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：

00

L L L -=

ε （2－13） 0

A F

=

σ （2－14） )

(000L L A FL E -==

εσ （2－15） 式中，ε伸长率即应变；σ为应力；L 为样品某时刻的伸长；0L 为初始长度；0A 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－应变曲线来分析，典型的聚合物拉伸应力－应变曲线如图2－28（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－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。

均匀的样品重复性可优于±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－lOKNA)，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（PP），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ASTM标准D 638）。选定的每种应变速度都应有5块样品。

试样形状拉伸试样共有4种类型：Ⅰ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。

图2－30 I型试样图2－31 II型试样

图2－32 III 型试样图2－33 IV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。

表2－7 I型试样公差尺寸

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 -

表2－8 II型试样公差尺寸

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

表2－9 III型试样公差尺寸

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

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－伸长曲线，绘制应力－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？