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电子拉力机测定聚合物的应力-应变曲线

一．实验目的

1.掌握拉伸强度的测试原理和测试方法，掌握电子拉力机的使用方法及共工作原理；

2.了解橡胶在拉伸应力作用下的形变行为，测试橡胶的应力-应变曲线；

3.通过应力-应变曲线评价材料的力学性能（初始模量、拉伸强度、断裂伸长率）；

4.了解测试条件对测试结果的影响；

5.熟悉高分子材料拉伸性能测试标准条件。

二．实验原理

随着高分子材料的大量使用，人们迫切需要了解它的性能。而拉伸性能是高分子聚合物材料的一种基本的力学性能指标。

拉伸试验是力学性能中一种常用的测试方法，它是在规定的试验温度、湿度和拉伸速度下，试样上沿纵向施加拉伸载荷至断裂。在材料试验机上可以测定材料的屈服强度、断裂强度、拉伸强度、断裂伸长率。

影响高聚物实际强度的因素有：
1）化学结构。链刚性增加的因素都有助于增加强度，极性基团过密或取代基过大，阻碍链段运动，不能实现强迫高弹形变，使材料变脆。

2）相对分子质量。在临界相对分子质量之前，相对分子质量增加，强度增加，越过后拉伸强度变化不大，冲击强度随相对分子质量增加而增加，没有临界值。

3）支化和交联。交联可以有效增强分子链间的联系，使强度提高。分子链支化程度增加，分子间作用力小，拉伸强度降低，而冲击强度增加。

4）应力集中。应力集中处会成为材料破坏的薄弱环节，断裂首先在此发生，严重降低材料的强度。

5）添加剂。增塑剂、填料。增强剂和增韧剂都可能改变材料的强度。增塑剂使大分子间作用力减少，降低了强度。又由于链段运动能力增强，材料的冲击强度增加。惰性填料只降低成本，强度也随之降低，而活性填料有增强作用。

6）结晶和取向。结晶度增加，对提高拉伸强度、弯曲强度和弹性模量有好处。结晶尺寸越小，强度越高。取向使材料的强度提高几倍甚至几十倍，此外，取向后可以阻碍裂缝向纵深方向发展。

7）外力作用速度和温度。拉伸试验中提高拉伸速度和降低温度都会使强度降低。

拉伸试验的一个重要的优点就是在一个相对简单的测试中可以得到几个有用的变量。它可以测定特定伸长率（典型100%和300%）下的应力（300%的定伸应力）。此外还可以得到扯断伸长率、拉伸强度、断裂强度。典型的拉伸应力应变曲线如图1所示：

根据国标，对测试试样的厚度、测试速度和温度有规定。试样包括哑铃型，两边平行的条形或环形，哑铃状样片（如图2）最常见。

三.实验材料与设备

HY-0580 电子拉力机，HY（CP）冲片机，厚度计，哑铃形试样用裁刀。

各种橡胶试样

四．

图1 典型的拉伸应力-应变曲线

实验步骤

1）打开仪器电源，预热15—20min。

2）控制试样厚度2.0mm，按国标剪裁试样，用厚度计测量真实的厚度，测量3点，去测量3点的中位数作为式样的厚度值。

3）橡胶试样的测试

选定试验速度。将哑铃形试样均匀加持在上、下夹持器上，使拉力均匀分布在横截面上。开动试验机，测试并记录。

图2 哑铃形试样形状示意图

4）按实验施加的负荷和试样尺寸，计算出相应的应力值，并对应变作图，得应力-应变曲线。计算拉伸强度。定伸应力、扯断伸长率、扯断永久变形。

五．计算方法和公式

1）拉伸强度

式中，：拉伸强度，MPa；：记录的最大力，N；W：试样狭小平行部分宽度，mm；t：试样长度部分原始的厚度，mm；

2）定伸应力

式中，：定伸应力，MPa；：给定应变下记录的力，N。

3）扯断伸长率

式中，：式样的初始标距，mm；：试样断裂时的标距，mm。

4）扯断永久伸长率

式中，：扯断永久伸长率，%；：试样断裂后，停放3min对起来的标距，mm；

六．实验数据及处理

实验原始数据：

1.用厚度计测量式样长度部分的原始厚度，测量3次分别为1.856mm，1.869mm，1.880mm。取中间的厚度值作为试样的原始厚度，即1.869mm，原始标距长度为25mm。

2.对橡胶试样采用邵氏硬度计测量其硬度值。把试样放置在坚固的平面上，拿住硬度计，压足中孔的压针距离试块边缘至少12mm，平稳地把压足压在试样上，不能有任何振动，并保持压足平行于试样表面，以使压针垂直地压入试样，所施加的力要刚好足以使压足和试样完全接触，除另有规定，必须在压足和试样完全按触后1秒内读数。橡胶的试样厚度不小于6mm，宽度不小于15mm，长度不小于35mm，试样厚度不足6mm时，可用同样胶片重叠测定，但不超过3层。并要求胶片上下平行。检定时室温为23℃±5℃，检定前硬度计在此温度下至少存放1小时。最后测得本实验所用试样的邵氏硬度为68度。

3.在电子拉伸机上进行橡胶拉伸试验所得的数据见附录，由所得数据和载荷-位移曲线，取点画出应力应变曲线，按位移均匀取点如下，然后由：

应变为，应力为，得到下表：

表1 拉伸试验的载荷-位移及其对应的应力-应变数据

位移ΔL（mm）	载荷F（N）	应变ε	应力σ（MPa）	位移ΔL（mm）	载荷F（N）	应变ε	应力σ（MPa）
0	0	0	0.000	33.8	34.2	1.352	3.050
2.6	6.5	0.104	0.580	36.4	37.5	1.456	3.344
5.2	10	0.208	0.892	39	41.5	1.56	3.701
7.8	13	0.312	1.159	41.6	45	1.664	4.013
10.4	15	0.416	1.338	44.2	48.8	1.768	4.352
13	16.5	0.52	1.471	46.8	53	1.872	4.726
15.6	18.5	0.624	1.650	49.4	57	1.976	5.083
18.2	20.4	0.728	1.819	52	62	2.08	5.529
20.8	21.8	0.832	1.944	54.6	66	2.184	5.886
23.4	23.5	0.936	2.096	57.2	70.5	2.288	6.287
26	26	1.04	2.319	59.8	75	2.392	6.688
28.6	28	1.144	2.497	62.4	78.5	2.496	7.000
31.2	31.2	1.248	2.782

根据表1中的数据，用Excel画出橡胶拉伸的应力-应变曲线如图3：

图3 橡胶拉伸应力-应变曲线

4.根据附表数据，得到各种应力应变平均值如下：

1）拉伸强度：TS=8.8MPa；

2）对100%和300%定伸应力测量时，发现1、4两组数据中，由于位移传感器未夹紧等原因，造成伸长率测量值变小，使得300%伸长率的应力值为0，故只采用2、3两组数据，这样得到100%和300%的定伸应力值分别为：

100%：Se=（2.1+2.2）/2 MPa=2.15 MPa

300%：Se=（7.1+7.6）/2 MPa=7.35 MPa。

3）扯断伸长率为：Eb=301%；

4）扯断永久伸长率：将拉断后的橡胶试样过3min后测量标距点之间的距离为：26mm。这样扯断永久伸长率为：Sb=（26-25）/25×100%=4%

七．实验结果分析讨论

根据以上的应力应变值的计算可以明显看出橡胶的弹性非常好，其伸长率可以达到300%以上，远远大于一般的材料，但是它的强度很低，只有7MPa左右，大概比低碳钢的屈服强度低两个数量级，其硬度也是比较低的。

通过本次试验的学习，基本上掌握了拉伸强度的测试原理和测试方法，掌握了电子拉力机的使用方法和工作原理，而且根据载荷-位移曲线画出了应力-应变曲线，并计算出了橡胶的断裂强度、扯断伸长率、扯断永久伸长率等性能指标。

八．实验思考题

1）改变拉伸速率，拉伸强度将怎么变化？

答：提高拉伸速率会使强度降低，这是由于提高拉伸速率使得橡胶中运动单元来不及运动，故使得强度降低。

2）同样实验条件下，拉伸同一聚合物，但厚薄尺寸不同的两个试样，哪个试样强度更高，说明原因。

答：厚的强度更高，因为薄试样的形变在垂直于平面方向可以自由变形，而厚的试样在垂直于平面方向要受到约束，这样就需要更大的应力来使得它发生断裂。