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電子拉力機(jī)測定聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

閱讀：1170      發(fā)布時(shí)間：2014-11-22
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一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>
1.掌握拉伸強(qiáng)度的測試原理和測試方法，掌握電子拉力機(jī)的使用方法及共工作原理；
2.了解橡膠在拉伸應(yīng)力作用下的形變行為，測試橡膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；
3.通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線評價(jià)材料的力學(xué)性能（初始模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率）；
4.了解測試條件對測試結(jié)果的影響；
5.熟悉高分子材料拉伸性能測試標(biāo)準(zhǔn)條件。
二．實(shí)驗(yàn)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(xué)性能指標(biāo)。
拉伸試驗(yàn)是力學(xué)性能中一種常用的測試方法，它是在規(guī)定的試驗(yàn)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。在上可以測定材料的屈服強(qiáng)度、、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率。
影響高聚物實(shí)際強(qiáng)度的因素有：
    1）化學(xué)結(jié)構(gòu)。鏈剛性增加的因素都有助于增加強(qiáng)度，極性基團(tuán)過密或取代基過大，阻礙鏈段運(yùn)動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫高彈形變，使材料變脆。
2）相對分子質(zhì)量。在臨界相對分子質(zhì)量之前，相對分子質(zhì)量增加，強(qiáng)度增加，越過后拉伸強(qiáng)度變化不大，沖擊強(qiáng)度隨相對分子質(zhì)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(qiáng)分子鏈間的，使強(qiáng)度提高。分子鏈支化程度增加，分子間作用力小，拉伸強(qiáng)度降低，而沖擊強(qiáng)度增加。
4）應(yīng)力集中。應(yīng)力集中處會(huì)成為材料破壞的薄弱環(huán)節(jié)，斷裂首先在此發(fā)生，嚴(yán)重降低材料的強(qiáng)度。
5）添加劑。增塑劑、填料。增強(qiáng)劑和增韌劑都可能改變材料的強(qiáng)度。增塑劑使大分子間作用力減少，降低了強(qiáng)度。又由于鏈段運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，材料的沖擊強(qiáng)度增加。惰性填料只降低成本，強(qiáng)度也隨之降低，而活性填料有增強(qiáng)作用。
6）結(jié)晶和取向。結(jié)晶度增加，對提高拉伸強(qiáng)度、和彈性模量有好處。結(jié)晶尺寸越小，強(qiáng)度越高。取向使材料的強(qiáng)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(yàn)中提高拉伸速度和降低溫度都會(huì)使強(qiáng)度降低。
拉伸試驗(yàn)的一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)就是在一個(gè)相對簡單的測試中可以得到幾個(gè)有用的變量。它可以測定特定伸長率（典型100%和300%）下的應(yīng)力（300%的定伸應(yīng)力）。此外還可以得到扯斷伸長率、拉伸強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度。典型的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示：
     根據(jù)國標(biāo)，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）常見。
三.實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備
HY-0580 電子拉力機(jī)，HY（CP）沖片機(jī)，厚度計(jì)，啞鈴形試樣用裁刀。
各種橡膠試樣
四．

圖1 典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

實(shí)驗(yàn)步驟
    1）打開儀器電源，預(yù)熱15—20min。
     2）控制試樣厚度2.0mm，按國標(biāo)剪裁試樣，用厚度計(jì)測量真實(shí)的厚度，測量3點(diǎn)，去測量3點(diǎn)的中位數(shù)作為式樣的厚度值。
     3）橡膠試樣的測試
     選定試驗(yàn)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(dòng)試驗(yàn)機(jī)，測試并記錄。

圖2 啞鈴形試樣形狀示意圖

     4）按實(shí)驗(yàn)施加的負(fù)荷和試樣尺寸，計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)力值，并對應(yīng)變作圖，得應(yīng)力-應(yīng)變曲線。計(jì)算拉伸強(qiáng)度。定伸應(yīng)力、扯斷伸長率、扯斷變形。
五．計(jì)算方法和公式
1）拉伸強(qiáng)度
式中，：拉伸強(qiáng)度，MPa；：記錄的力，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(yīng)力
式中，：定伸應(yīng)力，MPa；：給定應(yīng)變下記錄的力，N。
3）扯斷伸長率
式中，：式樣的初始標(biāo)距，mm；：試樣斷裂時(shí)的標(biāo)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(biāo)距，mm；
六．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理
實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)：
1.用厚度計(jì)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(biāo)距長度為25mm。
2.對橡膠試樣采用邵氏硬度計(jì)測量其硬度值。把試樣放置在堅(jiān)固的平面上，拿住硬度計(jì)，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(dòng)，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?jiǎng)偤米阋允箟鹤愫驮嚇?接觸，除另有規(guī)定，必須在壓足和試樣*按觸后1秒內(nèi)讀數(shù)。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(shí)，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(shí)室溫為23℃±5℃，檢定前硬度計(jì)在此溫度下至少存放1小時(shí)。后測得本實(shí)驗(yàn)所用試樣的邵氏硬度為68度。
3.在電子拉伸機(jī)上進(jìn)行橡膠拉伸試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)見附錄，由所得數(shù)據(jù)和載荷-位移曲線，取點(diǎn)畫出應(yīng)力應(yīng)變曲線，按位移均勻取點(diǎn)如下，然后由：
應(yīng)變?yōu)?/span>，應(yīng)力為，得到下表：
表1 拉伸試驗(yàn)的載荷-位移及其對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)

位移ΔL（mm）

載荷F（N）

應(yīng)變ε

應(yīng)力σ（MPa）

位移ΔL（mm）

載荷F（N）

應(yīng)變ε

應(yīng)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(jù)表1中的數(shù)據(jù)，用Excel畫出橡膠拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3：

圖3 橡膠拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線
4.根據(jù)附表數(shù)據(jù)，得到各種應(yīng)力應(yīng)變平均值如下：
1）拉伸強(qiáng)度：TS=8.8MPa；
2）對100%和300%定伸應(yīng)力測量時(shí)，發(fā)現(xiàn)1、4兩組數(shù)據(jù)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(yīng)力值為0，故只采用2、3兩組數(shù)據(jù)，這樣得到100%和300%的定伸應(yīng)力值分別為：
100%：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(biāo)距點(diǎn)之間的距離為：26mm。這樣扯斷伸長率為：Sb=（26-25）/25×100%=4%
七．實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析討論
根據(jù)以上的應(yīng)力應(yīng)變值的計(jì)算可以明顯看出橡膠的彈性非常好，其伸長率可以達(dá)到300%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般的材料，但是它的強(qiáng)度很低，只有7MPa左右，大概比低碳鋼的屈服強(qiáng)度低兩個(gè)數(shù)量級，其硬度也是比較低的。
通過本次試驗(yàn)的學(xué)習(xí)，基本上掌握了拉伸強(qiáng)度的測試原理和測試方法，掌握了電子拉力機(jī)的使用方法和工作原理，而且根據(jù)載荷-位移曲線畫出了應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并計(jì)算出了橡膠的斷裂強(qiáng)度、扯斷伸長率、扯斷伸長率等性能指標(biāo)。
八．實(shí)驗(yàn)思考題
1）改變拉伸速率，拉伸強(qiáng)度將怎么變化？
答：提高拉伸速率會(huì)使強(qiáng)度降低，這是由于提高拉伸速率使得橡膠中運(yùn)動(dòng)單元來不及運(yùn)動(dòng)，故使得強(qiáng)度降低。
2）同樣實(shí)驗(yàn)條件下，拉伸同一聚合物，但厚薄尺寸不同的兩個(gè)試樣，哪個(gè)試樣強(qiáng)度更高，說明原因。
答：厚的強(qiáng)度更高，因?yàn)楸≡嚇拥男巫冊诖怪庇谄矫娣较蚩梢宰杂勺冃危竦脑嚇釉诖怪庇谄矫娣较蛞艿郊s束，這樣就需要更大的應(yīng)力來使得它發(fā)生斷裂。

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提示

位移ΔL（mm）	載荷F（N）	應(yīng)變ε	應(yīng)力σ（MPa）	位移ΔL（mm）	載荷F（N）	應(yīng)變ε	應(yīng)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