高分子材料典型力學(xué)性能測試實(shí)驗(yàn)

1、高分子材料典型力學(xué)性能測試實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報告實(shí)驗(yàn)序號：實(shí)驗(yàn)項目名稱：機(jī)械性能測試學(xué)號姓名專業(yè)班級實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)指導(dǎo)教師實(shí)驗(yàn)時間在這一實(shí)驗(yàn)中將選取兩種典型的高分子材料力學(xué)測試實(shí)驗(yàn)，即拉伸實(shí)驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)作為介紹。實(shí)驗(yàn)一：高分子材料拉伸實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）熟悉高分子材料拉伸性能測試標(biāo)準(zhǔn)條件、測試原理及其操作，了解測試條件對測定結(jié)果的影響。（2）通過應(yīng)力應(yīng)變曲線，判斷不同高分子材料的性能特征。二、 實(shí)驗(yàn)原理在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)溫度、濕度和實(shí)驗(yàn)速率下，在標(biāo)準(zhǔn)試樣（通常為啞鈴形）的兩端沿軸向施加載荷直至拉斷為止。拉伸強(qiáng)度定義為斷裂前試樣承受最大載荷與試樣的寬度和厚度的乘積的比值。實(shí)驗(yàn)不僅可以測得拉伸強(qiáng)度，同時可得到斷裂伸長

2、率和拉伸模量。玻璃態(tài)聚合物在拉伸時典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下：1）彈性形變。在Y 點(diǎn)之前，應(yīng)力隨應(yīng)變正比增加，從直線斜率可以求出楊氏模量E。從分子機(jī)理看，這階段的普彈性行為主要是由高分子的鍵角、鍵長變化引起。2）屈服。應(yīng)力在Y 點(diǎn)達(dá)到極大值，這點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)，其應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力。3）強(qiáng)迫高彈形變（大形變）：過了Y 點(diǎn)應(yīng)力反而降低。這是由于在大的外力幫助下，玻璃態(tài)聚合物本來被凍結(jié)的鏈段開始運(yùn)動，高分子鏈的伸展提供了材料的大的形變。運(yùn)動本質(zhì)與橡膠的高彈態(tài)一樣，只不過是在外力作用下發(fā)生的，為了與普通高彈形變區(qū)分，通常稱為強(qiáng)迫高彈形變。這一階段加熱可恢復(fù)。4）應(yīng)變硬化。繼續(xù)拉伸，分子鏈取向排列，使硬度提高

3、，需更大的力才能形變。5）斷裂。達(dá)到B 點(diǎn)時，材料斷裂，斷裂對應(yīng)的應(yīng)力B 即抗張強(qiáng)度；斷裂時的應(yīng)變又稱為斷裂伸長率。直至斷裂，整條曲線所包圍的面積S 相當(dāng)于斷裂功。結(jié)晶態(tài)聚合物拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，也同樣經(jīng)歷了五個階段，除了模量和屈服應(yīng)力較大外，其主要特點(diǎn)是細(xì)頸化和冷拉。所謂細(xì)頸化是指試樣在一處或幾處薄弱環(huán)節(jié)首先變細(xì)，此后細(xì)頸部分逐漸縮短，直至整個試樣變細(xì)為止。由于是在較低溫度下出現(xiàn)的不均勻拉伸，所以又稱為冷拉。將試樣夾持在專用夾具上，對試樣施加靜態(tài)拉伸負(fù)荷，通過壓力傳感器、形變測量裝置以及計算機(jī)處理，測繪出試樣在拉伸變形過程中的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，計算出曲線上的特征點(diǎn)如試樣直至斷裂為止所承受

4、的最大拉伸應(yīng)力（拉伸強(qiáng)度）、試樣斷裂時的拉伸應(yīng)力（拉伸斷裂應(yīng)力）、在拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線上屈服點(diǎn)處的應(yīng)力（拉伸屈服應(yīng)力）和試樣斷裂時標(biāo)線間距離的增加量與初始標(biāo)距之比（斷裂伸長率，以百分?jǐn)?shù)表示）。所涉及的相關(guān)計算公式：（1）拉伸強(qiáng)度或拉伸斷裂應(yīng)力或拉伸屈服應(yīng)力或偏置屈服應(yīng)力tt 按式（1）計算：t=pbd （1）式中 t抗拉伸強(qiáng)度或拉伸斷裂應(yīng)力或拉伸屈服應(yīng)力或偏置屈服應(yīng)力，MPa；p最大負(fù)荷或斷裂負(fù)荷或屈服負(fù)荷或偏置屈服負(fù)荷，N；b實(shí)驗(yàn)寬度，mm； d試樣厚度，mm。（2）斷裂伸長率t t 按式（2）計算：t=G-G0G0100%式中 t斷裂伸長率，；G0試樣原始標(biāo)距，mm；G試樣斷裂時標(biāo)線間距離，

5、mm。（3）模量：拉伸模量通常由拉伸初始階段的應(yīng)力與應(yīng)變比例按式（3）計算：E=/ （3）各種不同類聚合物對應(yīng)不同應(yīng)力-應(yīng)變曲線，主要有5 種不同類型：軟而弱、硬而脆、硬而強(qiáng)、軟而韌、硬而韌。一般判斷規(guī)則：硬與軟從模量比較；強(qiáng)與弱從屈服應(yīng)力比較；脆與韌則可從斷裂伸長率或斷裂功比較。實(shí)際聚合物材料通常只是典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線的一部分或者變異，而且應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)也與溫度、濕度、拉伸速度有關(guān)。三、 實(shí)驗(yàn)材料（1）實(shí)驗(yàn)原料：韌性材料（HDPE 或PP 或PBS）、脆性材料（PS 或PLA）。（2）試樣的制備方法：注塑成型。（3）試樣的形狀及尺寸：型，如圖1-1 及表1-1 所示。（2）實(shí)驗(yàn)拉伸

6、速度的選擇：不同的材料由于尺寸效應(yīng)不同，故應(yīng)盡量減少缺陷和結(jié)構(gòu)不均勻性對測定結(jié)果的影響，按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的拉伸試樣類型選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)速度。四、實(shí)驗(yàn)儀器、用具及樣條（1）實(shí)驗(yàn)機(jī)：微機(jī)控制10 kN 電子萬能試驗(yàn)機(jī)，試樣的狀態(tài)調(diào)節(jié)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境按GB2918 規(guī)定進(jìn)行。（2）游標(biāo)卡尺（3）實(shí)驗(yàn)樣條：韌性及脆性材料按照規(guī)定注塑成型，型試樣。試樣表面應(yīng)平整，無氣泡、裂紋、分層及機(jī)械加工損傷等缺陷。五、實(shí)驗(yàn)步驟 （1）準(zhǔn)備兩組標(biāo)準(zhǔn)試樣（韌性、脆性）。（2）測量試樣中間平行部分的寬度和厚度，精確至0.01mm。（3）熟悉萬能試驗(yàn)機(jī)的面板、指示燈、顯示窗等，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定。（4）夾持試樣，夾具夾持試樣時，要使試

7、樣縱軸與上、下夾具中心連線相重合，并且要松緊適宜，以防止試樣滑脫或斷在夾具內(nèi)。（5）試驗(yàn)：點(diǎn)擊負(fù)荷、變形等清零，點(diǎn)擊開始試驗(yàn)，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。（6）觀察拉伸過程的變形特征，直到試樣斷裂為止，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。若試樣斷裂在中間標(biāo)距之外時，此試樣作廢。（7）分析數(shù)據(jù)。六、 實(shí)驗(yàn)注意事項（1）實(shí)驗(yàn)前認(rèn)真預(yù)習(xí)，集中精神聽老師講解，操作試驗(yàn)機(jī)時，認(rèn)真細(xì)致，注意安全。（2）夾具安裝時應(yīng)注意上下垂直在同一平面上，防止實(shí)驗(yàn)過程中試樣性能受到額外剪切力的影響。七、分析與討論拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，圖1和圖2是相同材料PP在不同大小相同厚度的試樣拉伸的結(jié)果，從中可以看出兩個的力-位移曲線走位大致相同，但試樣小的斷裂伸長率大于試

8、樣大的斷裂伸長率。 從圖1和圖3可以看出PP和PET兩種不同材料在拉伸力學(xué)性能上截然不同。 PET的彈性模量、斷裂模量、拉伸強(qiáng)度均大于PP，PET的性能較韌，強(qiáng)度高；PP表現(xiàn)出相對軟而韌的力學(xué)性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)條件對拉伸性能的影響有：1、 溫度增大，分子內(nèi)活動加速，材料宏觀性能明顯變得軟而韌，其拉伸強(qiáng)度降低而伸長率增大。2、 拉伸能速度直接影響材料抵抗外載荷的表現(xiàn)，拉伸速度增大，材料來不及發(fā)生變化而表現(xiàn)出相對脆性的斷裂。3、 濕度對材料的影響類似于溫度，斷裂強(qiáng)度減小，伸長率增大。實(shí)驗(yàn)二：高分子材料沖擊實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?. 了解高分子材料的沖擊性能2. 理解擺錘式抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的原理3. 掌握沖

9、擊強(qiáng)度的測試方法二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備（環(huán)境）及要求實(shí)驗(yàn)儀器和材料1、試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)機(jī)為擺錘式（懸臂梁和簡支梁），并由擺錘、試樣支座、能量指示機(jī)構(gòu)和機(jī)體等主要構(gòu)件組成。能指示試樣破壞過程中所吸收的沖擊能量。2、擺體擺體是試驗(yàn)機(jī)的核心部分，它包括旋轉(zhuǎn)軸、擺桿、擺錘和沖擊刀刃等部件。旋轉(zhuǎn)軸心到擺錘打擊中心的距離與旋轉(zhuǎn)軸心至試樣中心距離應(yīng)一致。兩者之差不應(yīng)超過后者的1%。沖擊刀刃規(guī)定夾角為30士1。端部圓弧半徑為2.0士0.5 mm。擺錘下擺時，刀刃通過兩支座問的中央偏差不得超過士0.2 mm，刀刃應(yīng)與試樣的沖擊面接觸。接觸線應(yīng)與試樣長軸線相垂直，偏差不超過士2。3、試樣支座為兩塊安裝牢固的支撐塊，能使試樣成水平

10、，其偏差在1/20以內(nèi)。在沖擊瞬間應(yīng)能使試樣打擊面平行于擺錘沖擊刀刃，其偏差在1/200以內(nèi)。支撐刃前角為5，后角為10士1，端部圓弧半徑為1mm。4、能量指示機(jī)構(gòu)能量指示機(jī)構(gòu)包括指示度盤和指針。應(yīng)對能量度盤的摩擦、風(fēng)阻損失和示值誤差做準(zhǔn)確的校正。5、機(jī)體機(jī)體為剛性良好的金屬框架，并牢固地固定在質(zhì)量至少為所用最重擺錘質(zhì)量40 倍的基礎(chǔ)上。本試驗(yàn)采用帶缺口試樣。試樣表面應(yīng)平整、無氣泡、裂紋、分層和明顯雜質(zhì)。試樣缺口處應(yīng)無毛刺。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、試樣制備（1）制備特定形狀尺寸標(biāo)準(zhǔn)的兩種樣條（韌性、脆性材料），并打磨光滑，使無毛刺、裂痕。（2）測量試樣中部的寬度和厚度，準(zhǔn)確至0.05mm。2、根

11、據(jù)試樣破壞時所需的能量選擇擺錘，使消耗的能量在擺錘總能量的1085%范圍內(nèi)。3、抬起并鎖住擺錘，把試樣按規(guī)定放置在兩支撐塊上，試樣支撐面緊貼在支撐塊上，使沖擊刀刃對準(zhǔn)試樣中心，缺口試樣刀刃對準(zhǔn)缺口背向的中心位置。4、點(diǎn)擊釋放擺錘，從表盤上讀取試樣吸收的沖擊能量、韌性等相關(guān)數(shù)值。5、觀察不同種材料樣條的不同破壞類型。 注意事項1、試驗(yàn)過程中注意安全。在做空擊和沖擊試驗(yàn)過程中，其他人應(yīng)遠(yuǎn)離沖擊試驗(yàn)機(jī)。2、試樣沖斷后應(yīng)及時撿回并觀察斷裂情況是否符合要求。3、試樣無破壞的沖擊值應(yīng)不作取值。試樣完全破壞或部分破壞的可以取值。4、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理材料PPPLAPLA(成核劑)PBS角度-150.57吸

12、收功0.0150.0130.0160.602簡支kJ/1韌性0.4230.3840.46116.734材料PPPLAPLA(成核劑)PBS角度-149.71吸收功0.1000.1430.1491.049懸臂J/m275韌性25.16135.99237.442262.436五、分析與討論1、 影響高分子材料沖擊強(qiáng)度測試值的因素有哪些？是否加了成核劑加了成核劑的PLA的制品沖擊吸收功與沖擊韌性均較大于PLA。因?yàn)槌珊藙┛梢杂行У丶涌霵LA的結(jié)晶速度，增強(qiáng)材料的性能，提高生產(chǎn)效率。缺口缺口是影響試驗(yàn)結(jié)果的重要因素。缺口厚度對沖擊強(qiáng)度測試有直接影響：缺口越深，沖擊強(qiáng)度越低。另外，加大缺口尖端半徑，沖擊

13、強(qiáng)度也會提高。 缺口的加工方式對沖擊強(qiáng)度也有很大影響：一次注塑的缺口試樣的沖擊強(qiáng)度較高，而經(jīng)二次加工的缺口試樣的沖擊強(qiáng)度較低，其中又以經(jīng)銑床加工的缺口試樣沖擊強(qiáng)度最低。使用不同加工方式加工的缺口試樣，其測得的沖擊強(qiáng)度數(shù)值不具可比性。原因是：使用模塑方法一次性直接成型時，由于材料的收縮率不同，脫模后試樣缺口的實(shí)際外形尺寸總要發(fā)生不同程度的改變，特別是缺口底部曲率半徑變化較大，難以保證缺口各部分符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，從而影響其沖擊強(qiáng)度值。而使用機(jī)械加工方法加工缺口，并采用經(jīng)過嚴(yán)格檢查的刀具，則可以提高缺口尺寸的精度，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。 2、 高分子材料沖擊強(qiáng)度測試方法有哪些，各有什么不同？ 有擺錘沖擊試驗(yàn) 落錘沖擊試驗(yàn)落錘試驗(yàn)是錘體從設(shè)置的高度落到試樣（板材或管材的試樣制品）上，求取落下高度和質(zhì)量與試樣破壞率的關(guān)系。通過破壞率為50%時的落下高度和質(zhì)量來