实验十五 高分子材料应力-应变曲线的测定
聚合物材料在拉力作用下的应力-应变测试是一种广泛使用的最基础的力学试验。聚合物的应力-应变曲线提供力学行为的许多重要线索及表征参数(杨氏模量、屈服应力、屈服伸长率、破坏应力、极限伸长率、断裂能等)以评价材料抵抗载荷,抵抗变形和吸收能量的性质优劣;从宽广的试验温度和试验速度范围内测得的应力-应变曲线有助于判断聚合物材料的强弱、软硬、韧脆和粗略估算聚合物所处的状况与拉伸取向、结晶过程,并为设计和应用部门选用最佳材料提供科学依据。
一、目的要求
熟悉拉力机(包括电子拉力机)的使用;
测定不同拉伸速度下PE板的应力-应变曲线;
掌握图解法求算聚合物材料抗张强度、断裂伸长率和弹性模量;
二、实验原理
应力-应变试验通常实在张力下进行,即将试样等速拉伸,并同时测定试样所受的应力和形变值,直至试样断裂。
应力是试样单位面积上所受到的力,可按下式计算:
式中P为最大载荷、断裂负荷、屈服负荷
b为试样宽度,m;
d为试样厚度,m。
应变是试样受力后发生的相对变形,可按下式计算:
式中I0为试样原始标线距离,m;
I为试样断裂时标线距离,m。
应力-应变曲线是从曲线的初始直线部分,按下式计算弹性模量E(MPa,N/m2):
式中σ为应力;ε为应变。
在等速拉伸时,无定形高聚物的典型应力-应变曲线见图15-1:
a点为弹性极限,σa为弹性(比例)极限强度,εa为弹性极限伸长率。由0到a点为一直线,应力-应变关系遵循虎克定律σ=Eε,直线斜率E称为弹性(杨氏模量)。y点为屈服点,对应的σy和εy称为屈服强度和屈服伸长氯。材料屈服后可在t点处断裂,σt、εt为材料的断裂强度、断裂伸长率。(材料的断裂强度可大于或小于屈服强度,视不同材料而定)
从σt的大小,可以判断材料的强与弱,而从εt的大小(从曲线面积的大小)可以判断材料的脆与韧。
晶态高聚物材料的应力-应变曲线:
在c点以后出现微晶的取向和熔解,然后沿力场方向重排或重结晶,故σc称重结晶强度。从宏观上看,在c点材料出现细颈,随拉伸的进行,细颈不断发展,到细颈发展完全后,应力才继续增大到t点断裂。
由于高聚物材料的力学试验受环境湿度和拉伸速度的影响,因此必须在广泛的温度和速度范围内进行。工程上,一般是在规定的湿度、速度下进行,以便比较。
三、试样要求
1.试样制备和外观检查。制成如图15-3所示的哑铃形的样条,试样表面应光滑、平整,不应有气泡、杂质、机械损伤等。
2.每组试样不少于5个。
四、试验条件:
1.试验速度(空载)
A:10mm/min5mm/min;
B:50mm/ min5mm/min;
C:100mm/min10mm/min或250mm/min50mm/min。以100mm/min10mm/min
的速度试验,当相对伸长率≤100时,用100mm/min10mmn/min;相对伸长率>100时,用250mm/min50mm/min。
(1)热固性塑料、硬质热塑性塑料:用A速度。
(2)伸长率较大的硬质热塑性塑料和半硬质热塑性塑料(如尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等):用B速度。
(3)软板、片、薄膜:用C速度。
2.测定模量时,速度为l mm/min~5 mm/min,测变形准确至0.01 mm。
五、试验设备:
拉伸试验机或电子拉伸试验机(试验机示值应从每级表盘满刻度的10%~90%,但不小于试验机最大载荷的4%读取,示值的误差应在l%之内)
注:电子拉力试验机按有关规定执行。
六、试验步骤:
l.实验应在一定的温度(热塑性塑料为25℃±2℃,热固性塑料为25±5℃)和湿度(相对湿度为65%±5%)下进行。
2.测量模塑试样和板材试样的宽度和厚度准确至0.05mm;片材厚度准确至0.01mm;薄膜厚度准确至0.00lmm。每个试样在标距内测量三点,取算术平均值。
3.测伸长时,应在试样平行部分作标线,此标线对测试结果不应有影响。
4.夹具夹持试样时,要使试样纵轴与上、下夹具中心连线相重合。并且要松紧适宜,以防止试样滑脱和断在夹具内为度。夹持薄膜要求夹具内垫橡胶之类的弹性材料。
5.按规定速度,开动机器,进行试验。
6.试样断裂后,读取屈服时的负荷。若试样断裂在标线之外的部位时,此试样作废,另取试样补作。
7.测定模量时,安装、调整测量变形仪器,施加负荷,记录负荷及相应的变形。
七、数据处理
作PE试片的应力-应变曲线。
求出抗张强度、断裂伸长率、弹性模量。
八、思考题
拉伸速度对试验结果有何影响?
结晶与非晶聚合物的应力-应变曲线有何不同?