试验1高分子材料拉伸强度及断裂伸长率测定.docx
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试验1高分子材料拉伸强度及断裂伸长率测定
实验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,εα为弹性极限伸长。
在α点前,应力—应变服从虎克定律:
σ=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εy称屈服强度和屈服伸长。
材料屈服后,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εt的大小,可以看出材料的性能,并借以判断它的应用范围。
如从σt的大小,可以判断材料的强与弱;而从εt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σt,是材料重要的质量指标,其计算公式为:
σt=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εt是试样断裂时的相对伸长率,εt按下式计算:
εt=(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35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
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