高分子材料及加工流變學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)（修改后）

05模具專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)第9頁(yè)共9頁(yè)高分子材料及加工流變學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)實(shí)驗(yàn)一塑料拉伸強(qiáng)度性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鉄崴苄运芰献⑸涑尚凸に囆阅?，了解注射成型工藝?duì)塑料制品性能的影響。測(cè)定兩種塑料的屈服應(yīng)力σy、拉伸強(qiáng)度σE、斷裂延伸率ε斷，并繪制拉伸過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；比較不同材料的性能。觀察結(jié)晶性聚合物的拉伸特征。4、掌握聚合物的靜載拉伸實(shí)驗(yàn)方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求（一）實(shí)驗(yàn)原理1、應(yīng)力-應(yīng)變曲線本實(shí)驗(yàn)是在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)溫度、濕度及不同的拉伸速度下，于式樣上沿縱軸方向施加靜態(tài)拉伸載荷，以測(cè)定塑料的力學(xué)性能。拉伸樣條的形狀如下圖。拉伸實(shí)驗(yàn)是最常見(jiàn)的一種力學(xué)實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以得出評(píng)價(jià)材料性能的屈服強(qiáng)度（σ屈），斷裂強(qiáng)度（σ斷），斷裂伸長(zhǎng)率（ε斷）等表征參數(shù)，不同聚合物、不同測(cè)定條件，測(cè)得的應(yīng)力應(yīng)變曲線是不同的。結(jié)晶性聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為三個(gè)區(qū)域，如下圖所示：OA段：曲線的起始部分，近乎是條曲線，試樣被均勻拉長(zhǎng)，應(yīng)變很小，而應(yīng)力增加很快，呈普彈形變，是由于分子的鍵長(zhǎng)、鍵角以及原子間距離的改變所引起的，其變形是可逆的，應(yīng)力和應(yīng)變之間服從虎克定律，即：σ=Eε式中：σ——應(yīng)力，MPa；ε——應(yīng)變，%；E——彈性模量，MPa。A為屈服點(diǎn)，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力叫屈服應(yīng)力（σ屈）或屈服強(qiáng)度BC段：到達(dá)屈服點(diǎn)A后，試樣突然在某處出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)“細(xì)頸”現(xiàn)象，出現(xiàn)細(xì)頸部分的本質(zhì)是分子在該處發(fā)生了取向的結(jié)晶，該處強(qiáng)度增大，故拉伸時(shí)細(xì)頸不會(huì)變細(xì)拉斷，而是向兩端擴(kuò)展，直至整個(gè)試樣完全變細(xì)為止，此階段應(yīng)力幾乎不變，而變形卻增加很多。CD段：被均勻拉細(xì)后的試樣，再度變細(xì)即分子進(jìn)一步取向，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增大，直至斷裂點(diǎn)D，試樣被拉斷，對(duì)應(yīng)于D點(diǎn)的應(yīng)力稱(chēng)為強(qiáng)度極限，是工程上最重要指標(biāo)，即抗拉伸強(qiáng)度或斷裂強(qiáng)度σE，其計(jì)算公式如下：σ斷=P/(b×d)（PMa）式中：P——最大破壞載荷，N；b——試樣寬度，mm；d——試樣厚度，mm。斷裂點(diǎn)D可能高于或低于屈服點(diǎn)A斷裂伸長(zhǎng)率ε斷是材料在斷裂時(shí)相對(duì)伸長(zhǎng)，ε斷按下式計(jì)算：ε斷=（L-Lo）/Lo×100%式中：Lo——試樣標(biāo)線間距離，mm；L——試樣斷裂時(shí)標(biāo)線間距離，mm。玻璃態(tài)高聚物拉伸時(shí)曲線發(fā)展的幾個(gè)階段（1）屈服前區(qū)曲線的起始部分近乎是條直線，試樣被均勻拉長(zhǎng)，應(yīng)變很小，應(yīng)力增加很快，呈普彈形態(tài)，服從虎克定律σ=Eε，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣仙?，這是因?yàn)橥饬κ规I長(zhǎng)、鍵角以及原子間距離改變而使大分子間存在的大量物理交聯(lián)發(fā)生形變所致，當(dāng)外力解除后，這個(gè)形變可以立即回復(fù)。（2）屈服區(qū)繼續(xù)拉伸，曲線開(kāi)始變彎，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)為屈服點(diǎn)，這時(shí)材料進(jìn)入了強(qiáng)迫高彈態(tài)形變階段，外力使大分子鏈間原有交聯(lián)點(diǎn)遭到破壞。延伸區(qū)材料屈服后，再被拉伸，從曲線上可以看出應(yīng)力基本不變，而形變很大，這是由于在外力作用下，強(qiáng)迫大分子鏈運(yùn)動(dòng)，分子重新構(gòu)象，而且運(yùn)動(dòng)的范圍可以很大，大分子鏈沿外力作用方向可能被拉直。增強(qiáng)區(qū)隨著拉伸過(guò)程的進(jìn)行，取向拉直的大分子鏈之間斷裂的物理交聯(lián)點(diǎn)逐步增加，若使材料再伸長(zhǎng)，只有更大的力才能使分子之間產(chǎn)生滑移，致使形變應(yīng)力重新增加，曲線急轉(zhuǎn)而上，直至材料斷裂。影響高聚物機(jī)械強(qiáng)度的因素大分子鏈的主價(jià)鏈，分子間力以及高分子鏈的柔性等，是決定高聚物機(jī)械強(qiáng)度的主要內(nèi)在因素。在加工過(guò)程中所留下來(lái)的各種痕跡如成型制品表層及內(nèi)部冷卻速度不一致，表面先凝固，內(nèi)部仍處于高熱狀態(tài)，產(chǎn)生一種阻止表面形成完表皮結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力，使得外表皮上出現(xiàn)許多龜裂，整個(gè)物體冷卻后，這些龜裂以裂縫、結(jié)構(gòu)不均勻的細(xì)致、凹陷、真空泡等形式留在制品表面或內(nèi)層。此外，由于混料及塑化不均，以及引進(jìn)微小氣泡或各種雜質(zhì)，這些隱患均成為制品強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)。環(huán)境溫度、濕度及拉伸速度等對(duì)機(jī)械強(qiáng)度有著非常重要的影響，塑料是屬于高彈態(tài)材料，它的力學(xué)松弛過(guò)程對(duì)拉伸速度和環(huán)境溫度非常敏感。升高溫度使分子鏈段的熱運(yùn)動(dòng)加劇，松弛過(guò)程進(jìn)行得較快，拉伸時(shí)表現(xiàn)較大的形變和較低的強(qiáng)度；拉伸速度低時(shí)，由于速度慢，外力作用持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，分子鏈來(lái)得及取向位移，進(jìn)行重排，所以，試樣表現(xiàn)出較大的形變和較低的強(qiáng)度，因此，降低拉伸速度和增加實(shí)驗(yàn)溫度的結(jié)果是等效的。（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）用標(biāo)準(zhǔn)試樣注射成型模具在注射機(jī)上分別加工PP、ABS兩種材料各三至五組試樣。（2）用20mm/min,50mm/min兩種拉伸速度分別拉伸測(cè)試上述兩種材料試樣的拉伸曲線。（3）分別計(jì)算上述兩種材料的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、延伸率。實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備和材料（1）LJ—1000型拉力試驗(yàn)機(jī)；（2）CJ80TB型塑料注射成型機(jī)；（3）標(biāo)準(zhǔn)試樣注射成型模具；（4）游標(biāo)尺等其他輔助工具。四、實(shí)驗(yàn)方法、步驟及結(jié)果測(cè)試1、加工試樣（注射成型工藝實(shí)驗(yàn)）（1）把標(biāo)準(zhǔn)試樣注射成型模具安裝到注射機(jī)上，在老師指導(dǎo)下調(diào)整好鎖模力；（2）調(diào)整注射機(jī)料筒前段加熱溫度為230℃，后段溫度為180打開(kāi)料筒加熱開(kāi)關(guān)加熱料筒；（3）啟動(dòng)注射機(jī)油泵開(kāi)關(guān)，打開(kāi)壓力表，按住注射模擬開(kāi)關(guān)，調(diào)整注射壓力為3.0MPa；同理按相同程序調(diào)整保壓壓力2.8MPa；（4）調(diào)整注射時(shí)間3S、保壓時(shí)間5S、冷卻時(shí)間20S；（5）料筒加熱顯示達(dá)到加熱溫度后15分鐘，可啟動(dòng)注射機(jī)加工試樣；（6）試樣加工后切除水口料，待其冷卻至室溫后可進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。2、拉伸實(shí)驗(yàn)（1）調(diào)整拉伸機(jī)的拉伸速度為20m/min（50mm/min）;把重錘B安裝到杠桿上；（2）把試樣安裝到拉伸試驗(yàn)機(jī)的夾具上，調(diào)整試樣的長(zhǎng)度讀數(shù)，并把拉力讀數(shù)盤(pán)的讀數(shù)調(diào)整為零，把繪圖儀的紙筆安裝好；（3）開(kāi)啟試驗(yàn)機(jī)測(cè)定拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（4）記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程的屈服拉力、斷裂拉力及拉伸增長(zhǎng)量；（5）重復(fù)上述步驟，把兩種材料三組（或五組）試樣全部作完。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求(一)數(shù)據(jù)處理（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)計(jì)算各個(gè)試樣的應(yīng)力、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度，按PP、ABS兩種材料的試樣在20mm/min、50mm/min拉伸速度下，分別計(jì)算各自屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度的平均值，并繪制各自的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（2）按PP、ABS兩種材料的試樣在20mm/min、50mm/min拉伸速度下，分別計(jì)算各自延伸率的平均值。（二）實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求記錄實(shí)驗(yàn)材料的名稱(chēng)，試樣注射加工的工藝條件（即注射壓力、保壓壓力、注射時(shí)間、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間、料筒溫度）；2．記錄拉伸速度及拉伸原始數(shù)據(jù)，即各試樣的截面尺寸、屈服力、拉斷力、試樣伸長(zhǎng)絕對(duì)值；3.按下式計(jì)算各試樣的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、延伸率；伸長(zhǎng)率100%拉伸應(yīng)力（N/mm2）lo、Ao——起始長(zhǎng)度(mm)、起始截面積(mm2)，Δl為絕對(duì)伸長(zhǎng)；F——計(jì)算屈服強(qiáng)度σy時(shí)，F(xiàn)是屈服時(shí)的載荷Fy（N）；計(jì)算拉伸強(qiáng)度σE時(shí)，F(xiàn)時(shí)試樣被拉斷前的最大載荷Fmax（N）。六、思考題1、比較PP、ABS兩種材料的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、延伸率有何不同，為什么？2、分析拉伸速度對(duì)材料延伸率的影響。附：實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄及計(jì)算數(shù)據(jù)表注射成型工藝參數(shù)：溫度（℃）：一段二段三段壓力（MPa）：注射保壓預(yù)塑背壓時(shí)間（s）：注射保壓冷卻試樣截面尺寸（mm×mm）：試樣序號(hào)試樣標(biāo)記試樣材料拉伸速度mm/s屈服拉力N屈服應(yīng)力N/mm2斷裂拉力N斷裂應(yīng)力N/mm2絕對(duì)伸長(zhǎng)mm延伸率%備注：試樣標(biāo)記注明澆口尺寸實(shí)驗(yàn)二高分子材料沖擊性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.主要測(cè)定塑料的沖擊強(qiáng)度，并了解其對(duì)制品使用的重要性；2.了解沖擊實(shí)驗(yàn)原理，學(xué)會(huì)使用沖擊試驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)原理研究塑料的力學(xué)性能，除采用靜力實(shí)驗(yàn)外，還采用動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，因?yàn)楦呔畚锊牧现瞥傻牧悴考袝r(shí)要在載荷速度很大的情況下使用，因此要對(duì)這些材料做快速載荷下的性能測(cè)定，其中以沖擊實(shí)驗(yàn)應(yīng)用得最廣泛。材料抗御外力沖擊損壞的能力稱(chēng)為韌度。通過(guò)抗沖擊實(shí)驗(yàn)，可以比較不同的塑料材料，哪些屬于韌性的，哪些屬于脆性的。一般沖擊強(qiáng)度可用下列幾種方法進(jìn)行測(cè)定：擺錘式?jīng)_擊彎曲實(shí)驗(yàn)——包括簡(jiǎn)支梁型和懸臂梁型；落錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)；高速拉伸沖擊實(shí)驗(yàn)。我國(guó)經(jīng)常使用的是簡(jiǎn)支梁式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)方法，它所測(cè)得沖擊強(qiáng)度數(shù)據(jù)是指試樣破斷時(shí)單位面積上所消耗的能量?；驹硎前褦[錘從垂直位置掛于機(jī)架的揚(yáng)臂上以后，此時(shí)揚(yáng)角為α（如下右圖所示），它便獲得了一定的勢(shì)能，如任其自由落下，則此勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，將試樣沖斷，沖斷以后，擺錘以剩余的能量升到某一高度，升角為β。在整個(gè)沖擊實(shí)驗(yàn)中，按照能量守恒的關(guān)系可寫(xiě)出下式：A=m(ho-h)=mL(cosβ-cosα)式中m——沖錘質(zhì)量，kgα——沖錘沖前之揚(yáng)角L——沖錘擺長(zhǎng)，mβ——沖錘沖斷試樣后之升角；A——沖斷試樣所消耗的功，J式中除β外均為已知數(shù)，故根據(jù)擺錘沖斷試樣后生角β的大小，即可繪制出讀數(shù)盤(pán)，由讀數(shù)盤(pán)可以直接讀出沖斷試樣時(shí)消耗的功的數(shù)值。將此功除以試樣的橫截面積，即為材料的沖擊強(qiáng)度σI（kJ/m2）.按下式計(jì)算：式中A——沖斷試樣所消耗的功，kJ；b——試樣寬度，m；d——試樣厚度，m。缺口試樣沖擊強(qiáng)度σi(kJ/m2)按下式計(jì)算：式中A、b同前；D1——缺口試樣剩余厚度，m。實(shí)驗(yàn)設(shè)備、試樣及條件設(shè)備XJJ—50簡(jiǎn)支梁式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)（1）簡(jiǎn)支梁式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的基本構(gòu)造有三部分，即機(jī)架部分、擺錘沖擊部分和指示系統(tǒng)部分，如下圖。（2）游標(biāo)卡尺一把。試樣試樣尺寸：（120±1）mm×(15±0.2)mm×(10±0.2)mm;脆性材料——ABS；非脆性材料——PP；試樣要求表面平整，無(wú)氣泡、裂紋、分層、傷痕等缺陷。缺口試樣：缺口深度為試樣厚度的1/3，缺口寬度為（2±0.2）mm。每組試樣不少于5個(gè)。實(shí)驗(yàn)機(jī)樣條跨度調(diào)節(jié)長(zhǎng)120mm的試樣，其跨度要求為70mm。缺口背向沖錘，缺口位置與沖錘對(duì)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)步驟1.熟悉設(shè)備，檢查機(jī)座是否水平。2.用卡尺測(cè)量試樣中間部位的寬度、厚度，準(zhǔn)確至0.02mm。3.調(diào)節(jié)支座跨度。4.調(diào)節(jié)指針零點(diǎn)，將擺錘舉起卡好，使其自由落下，觀察指針是否從最大刻度旋至零點(diǎn)，如不在零點(diǎn)，則將鉤環(huán)轉(zhuǎn)一相應(yīng)的角度，直至調(diào)整好為止，然后將擺錘舉起卡好。5.將試樣面貼緊在直角支座的垂直面上。6.將指針撥至右邊的滿量程位置。7.扳動(dòng)手柄抓鉤，放松擺錘，使其自由落下，將試樣沖斷時(shí)，指針?biāo)笖?shù)值即為A值，記錄讀數(shù)。8.按公式計(jì)算每個(gè)試樣的沖擊強(qiáng)度，并取其算術(shù)平均值。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)原理與意義；記錄操作步驟；記錄原始數(shù)據(jù)并計(jì)算結(jié)果；比較脆性材料與非脆性材料的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)注意