高分子物理实验 塑料常规力学性能的测试 (拉伸 冲击 弯曲)

影响塑料力学性能的因素 影响塑料力学性能的因素很多，有聚合物结构的影响（如：聚合物种类，分子量及其分布，是否结晶等），有成型加工的影响（如：成型加工的方式及加工条件导致结晶度、取向度的变化，试样的缺陷等）；有测试条件的影响（如：测试温度，湿度，速度等），它们会导致实验重复性差等缺陷，所以力学性能的测试有严格的测试标准，如GB1042-92规定：环境温度为25±1℃，相对湿度为65± 5%，样品的尺寸、形状均有统一规定，实验结果往往为五次以上的平均。

拉伸实验 一 实验目的 掌握塑料拉伸强度的测试原理及测试方法,并能分析影响因素； 加深对应力----应变曲线的理解,并从中求出有用的多种机械性能数据； 观察和了解拉伸时出现的屈服,裂纹,发白等现象。

二 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。

定义 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。

应力-应变曲线 由应力-应变的相应值彼此对应绘成曲线，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，应力和应变增加不呈正比关系，最后出现断裂。

试验方法 拉伸试验是对试样沿纵向施加静态拉伸负荷，使其破坏。通过测定试样的屈服力，破坏力和试样间标距间的伸长来求的试样的屈服强度，拉伸强度和伸长率。

操作要点 在试样中间部分作标线，此标线应对测试结果没有影响。 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。 拉伸速度一般根据材料及试样类型进行选择。 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。 试样断裂在中间平行部分之外时，应另取试样补做。

三 仪器和试样 拉力试验机； 冲片机； 塑料片材； 或用注塑机制得标准试样五根以上

四 实验步骤和数据处理 试样制备: 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的1/3~4/5范围之内最合适。 选择，调整试验机下夹具的下降速度。对于软质热塑性塑料，拉伸速度取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。

五 数据的记录与处理 编号 1 2 3 4 5 平均 L0 (m) b (m) d (m) L (m) 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 [m] d：试样厚度 [m] L0：试样原始长度 [m] L：试样断裂时两线间距 [m]

（二）冲击试验 一 实验目的 掌握塑料冲击强度的测试原理和影响因素； 学会用简支梁（或悬臂梁法）测定冲击强度。

二 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。 二 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。

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

根据冲击过程的能量守恒： ωL（1-cosα）=(1-cosβ)+Aα+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 Aα、Aβ 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。 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。

三 简支梁试验 仪器：XJ-40型冲击试验机 试样：标准大试样 长х宽х厚=（120±1）х（15±0.2）х(10±0.2)mm3,一种为不带缺口,另一种为带缺口,缺口深度为厚度的1/3,缺口宽为2±0.2mm。 实验步骤： 试样的处理：试样表面应平整，无气泡裂纹，无分层和机械加工损伤。将试样在测定条件下（温度：25±5℃；湿度65±5%）放置不少于16小时。 选择摆锤：0—4kgf.cm, 0—10kgf.cm, 0—20kgf.cm,打断试样所消耗的功应选择在刻度盘的1/3-4/5之间。 空击试验：当摆锤悬挂时指针指在0℃处，摆锤空打时应指0kgf.cm，误差不超过1/5格。

大试样跨度应为70mm。 测试：测量试样中部的厚度和宽度，缺口试样量的剩余厚度，准确至0.05mm,缺口试样背向摆锤,宽面紧贴在支坐上,缺口位置与摆锤对准,悬挂摆锤固定,松开固定器,则摆锤落下冲击试样,记录指针读数。 每组试样不少于五个，如试样未被冲断或未断在三等分中间部分或缺口处，该试样作废。另补试样实验。 数据处理 无缺口冲击强度： 缺口冲击强度： 式中： σ：冲击强度, KJ/m2, A:：试样吸收的冲击能 ,J b：试样宽度 mm,d, d1：分别为无，有缺口试样的厚度mm 结果用算术平均值表示，同时用标准偏差估算数据的分散性。

（三） 弯曲实验 一 实验目的 弯曲试验主要用来检验材料在经受弯曲负荷作用时的性能，生产中常用弯曲试验来评定材料的弯曲强度和塑性变形的大小，是质量控制和应用设计的重要参考指标。

二 实验原理 1、基本定义 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。 二 实验原理 1、基本定义 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。 2、方法原理 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）。（另一加载方法为四点式，这里不介绍。）

三、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±2，15± 0.2，10± 0.2；模塑小试样55 ±1，6± 0.2，4± 0.2；板材试样10d ±20，15± 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 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 式中 ： 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 弯曲应力或弯曲强度按下式计算： 式中 ： 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： 式中：Xi ：单个测定值； ：一组测定值的算术平均值； n ：测定值个数。

五 思考题 如何理解计算的抗张强度的物理意义。 定性分析影响聚合物力学性能的因素。

六 参考文献 《高分子物理实验》北京大学高分子化学教研组编。 《塑料测试技术》化学工业出版社 周维祥主编。