金属材料拉伸试验报告

塑料力学性能实验（拉伸实验、弯曲实验）

一、实验目的：

1、通过等速应变实验得到聚合物材料大形变的应力-应变曲线，正确理解杨氏模量、屈服强度、弯曲强度、拉伸强度和断裂伸长率等评价材料力学性能的特征参数的物理意义；

2、观察聚合物材料特有的应变软化现象和塑性不稳定性--细颈；

3、了解聚合物应力-应变曲线的各种类型和屈服点特症；

4、掌握材料试验机的使用方法。 二、实验原理：

图

14-1所示的棒，在它的两个端头A 0上受到两个大小相等、方向相反的正向拉力P ，则拉伸应力为

σt =A

p 0

。如果力P 把棒从原长l 0拉长到l ，拉

伸应变ε1=l l l 00

-=l

l 0

∆，σt 、ε1

之比就是杨氏模量E=

ε

σ1

t

。单向拉伸时，不仅在拉伸方向有外形

尺寸的变化，而且在垂直于拉力p 的方向上也 图14-1单向拉伸

伴有尺寸的变化(横向收缩)。如果横向尺寸分别出b 0、d 0变为b 、d ，则横

向应变为b

b b 0

2

-=

ε和d

d d 0

3

-=

ε。泊松比γ是将这此外形尺寸的变化相互

联系起来的常数，它定义为横向收缩对纵向拉伸之比，γ=

ε

ε

εε1

31

2=。由此可见，

材料受力时，在外形尺寸改变的同时它的体积也发生了变化。一般来说，当材料处于拉应力下其体积增加，此时泊松比小于1／2。可以证明，如果拉伸时材料体积不变，则泊松比等于1／2。橡胶和流体的泊松比接近1／2，即它们拉伸时体积几乎不变。实验表明，对大多数聚合物，在拉伸时的体积变化相对于其形状改变来说是可以忽略不计的。因此，由单向拉伸实验得到的资料可以与简单剪切实验得到的资料相比较。在小形变时，剪切模量（G ）和杨氏模量E≈3G 的近似关系。拉伸实验是很容易实现的，从聚合物材料的拉伸图上可以得到很多有用的

信息，是一种应用很广的形变类型。

材料开始塑性变形就说是材料屈服了，屈服致使试样的整体形状发生了明显的改变。从实用观点来看，材料产生塑性形变就丧失了其使用价值。对聚合物，这一点尤其重要。聚合物本质上是韧性材料，而韧性材料的使用极限一般不是它的极限强度，而正是它的屈服强度。聚合物很多加工过程是与它们的屈服特性有关的，如纤维拉伸和薄膜拉制。刚从喷丝头纺出的纤维其强度并不高，只有经过拉伸使之成颈，强度才能提高。实际使用的合成纤维正是它拉伸的细颈部分。因此对聚合物材料的屈服行为、成颈机理的深入了解，对纤维、薄膜性能的提高和拉伸、辊压工艺的改进都很重要。此外，聚合物的屈服与断裂密切相关。聚合物试样从完好状态到完全断裂，中间大多经过屈服这一过程。聚合物是韧是脆、韧脆之间如何转变乃至断裂机理(银纹等)的研究都需要用到材料屈服行为的知识。

聚合物的屈服行为是通过应力-应变的试验曲线来进行研究的，应力-应变的试验曲线是一种使用很广的力学试验结果。从试验测定的应力-应变曲线可以得到评价材料性能极为有用的诸如杨氏模量、屈服强度、拉伸强度和断裂伸长等指标。在宽广的温度和试验速率范围内测得的数据可以帮助我们判断聚合物材料的强弱、硬软、韧脆，也可以粗略地估计聚合物所处的状态。

典型的应力-应变曲线如图14-2所示。整根应力-应变曲线以屈服点A为界，

可以分成两个部分。屈服点以前，材料

处在弹性区域(OA段)，卸载后形变能

全部回复、不出现任何永久变形，屈服

点是材料在卸载后还能完全保持弹性

的临界点，相应于屈服点A的应力叫

做材料的屈服强度或屈服应力 f。屈

服点以后，材料进入塑性区域，具有典

型的塑性特征。卸载后图14-2 聚合物典型的应力-应变曲线形变不可能完全回复，出现永久变形或残余应变。材料在塑性区域内的应力、应变关系呈现复杂情况：先经过一小段应变软化：应变增加、应力反稍有跌(AB段)；随即试样出现塑性不稳定性-细颈：应变增加、应力基本保持不变(BC段)；又经取向硬化，应力急剧增加(CD段)，最后在D点断裂。相应于D点的应力称为强度极限，也就是工程上重要的力学性能指标-拉

伸断裂强度。而断裂伸长率则是材料在断裂时的相对伸长=εt l

l l 0

-100⨯。

材料的杨氏弹性模量是沿用应力-应变曲线起始部分OA 段的斜率

=E α

tg ，它表示材料对形变的弹性抵抗，OA 段斜率越大，杨氏模量越大，

就是材料的刚度越大，越不易变形。由于许多聚合物材料的应力-应变曲线的起始部分并不一定是直线，在这种情况下杨氏模量可以用下面三种方法中的任意一种来定义。①起始切线模量=E αtg 1

，为应力-应变曲线在原点的斜率；②割

线模量=E αtg 2

，为应力-应变曲线起始部分上某点到原点连线的斜率；③切

线模量=E αtg 3

，为应力-应变曲线起始部分某点处的斜率(图14-3)。

图14-3 杨氏模量的三种表示

聚合物材料的品种繁多，它们的应力-应变曲线呈现出多种多样的形式。若按在拉伸过程中屈服点表现、伸长率大小及其断裂情况，大致可以分为五种类型：①硬而脆；②硬而韧；③硬而强；④软而韧；⑤软而弱；图14-4所示为曲线的这五种类型。

图14-4 聚合物应力-应变曲线的类型

许多聚合物材料在塑性形变时往往会出现不稳定的均匀形变。在试样某个局

部的应变比试样整体的应变增加得更为迅速，使得本来是均匀的形变变成不均匀形变，呈现出各种塑性不稳定性。其中最为人们熟悉的也是最重要的是拉伸试验中细颈的形成，成颈是纤维和薄膜拉伸工艺的基础，纤维就是拉伸试样的细颈部分。产生塑性不稳定性的原因可能有两个：一个是几何上的，一个是结构上的。这两个原因也可以同时产生作用。几何原因指的是材料试片尺寸在各处的微小差别。几何不稳定性的例子是单向拉伸试验时细颈的形成。如果试样的某部分有效截面积比试样的其它部分稍稍小一点，譬如微微薄一点，那么它受到的真应力比其它部分微微高一点，这将导致这一部分试样在较低的拉伸应力时先于其它部分达到屈服点。当这特殊的部分达到屈服点后，这一部分试样的有效刚性就比其周围材料来得低，在这部分试样内的继续形变就来得容易。如此循环，直到材料的取向硬化得以发展从而阻止住这不稳定性。

塑性不稳定性的另一个原因是材料在屈服点以后的应变软化。如果在某局部的应变稍稍高于其它地方(臂如是由于存在应力集中物)，那么材料在那里将局部软化，进而使塑性不稳定性更易发展。这个过程也只能被材料有效的取向硬化所阻止。

聚合物在拉伸时的成颈也叫做冷拉。在适宜的条件下，不管是晶态聚合物还是非晶态聚合物，都能在拉伸时成颈。它们是：

(1)结晶度为35％～75％的晶态聚合物，其玻璃化温度T g在拉伸温度以下；

(2)非晶态聚合物，拉伸温度不比T g低很多；

(3)非晶态聚合物，但具有明显的次级松弛，冷拉是在T g和次级松弛温度间进行的；

(4)非晶态聚合物，它在正常情况下很脆，但材料在T g以上被拉伸而使分子部分取向。

弯曲性能主要是用来检测材料在经受弯曲负荷时的性能特征，常用于评定材料弯曲强度与塑性变形的大小。弯曲实验采用简支梁法，把试样支撑为横梁，使其在跨度中心以恒定速度弯曲，直到试样断裂或变形达到预定值，测量该过程中对试样施加的压力来测定弯曲性能。

塑料力学性能特征参数的基本概念：

(1)拉伸强度是指在拉伸实验中，试样直至断裂为止所承受的最大拉伸应力。