極限偏差14ab0.8d0.251.00.051、32cc2/3d0.120.80.20.1注：a型、b型、c型缺口的形狀見圖1和圖2 。 四、實驗步驟1、試樣準(zhǔn)備及處理 （1）按標(biāo)準(zhǔn)gb/1043-93要求,用注射成型方法制備沖擊試樣。試樣表面平整、無氣泡、裂紋、分層和明顯雜質(zhì)，缺口試樣缺口處應(yīng)無毛剌。（2）測量試樣中間部位的寬和厚，準(zhǔn)確至0.05毫米，缺口試樣測量缺口的剩余厚度。（3）每組試樣不少于五個gb/1043-93。2、測試（1）根據(jù)試樣的沖擊韌性，選用適當(dāng)?shù)臎_擊

18、擺（11），并使試樣所吸收的能量在沖擊擺總能量的10%85%范圍內(nèi)。（2）根據(jù)試樣的類型，選用相應(yīng)的鉗口（5），用對中樣板按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定調(diào)節(jié)好跨度（支撐線間距離）。（3）放好試樣，試樣寬面緊貼在支座上，使沖擊擺上的刀刃（12）對準(zhǔn)試樣缺口背向的中心位置，然后把沖擊擺揚起150度至定位機構(gòu)（8）。（4）校驗沖擊試驗機的零點，把指針（6）撥到刻度盤（16）上零的位置。且每做一個試樣校準(zhǔn)一次。（5）一切準(zhǔn)備好之后，按動放擺開關(guān)（1），沖擊擺即可自由落下進行沖擊試驗。試樣沖斷后，由刻度盤讀取沖斷試樣所消耗的功。凡試樣未被沖斷或未斷在三等分中間部分或缺口處，該試樣作廢，另補試樣試驗。3、 數(shù)據(jù)處理（1）無缺口實驗沖擊強度a = （kj/m2）式中：e試樣吸收的沖擊能量,jb試樣寬度,mmd試樣厚度,mm（2）有缺口實驗沖擊強度ak = （kj/m2）式中：ek試樣吸收的沖擊能量,jb試樣寬度,mmdk缺口試樣缺口處剩余厚度,mm 3、側(cè)向缺口實驗沖擊強度ak