第三章　聚合物的力學性能

實驗九　電子拉力機測定聚合物的應力-應變曲線

聚合物材料的拉伸性能是其力學性能中最重要、最基本的性能之一，在拉伸力的作用下，應力-應變測試成為聚合物力學實驗中使用最廣泛的一種。聚合物的應力-應變曲線可以提供力學行為的很多重要參數(shù)（楊氏模量、屈服應力、屈服伸長率、斷裂應力、斷裂伸長率、拉伸強度、拉伸斷裂能等），用于評價材料抵抗載荷、抵抗形變及吸收能量的特性，為質(zhì)量控制、研究開發(fā)、工程設(shè)計等提供參考。

一、實驗目的與要求

1.熟悉聚合物材料拉伸性能測試標準條件和測試原理。

2.了解測試條件對測定結(jié)果的影響。

3.掌握塑料拉伸強度的測定方法。

二、實驗原理

拉伸實驗是在規(guī)定的實驗溫度、實驗速度和濕度條件下，對標準試樣沿其縱軸方向施加拉伸載荷，直到試樣被拉斷為止。拉伸時，試樣在縱軸方向所受到的力稱為表觀應力σ（MPa）。

σ=P/A0　　（3-1）

式中，P為拉伸載荷；A0為試樣的初始截面。試樣的伸長率即應變ε（％）為

ε=ΔL/L0　　（3-2）

式中，L0為試樣標定線間的初始長度；ΔL為拉伸后標定線長度的變化量。

聚合物的拉伸性能可通過其應力-應變曲線（σ-ε曲線）來分析，典型的聚合物拉伸應力-應變曲線如圖3-1所示。在應力-應變曲線上，以屈服點Y為界劃分為兩個區(qū)域：屈服點之前是彈性區(qū)，即除去應力后材料能恢復原狀，并在大部分該區(qū)域內(nèi)符合虎克定律；屈服點之后是塑性區(qū)，即材料產(chǎn)生永久性變形，不再恢復原狀。通過聚合物的拉伸應力-應變曲線可以獲得聚合物的相關(guān)力學性能參數(shù)，如楊氏模量（曲線初始直線的斜率）、屈服強度（Y點對應的應力）、屈服伸長率（Y點對應的應變）、斷裂強度（B點對應的應力）、斷裂伸長率（B點對應的應變）、拉伸強度（曲線中應力最大值）以及拉伸斷裂能（曲線下的面積）。

根據(jù)拉伸過程中屈服點的表現(xiàn)，伸長率的大小以及其斷裂情況，應力-應變曲線大致可分為如圖3-2所示的五種類型：①硬而脆，如硬而脆的PS、PMMA和酚醛樹脂等，它們模量高，拉伸強度非常大，沒有屈服點，斷裂伸長率一般不超過2％；②硬而強，如硬質(zhì)PVC等，它們高模量，高強度，有屈服，斷裂伸長率約5％；③強而韌，如尼龍66、聚甲醛等，它們強度高，斷裂伸長率大，拉伸過程中有明顯的細頸；④軟而韌，如橡膠和增塑PVC等，它們模量低，屈服強度低或沒有明顯的屈服點，斷裂伸長率大，斷裂強度較高；⑤軟而弱，如柔軟的凝膠，由于強度極低，很少用作材料使用。

對于形變很大的聚合物材料，由于拉伸過程中試樣的截面積發(fā)生變化。從σ-ε曲線直接得到的標稱拉伸力學性能已經(jīng)不符合實際情況。故必須轉(zhuǎn)化成真應力和真應變，以求得真實拉伸力學性能。

真應力σ'為：

σ'=P/A　　（3-3）

式中，P為拉伸載荷，N；A為試樣的瞬時截面積，mm2。

如果與之相應時刻內(nèi)，試樣的標線長度由L被拉伸為L+dL，則真應變δ為：

假定試樣在大形變時體積不變，即AL=A0L0，則真應力可表示為：

真應變δ和真應力σ'可由標稱應變ε和標稱應力σ通過式（3-4）和式（3-5）求得。

在實際拉伸過程中，試樣的截面積A的變化更為復雜多樣。有的試樣會均勻地逐漸變細，而有些則突然變細成頸。以后截面積A基本保持不變。只是細頸進一步伸長，直到被拉伸為止，這被稱為“冷拉”現(xiàn)象。

三、實驗儀器與試樣

（1）儀器：電子拉力機（深圳新三思公司生產(chǎn)）、游標卡尺、直尺。

（2）試樣：聚丙烯（PP），聚苯乙烯（PS）。

電子拉力機測試主體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3-3所示。

1—限位螺釘；2—位移引伸儀；3—標尺；4—橫梁；5—橫梁控制開關(guān)；6—傳感器；7—夾具；8—緊急制動開關(guān)；9—打印機；10—計算機；11—鍵盤；12—計算機主機

四、實驗步驟

①試樣制備。

a.試樣形狀。拉伸試樣共有4種類型：Ⅰ型試樣（雙鏟形），見圖3-4；Ⅱ型試樣（啞鈴形），見圖3-5，Ⅲ型試樣（8字形），見圖3-6，Ⅳ型試樣（長條形），見圖3-7。

b.試樣尺寸規(guī)格。不同類型的樣條有不同的尺寸公差，具體見表3-1～表3-4。

c.拉伸時速度的設(shè)定。塑料屬黏彈性材料，它的應力松弛過程與變形速率緊密相關(guān)，應力松弛需要一個時間過程。當?shù)退倮鞎r，分子鏈來得及位移、重排，呈現(xiàn)韌性行為。表現(xiàn)為拉伸強度減少，而斷裂伸長率增大。高速拉伸時，高分子鏈段的運動跟不上外力作用速度，呈現(xiàn)脆性行為。表現(xiàn)為拉伸強度增大，斷裂伸長率減少。由于塑料品種繁多，不同品種的塑料對拉伸速度的敏感程度不同。硬而脆的塑料對拉伸比較敏感，一般采用較低的拉伸速度。韌性塑料對拉伸速度的敏感性較小，一般采用較高的拉伸速度。

對于拉伸實驗方法，國家標準規(guī)定的實驗速度范圍為1～500mm/min，分為9種速度，見表3-5和表3-6。

②調(diào)換和安裝拉伸實驗用夾具。

③設(shè)定實驗條件。實驗方式，單向拉伸實驗；實驗速度10mm/min。

④鍵入樣品參數(shù)。樣品標定線間距25mm；編號；樣品厚度________mm；樣品寬度________mm。

⑤檢查屏幕顯示的實驗條件，樣品參數(shù)。如有不適合之處可以修改。確認無誤之后，按開始鍵開始實驗。橫梁以恒定的速度開始移動。仔細觀察試樣在拉伸過程中的變化，直到拉斷為止。

五、數(shù)據(jù)處理

①根據(jù)電子拉力機繪出的PS、PP拉伸曲線，比較和鑒別它們的性能特征。

②分別計算PS、PP樣品的楊氏模量、屈服強度與屈服伸長率、斷裂強度與斷裂伸長率、拉伸強度。

③根據(jù)PP的載荷-伸長曲線、逐點計算σ'和δ，將計算結(jié)果繪制成σ'-δ曲線。

六、思考題

1.改變試樣的拉伸速率會對實驗產(chǎn)生什么影響？

2.在實驗過程中，試樣的截面積變化會對最終譜圖產(chǎn)生什么影響？你認為在現(xiàn)有的實驗條件下能否真實地獲得或通過計算獲得瞬時的截面積？