塑料力学性能测试

实验原理
• 洛氏硬度是用规定的压头对试样先施加初试验力，接着再施加 主试验力，然后卸除主试验力，保留初试验力，用前后两次初 试验力作用下压头压入试样的深度差计算出的硬度值。 • 洛氏硬度值的计算公式：
h HR k c
• • • •
（1）按下式计算洛氏硬度值: HR＝130- e 式中：e——卸去主负荷后的压入深度，每单位为0.002mm （2）直接用硬度读数盘读取硬度值。 洛氏硬度值须在数字前应加上前缀标尺字母。
• 试验速度：2.0± 0.4mm/min(标准试样)
• 规定挠度：8.0mm （标准大试样）， 3.2mm（标准小试样）
试验装置
四、结果的计算
弯曲应力或弯曲强度按下式计算：
式中
t
：
3 pL t 2b d 2
弯曲应力或弯曲强度，Mpa P ：试样承受的弯曲负荷，N L： 跨度，m b：试样宽度 m d：试样厚度 m 计算一组数据的平均值，取三位有效数字。若要求计算标准偏差， 可按下式计算：
组长：44
目录
1. 测试塑料拉伸性能 2. 测试塑料弯曲性能 3. 测试塑料冲击性能 4. 测试塑料洛氏硬度
一、测试塑料拉伸性能
基本概念:
• • • • • 拉伸应力：试样在计量标距范围内，单位初始横截面上承受的拉伸负 荷。 拉伸强度：在拉伸试验中试样直到断裂为止，所承受的最大拉伸应力。 拉伸断裂应力：在拉伸应力-应变曲线上，断裂时的应力。 拉伸屈服应力：在拉伸应力-应变曲线上，屈服点处的应力。 断裂伸长率：在拉力作用下，试样断裂时，标线间距离的增加量与初 始标距之比，以百分率表示。 ε断=(L-L0)/L0×100% 式中：L0------试样标线间距离，mm L-------试样断裂时标线间距离，mm 弹性模量：在比例极限内，材料所受应力与产生响应的应变之比。
影响因素
• 1、试验仪器的影响:机架的变形量超过标准；主轴倾斜；压头夹持方 式不正常；加荷不平稳以及压头轴线偏移等。 • 2、测试温度的影响:随着测试温度的上升，各种塑料材料的洛氏硬度 值都将下降，尤其是对热塑性塑料的影响更为显著。 • 3、试样厚度的影响:试样厚度小于 6mm 时，对硬度值的影响较大； 试样厚度大于 6mm 时对硬度值的影响较小。规定试样厚度不得小于 6mm 。 • 4、主试验力保持时间的影响:塑料属于黏弹性材料，在试验载荷作用 下，试样的压痕深度随加荷时间的增加而增加，硬度值随着降低。低 硬度材料的影响较高硬度材料的明显。 • 5、读数时间的影响:主试验力卸除后，试样压痕将产生弹性恢复，有 一定时间，因此卸荷后距读数时间越长，压痕的弹性恢复时间也越长， 侧得的硬度值应当偏高。
操作要点
1、在试样中间部分作标线，此标线应对测试结果没有影
响。
2、测量试样中间平行部分的宽度和厚度，每个试样测量 三点，取算术平均值。 3、拉伸速度一般根据材料及试样类型进行选择。 4、夹具夹持试样时，试样纵轴与上，下夹具中心线重合， 并防止试样滑脱，或断在夹具内。 5、试样断裂在中间平行部分之外时，应另取试样补做。
实验设备
• 洛氏硬度仪结 构：由机架、 压头、加力机 构、硬度指示 器和计时装置 组成。
• 试样： 厚度不应小于 6mm，均匀、表面光滑、平整、无气泡、 无机械损伤及杂质等。 • 操作: 1）选定试验标尺，所测的洛氏硬度值应在标尺的50～ 115之间,硬度指示器能测量压头压入深度到 0.001mm ， 每一分度值等于 0.002mm 。 计时装置能指示初试验力、主试验力全部加上时及卸除主 试验力后，到读取硬度值时，总试验力的保持时间，计时 量程不大于 60s。 2）将试样放在工作台上，施加初负荷，调整千分表到零 点；保持10s后施加主负荷，保持15s卸去主负荷（保留初 负荷），测量压入深度。
• • • • •
• • •
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根据冲击过程的能量守恒： ωL（1-cosα）=(1-cosβ)+A+ +Aβ+1/2mv2 式中：ω 冲击锤重量，L 冲击锤摆长 A 冲断试样所消耗的功 AαAβ 分别为摆锤在克服空气主力所消耗的功；1/2mv2为试样断 裂时飞出部分所具有的能量。 通常上式右后边三项部分都可忽略，所以： A =ωL（cosβ- cosα） 根据ω、L、α和设定A值，可由上式算出β值而绘出读数盘，实测时根 据读数盘（即β值）读出A值。必须指出，实际上不同试样受冲击后有 不同程度的“飞出功”，尤其脆性材料是不能忽视的，因读数盘是根 据（8）式绘制的，所以读出的A值包括了，当占比例较大时，测试结 果不准确，且不易重复。 注意：试样厚度，缺口大小，形状，测试时试样的跨度都影响测试结 果。
实验原理：试 验时将一规定形状 和尺寸的试样置于 两支坐上，并在两 支坐的中点施加一 集中负荷，使试样 产生弯曲应力和变 形。这种方法称静 态三点式弯曲试验 （图3）。
测试条件：
试样可采用注塑、模塑、或板材经机械加工制成矩形截面试样。 • 试样尺寸： • 标准试样长（l）宽（b）厚（d）模塑大试样120±215± 0.210± 0.2 模塑小试样55 ±16± 0.24± 0.2板材试样10d ±2015± 0.2d板材试 样厚度为1～10mm；每组试样不少于5个。 • 试验条件 • 试验跨度： 10d± 0.5
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实验原理
• 冲击试验是用来度量材料在高速冲击状态下的韧性或对断 裂的抵抗能力。 • 一般冲击实验采用三种方法：（1）摆锤式：试验安放形
式有简支梁式（charpy）----支撑试样两端而冲击中部； 悬臂梁式（Izod）---试样一端固定而冲击自由端。（2） 落球式。（3）高速拉伸法。（3）法虽较理想，可直接转 换成应力—应变曲线，计算曲线下的面积，便可得冲击强 度，还可定性判断是脆性断裂还是韧性断裂，但对拉力机 要求较高。
• 误差分析 1.读数偏高 首先看压头压点，由于球变平而引起读数偏高， 工作中摩擦，灰尘或碎片的存在也会引起读数偏 高。 2.读数偏低 测试时仪器受到振动或压头松动会造成读数偏 低。 3.读数不一致 这是由于试样未放牢，或者压头，负载选择不 正确造成的。
影响因素 • • • • 1、成型条件 2、温度与湿度 3、变形速度 4、其他
二、测试塑料弯曲性能
基本概念： • 挠度：弯曲试验过程中，试样跨度中心的定面或底面偏离 原始位置的距离。 • 弯曲应力：试样在弯曲过程中的任意时刻，中部截面上外 层纤维的最大正应力。
• 弯曲强度：在到达规定挠度值时或之前，负荷达到最大值 时的弯曲应力。 • 定挠弯曲应力：挠度等于试样厚度1.5倍时的弯曲应力。 • 弯曲屈服强度：在负荷－挠度曲线上，负荷不增加而挠度 骤增点的应力。
影响因素： • • • • 1、冲击过程的能量消耗 2、温度和湿度 3、试样尺寸 4、冲击速度
四、测试塑料洛氏硬度
基本概念： • 硬度试验是测量固体材料表面硬度的一种材料机械性能试 验。 • 硬度试验是材料试验中最简便的一种，与其他材料试验 如拉伸试验、冲击试验和扭转试验相比，具有以下特点： ①试验可在零件上直接进行而不论零件大小、厚薄形状； ②试验时留在表面上的痕迹很小，零件不被破坏； ③试验方法简单、迅速。硬度试验在机械工业中广泛用于 检验原材料和零件在热处理后的质量。 • 由于硬度与其他机械性能有一定关系，也可根据硬度估计 出零件和材料的其他机械性能。硬度试验方法很多，一般 分为划痕法、压入法和动力法3类。
实验原理
拉伸试验是对试样沿纵轴向施加静态拉伸负荷， 使其破坏。通过测定试样的屈服力，破坏力，和 试样标距间的伸长来求得试样的屈服强度，拉伸 强度和伸长率。
试验方法
• 拉伸试验(应力-应变试验)一般是将材料试样两端 分别夹在两个间隔一定距离的夹具上，两夹具以 一定的速度分离并拉伸试样，测定试样上的应力 变化，直到试样破坏为止。 • 拉伸试验是研究材料力学强度最广泛使用的方法 之一，需要使用恒速运动的拉力试验机。按载荷 测定方式的不同，拉力试验机大体可以分为摆锤 式拉力试验机和电子拉力试验机两类，目前使用 较多的是电子拉力试验机。
•
• 应力-应变曲线 由应力-应变的相应值彼此对应的绘 成曲线，通常以应力值作为纵坐标，应变值作为 横坐标。应力-应变曲线一般分为两个部分：弹性 变形区和塑性变形区，在弹性变形区，材料发生 可完全恢复的弹性变形，应力和应变呈正比例关 系。曲线中直线部分的斜率即是拉伸弹性模量值， 它代表材料的刚性。弹性模量越大，刚性越好。 在塑性变形区，应力和应变增加不在呈正比关系， 最后出现断裂。
仪器和试样 • 拉力试验机一台 • 冲片机一台；塑料 片材一块 • 或用注塑机制得标准 试样五根以上
实验步骤和数据处理
• 试样得制备 • 用哑铃形标准裁刀在冲片机上冲取塑料薄片试样，沿纵向和横向各取 五条，精确测量试样细颈处的宽度和厚度，并在细颈部分划出长度标 记。也可用注塑机模塑出标准测试样条。 • 选择试验机载荷，以断裂时载荷处于刻度盘得1/3~4/5范围之内最合 适。 • 选择，调整试验机的下夹具的下降速度。对于软质热塑性塑料，拉伸 速度可取50mm/min,100mm/min,200mm/min,500mm/min。 • 将试样装在夹具上，在使用夹具时应先用固定器将上夹具固定，防止 仪器刀口损坏，试样夹好后松开固定器。 • 按下启动按钮，电机开始运转，下夹具开始下降，指针开始指示。在 此过程中，用手控制标尺上的两根划尺，使△形指针随试样细颈上的 两标记而动，直至试样断裂。记录指示盘读数和两划尺之间的距离。 • 按回行开关，将下夹具回复到原来位置，并把指示盘指针拨回零位， 开始第二次试验。
s
2 ( X X ) i i 1
n
n 1
式中：Xi ：单个测定值；
X ：一组测定值的算术平均值；
n ：测定值个数。
影响因素：
• • • • • 1、跨厚比 2、应变速率 3、加载压头圆弧和支座圆弧半径 4、温度 5操作影响
三、测试塑料冲击性能
基本概念：
• 无缺口试样冲击强度：无缺口试样在冲击负荷作用下，试 样破坏时吸收的冲击能量与试样原始截面积之比。 • 缺口试样冲击强度：缺口试样在冲击负荷作用下，试样破 坏时吸收的冲击能量与试样原始截面积之比。 • 相对样冲击强度：缺口试样的冲击强度与无缺口试样的冲 击强度之比，或同类型试样A型缺口冲击强度与B型缺口 冲击强度之比。 • 完全破坏：指经过一次冲击使试样分成两段或几段。
仪器设备：冲击摆锤试验机
简支梁冲击实验机的基本原理
• 试验机的基本构造有三部分（图2）：机架部分，摆锤部 分和指示部分。 • 试验的基本原理是：摆锤高置于机架的扬臂上，扬角为α，
当摆锤自由落下，位能转化为动能将试样冲断，冲击后摆 锤以其剩余能量升到某一高度，升角为β。
图2摆锤式冲击实验机工作原理
数据的记录与处理
编号 L0 (mm) b (mm) d (mm) 1 2 3 4 5 平均
L (mm)
P (N) Ts(Mpa) Eb(100%)
参数说明
• • • • • • • 拉伸强度： TS=Pmax/bd (Mpa) 断裂伸长率： Eb=(L-L0)/L0×100% 式中：Pmax ：试样拉伸时的最大载荷 [N] b：试样宽度 [mm] d：试样厚度 [mm] L0：试样原始长度 [mm] L：试样断裂时两线间距 [mm]
• 1919年，美国人洛克威尔（Rockwell）提出洛氏 硬度试验方法。 • 塑料洛氏硬度试验方法标准有GB/T 9342—1988， • ISO 2039/2—1987和ASTM D785——1989等。 • 塑料洛氏硬度采用较小的负荷、较大的压痕器和 大量程结构的硬度计。 • 洛氏硬度标尺：由负荷的大小与压痕器直径组合 构成，适用不同硬度材料的试验。