实验4聚合物拉伸强度和断裂伸长率的测定

实验4聚合物拉伸强度和断裂伸长率的测定
1. 实验目的
（1）熟悉高分子材料拉伸性能测试标准条件和测试原理。

（2）掌握测定聚合物拉伸强度和断裂伸长率的测定方法。

（3）考察拉伸速度对聚合物力学性能的影响。

2. 实验原理
拉伸试验是在规定的试验温度、试验速度和湿度条件下，对标准试样沿其纵轴方向施加拉伸载荷, 直到试样被拉断为止。

基本公式：
L -L。

L o
式中，；伸长率即应变；二为应力；L为样品某时刻的伸长；L o为初始长度；A。

为初始横截面积;
F为拉伸力；E为拉伸模量。

聚合物的拉伸性能可通过其应力一应变曲线来分析，典型的聚合物拉伸应力一应变曲线如图 2 —（左）所示。

在应力-应变曲线上，以屈服点为界划分为两个区域。

屈服点之前是弹性区，即除去应力后材料能恢复原状，
并在大部分该区域内符合虎克定律。

屈服点之后是塑性区，即材料产生永久性变形，不再恢复原状。

根据拉伸过程中屈服点的表现，伸长率的大小以及其断裂情况，应力一应变曲线大致可分为如图2 —28 （右）所示的五种类型：①软而弱；②硬而脆；③硬而强；④软而强；⑤硬而韧。

图2 —28五种典型聚合物拉伸应力-应变曲线
1—软而弱；2—硬而脆；3—硬而强；4—软而强；5 —硬而韧
本实验在不同应变速度下测定聚乙烯的应力-应变曲线。

将已知长度和横截面积的样品，夹在两个夹具之间，以恒速拉伸至断裂，测定应力随伸长的变化。

分析在不同应变速度
时测定的数据，可以了解材料的强度、韧性及极限性能。

有合适的样品架或可设法固定住的聚合物都可进行本实验。

(2—13)
F
(2- 14)
FL。

A o(L-L。

)
(2 —15)
28
A o
均匀的样品重复性可优于土 5%。

但由于制各样品和实验操作中存在的一些不可避免的可变因素，使 重复性比此数值要差些。

3. 实验设备和材料
（1 ）仪器设备
万能电子拉力机（日本岛津AG- IOKNA ），游标卡尺、直尺。

万能电子拉力机测试主体结构示意图，如图
2-29所示。

图2 - 29万能电子拉力机测试主体结构示意图
1—传感器；2 —主架；3 —横梁控制器；4 —夹具；5 —横梁；6 —记录仪；7 —控制台开关；8 —控制面板;
9 —显示屏
（2）实验材料
聚丙烯（PF ）,聚苯乙烯（PS ）。

4. 实验步骤
（1）试样准备
用横压或片材、板材切割的方法，事先制好标准抗张样品（见 度都应有5块样品。

试样形状拉伸试样共有
4种类型：1型试验样（双铲型），见图2— 30, II 型试样（哑铃型），见图2
31, III 型试样（8字型），见图2— 32, IV 型试样（长条型），见图2— 33。

ASTM 标准D 638）。

选定的每种应变速
图2 — 30 I 型试样
图2— 31 II 型试样
不同类型的试样有不同的尺寸公差，具体见表
2 — 7、表2— 8、表2— 9和表2 — 10。

物理量 名称
尺寸/mm
公差/mm
L 总长度（最小） 150 -
H 夹具间距离 115 ± 5.0 C 中间平行部分长度 60 ± 0.5 G0 标距（或有效部分） 50 ± 0.5 W 端部宽度 20 ± 0.2
D 厚度
4 -
B
中间平行部分宽度 10 ± 0.2
R 半径（最小）
60
-
物理量
名称
尺寸/mm 公差/mm
L 总长度（最小） 110 -
C 中间平行部分长度 9.5 ± 2.0
d0 中间平行部分厚度 3.2 d1 端部厚度 6.5
W 端部宽度 45 -
b 中间平行部分宽度 25 ± 0.4 R0 端部半径 6.5 ± 1.0 R1
表面半径 75 ± 2.0 R2
侧面半径
75
± 2.0
物理量
名称
尺寸/mm
公差/mm
L 总长度（最小） 115 -
H 夹具间距离 80 ± 5.0 C 中间平行部分长度 33 ± 2.0 G0 标距（或有效部分） 25 ± 0.2 W 端部宽度 25 ± 0.2
d 厚度
2 -
b
中间平行部分宽度 6 ± 0.2 R0 小半径 14 ± 0.2 R1
大半径
25
± 0.2
T.；
i 1
1
■ G - x
H
L
Ml
1^*~ --------- -----------------
J
h
图2 — 32 III 型试样
图2 — 33 IV 型试样
塑料属于粘弹材料，它的应力松弛过程与变形速率密切相关，应力松弛需要一个时间过程。

当低速拉伸时，分子链来得及位移、重排，呈现韧性行为，表现为拉伸强度减少，而断裂伸长率增大。

高速拉伸时, 高分子链段的运动跟不上外力作用速度，呈现脆性行为，表现为拉伸强度增加，断裂伸长率减少。

由于塑料品种繁多，不同品种的塑料对拉伸速度的敏感程度不同。

硬而脆的塑料对拉伸比较敏感，一般采用较低的拉伸速度。

韧性塑料对拉伸速度的敏感性较小，一般采用较高的拉伸速度。

（2 ）实验过程
1 ）用游标卡尺或测微计测每块试片的宽度和厚度。

算出横截面最小处的截面积并将数值记录。

2 ）调换和安装拉伸试验用夹具，将试片放入夹具。

3 ）设定试验条件如：试验方式、试验速度、返回速度、返回位置、记录方式、传感器容量等。

4 ）键入试样参数如：试样名称、编号、样品厚度、宽度，样品标定线间距。

5 ）检查屏幕显示的试验条件、试样参数。

如有不适合之处可以修改。

确认无误后，开始试验。

横梁以恒定的速度开始移动，同时数据采集系统也开始工作，扫描出载荷-伸长曲线。

仔细观察试样在拉伸过程中的变化，直到拉断为止。

6 ）重复（2）〜（5）,试验其余的4块试片。

7 ）将拉伸速度依次变为10, 20mm/min,每种速度都重复2）〜6 ）。

5. 实验报告
（1）根据电子拉力机绘制出的PS PP拉伸曲线，比较和鉴别它们的性能特征;
（2）根据PP的载荷一伸长曲线，绘制应力一应变曲线；
（3）计算模量和断裂伸长率，计算断裂时的应力和应变；
（4）对每块样品都重复1〜3。

6•问题与讨论
（1 ）改变试样的拉伸速度对试验产生什么影响？
（2）解释为什么要重复5块试样？
（3）如果测定线性和支化聚乙烯，可以从哪些方面来研究他们之间的性能的差异?。