高分子材料拉伸强度及断裂伸长率冲击强度测定

1、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。图中的点为弹性极限，为弹性（比例）极限强度，为弹性极限伸长。在点前，应力应变服

2、从虎克定律：=式中 应力，mpa；应变，%；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y和y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。t（或t）称断裂伸长率，反映材料的延伸性。从曲线的形状以及t和t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t的大小，可以判断材料的强与弱；而从t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

3、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

4、，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c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t，是材料重要的质量指标，其计算公式为：t=p/（b×d） (mpa)式中 p最大破坏载荷，n；b试样

5、宽度，mm；d试样厚度，mm；断裂伸长率t是试样断裂时的相对伸长率，t按下式计算：t=（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

6、。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

7、，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3 5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

8、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，210mm；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

9、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。

10、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

11、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

12、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

13、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3 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

14、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

15、），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，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，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(cos-cos) 式中：pd 冲击摆摆力矩（常数） 冲击摆摆锤扬角 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

16、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、 实验设备（1）xjj-5简支梁冲击试验机，本试验机的基本构造如下图2所示：图2 简支梁冲击试验机结构图（2）游标卡尺2、 试样试样材料可采用pp、pe、ps、pvc等，试样类型及尺寸，缺口类型及尺寸参照gb/1043-93执行。 表1 试样类型和试样尺寸以及相应的支撑线间的距离 单位：mm试样类型长度l宽度b厚度 d支撑线间距离基本尺寸极限偏差基本尺寸极限偏差基本尺寸极限偏差180±210±0.54±0.260250

17、±16±0.54±0.2403120±215±0.510±0.5704125±215±0.513±0.595 表2 试样缺口类型和缺口尺寸 单位：mm试样类型缺口类型缺口剩余厚度dk缺口底部圆弧半径r缺口宽度n基本尺寸极限偏差基本尺寸极限偏差14ab0.8d0.251.0±0.051、32cc2/3d0.120.8±0.2±0.1注：a型、b型、c型缺口的形状见图1和图2 。 四、实验步骤1、试样准备及处理 （1）按标准gb/1043-93要求,用注射成型方法制备冲击试样。试

18、样表面平整、无气泡、裂纹、分层和明显杂质，缺口试样缺口处应无毛剌。（2）测量试样中间部位的宽和厚，准确至0.05毫米，缺口试样测量缺口的剩余厚度。（3）每组试样不少于五个gb/1043-93。2、测试（1）根据试样的冲击韧性，选用适当的冲击摆（11），并使试样所吸收的能量在冲击摆总能量的10%85%范围内。（2）根据试样的类型，选用相应的钳口（5），用对中样板按标准规定调节好跨度（支撑线间距离）。（3）放好试样，试样宽面紧贴在支座上，使冲击摆上的刀刃（12）对准试样缺口背向的中心位置，然后把冲击摆扬起150度至定位机构（8）。（4）校验冲击试验机的零点，把指针（6）拨到刻度盘（16）上零的位置。且每做一个试样校准一次。（5）一切准备好之后，按动放摆开关（1），冲击摆即可自由落下进行冲击试验。试样冲断后，由刻度盘读取冲断试样所消耗的功。凡试样未被冲断或未断在三等分中间部分或缺口处，该试样作废，另补试样试验。3、 数据处理（1）无缺口实验冲击强度a = （kj/m2）式中：e试样吸收的冲击能量,jb试样宽度,mmd试样厚度,mm（2）有缺口实验冲击强度ak = （kj/m2）式中：ek试样吸收的冲击能量,jb试样宽度,mmdk缺口试样缺口处剩余厚度,mm 3、侧向缺口实验冲