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電子拉力機(jī)測(cè)定聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)
點(diǎn)擊次數(shù)：6213 更新時(shí)間：2013-05-09
一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>
1.掌握拉伸強(qiáng)度的測(cè)試原理和測(cè)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(cè)試橡膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)；
3.通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)評(píng)價(jià)材料的力學(xué)性能（初始模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率）；
4.了解測(cè)試條件對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；
5.熟悉高分子材料拉伸性能測(cè)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(cè)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。在材料試驗(yàn)機(jī)上可以測(cè)定材料的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)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(guò)密或取代基過(guò)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。
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(guò)密或取代基過(guò)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(duì)分子質(zhì)量。在臨界相對(duì)分子質(zhì)量之前，相對(duì)分子質(zhì)量增加，強(qiáng)度增加，越過(guò)后拉伸強(qiáng)度變化不大，沖擊強(qiáng)度隨相對(duì)分子質(zhì)量增加而增加，沒(méi)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(duì)提高拉伸強(qiáng)度、彎曲強(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(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)試中可以得到幾個(gè)有用的變量。它可以測(cè)定特定伸長(zhǎng)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(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度。典型的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖1所示：
根據(jù)國(guó)標(biāo)，對(duì)測(cè)試試樣的厚度、測(cè)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）zui常見(jiàn)。
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(xiàn) |
1）打開(kāi)儀器電源，預(yù)熱15—20min。
2）控制試樣厚度2.0mm，按國(guó)標(biāo)剪裁試樣，用厚度計(jì)測(cè)量真實(shí)的厚度，測(cè)量3點(diǎn)，去測(cè)量3點(diǎn)的中位數(shù)作為式樣的厚度值。
3）橡膠試樣的測(cè)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(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試并記錄。
| 圖2 啞鈴形試樣形狀示意圖 |
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zui大力，N；W：試樣狹小平行部分寬度，mm；t：試樣長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)率
式中，：扯斷*伸長(zhǎng)率，%；：試樣斷裂后，停放3min對(duì)起來(lái)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(cè)量式樣長(zhǎng)度部分的原始厚度，測(cè)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(zhǎng)度為25mm。
2.對(duì)橡膠試樣采用邵氏硬度計(jì)測(cè)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(zhǎng)度不小于35mm，試樣厚度不足6mm時(shí)，可用同樣膠片重疊測(cè)定，但不超過(guò)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)。zui后測(cè)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(jiàn)附錄，由所得數(shù)據(jù)和載荷-位移曲線(xiàn)，取點(diǎn)畫(huà)出應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，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(duì)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(huà)出橡膠拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖3：
圖3 橡膠拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)
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(duì)100%和300%定伸應(yīng)力測(cè)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(zhǎng)率測(cè)量值變小，使得300%伸長(zhǎng)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(zhǎng)率為：Eb=301%；
4）扯斷*伸長(zhǎng)率：將拉斷后的橡膠試樣過(guò)3min后測(cè)量標(biāo)距點(diǎn)之間的距離為：26mm。這樣扯斷*伸長(zhǎng)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(zhǎng)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(jí)，其硬度也是比較低的。
通過(guò)本次試驗(yàn)的學(xué)習(xí)，基本上掌握了拉伸強(qiáng)度的測(cè)試原理和測(cè)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(xiàn)畫(huà)出了應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，并計(jì)算出了橡膠的斷裂強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率、扯斷*伸長(zhǎng)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(lái)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(shuō)明原因。
答：厚的強(qiáng)度更高，因?yàn)楸≡嚇拥男巫冊(cè)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(lái)使得它發(fā)生斷裂。
