材料力学性能的测试实验

实验名称：材料力学性能的测试实验

年级： 10级材料化学 日期: 2012-10-25 姓名： 学号： 2 同组人：

一、 预习部分

聚合物材料在拉力作用下的应力-应变测试是一种广泛使用的最基础的力学试验。聚合物的应力-应变曲线提供力学行为的许多重要线索及表征参数（杨氏模量、屈服应力、屈服伸长率、破坏应力、极限伸长率、断裂能等）以评价材料抵抗载荷，抵抗变形和吸收能量的性质优劣；从宽广的试验温度和试验速度范围内测得的应力-应变曲线有助于判断聚合物材料的强弱、软硬、韧脆和粗略估算聚合物所处的状况与拉伸取向、结晶过程，并为设计和应用部门选用最佳材料提供科学依据。 1、应力—应变曲线

拉伸实验是最常用的一种力学实验，由实验测定的应力应变曲线，可以得出评价材料性能的屈服强度，断裂强度和断裂伸长率等表征参数，不同的高聚物、不同的测定条件，测得的应力—应变曲线是不同的。

应力与应变之间的关系，即：PbdtII0100% E

I0式中 σ——应力，MPa；

ε——应变，％； E——弹性模量，MPa；

A为屈服点，A点所对应力叫屈服应力或屈服强度。 的为断裂点，D点所对应力角断裂应力或断裂强度

聚合物在温度小于Tg(非晶态) 下拉伸时，典型的应力-应变曲线(冷拉曲线)如下图

曲线分以下几个部分：

OA：应力与应变基本成正比(虎克弹性)。--弹性形变

屈服点B：应力极大值的转折点，即屈服应力(sy)；屈服应力是结构材料使用的最大应力。--屈服成颈

BC：出现屈服点之后，应力下降阶段--应变软化

CD：细颈的发展，应力不变，应变保持一定的伸长--发展大形变

DE：试样均匀拉伸，应力增大，直到材料断裂。断裂时的应力称断裂强度( sb )，相应的应变称为断裂伸长率(eb) --应变硬化

通常把屈服后产生的形变称为屈服形变，该形变在断裂前移去外力，无法复原。但如果将试样温度升到其Tg附近，形变又可完全复原，因此它在本质上仍属高弹形变，并非粘流形变，是由高分子的链段运动所引起的。

根据材料的力学性能及其应力-应变曲线特征，可将应力-应变曲线大致分为六类： (a)材料硬而脆：在较大应力作用下，材料仅发生较小的应变，在屈服点之前发生断裂，有高模量和抗张强度，但受力呈脆性断裂，冲击强度较差。

(b)材料硬而强：在较大应力作用下，材料发生较小的应变，在屈服点附近断裂，具高模量和抗张强度。

(c)材料强而韧：具高模量和抗张强度，断裂伸长率较大，材料受力时，属韧性断裂。 (d) 材料软而韧：模量低，屈服强度低，断裂伸长率大，断裂强度较高，可用于要求形变较大的材料。

(e)材料软而弱：模量低，屈服强度低，中等断裂伸长率。如未硫化的天然橡胶。 (f)材料弱而脆：一般为低聚物，不能直接用做材料。 注意：材料的强与弱从b比较；硬与软从E( /e)比较；脆与韧则主要从断裂伸长率比较。

2、玻璃态高聚物拉伸时曲线发展的几个阶段 (1)屈服区(2)延伸区(3)增强区 3、影响高聚物机械强度的因素

(1)大分子链的主价链，分子间力以及高 分子链的柔性等，是决定高聚物机械强度的主要内在因素。

(2)混料及塑化不均, 会产生细纹、凹陷、真空泡等形式留在制品表面或内层。 (3)环境温度、湿度及拉伸速度等对机械强度有着非常重要的影响 。

4、由于不同的高分子材料，在结构上不同，表现为应力-应变曲线的形状也不同 目前大致可归纳成5种类型

(a)的特点是软而弱。拉伸强度低，弹性模量小，且伸长率也不大，如溶胀的凝胶等。 (b)的特点是硬而脆。拉伸强度和弹性模量较大，断裂伸长率小，如聚苯乙烯等。 (c)的特点是硬而强。拉伸强度和弹性模量大，且有适当的伸长率，如硬聚氯乙烯等。 (d)的特点是软而韧。断裂伸长率大，拉伸强度也较高，但弹性模量低，如天然橡胶、顺丁橡胶等。

(e)的特点是硬而韧。弹性模量大、拉伸强度和断裂伸长率也大，如聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙等。

二、实验部分

（一）、目的要求

熟悉拉力机（包括电子拉力机）的使用； 测定不同拉伸速度下PE板的应力-应变曲线；

掌握图解法求算聚合物材料抗张强度、断裂伸长率和弹性模量； 二、实验原理

应力-应变试验通常实在张力下进行，即将试样等速拉伸，并同时测定试样所受的应力和形变值，直至试样断裂。

应力是试样单位面积上所受到的力，可按下式计算：

tPbd 式中P为最大载荷、断裂负荷、屈服负荷

b为试样宽度，m； d为试样厚度，m。

应变是试样受力后发生的相对变形，可按下式计算：

tII0100%I0 式中I0为试样原始标线距离，m；I为试样断裂时标线距离，m。

应力-应变曲线是从曲线的初始直线部分，按下式计算弹性模量E（MPa，N/m2）：

E 式中σ为应力；ε为应变。

在等速拉伸时，无定形高聚物的典型应力-应变曲线见图15-1：

 t y a O a y t  图15-1 无定形高聚物的应力-应变曲线 a点为弹性极限，σa为弹性（比例）极限强度，εa为弹性极限伸长率。由0到a点为一直线，应力-应变关系遵循虎克定律σ＝Eε，直线斜率E称为弹性（杨氏模量）。y点为屈服点，对应的σy和εy称为屈服强度和屈服伸长氯。材料屈服后可在t点处断裂，σt、εt为材料的断裂强度、断裂伸长率。（材料的断裂强度可大于或小于屈服强度，视不同材料而定）从σt的大小，可以判断材料的强与弱，而从εt的大小（从曲线面积的大小）可以判断材料的脆与韧。

晶态高聚物材料的应力-应变曲线：

 t c O c t 图15-2 晶态高聚物的应力-应变曲线 在c点以后出现微晶的取向和熔解，然后沿力场方向重排或重结晶，故σc称重结晶强度。从宏观上看，在c点材料出现细颈，随拉伸的进行，细颈不断发展，到细颈发展完全后，应力才继续增大到t点断裂。

由于高聚物材料的力学试验受环境湿度和拉伸速度的影响，因此必须在广泛的温度和速度范围内进行。工程上，一般是在规定的湿度、速度下进行，以便比较。

注意：选择的试样表面应光滑平整，无气泡，杂质，机械损伤等。

三、实验结果分析

CY聚丙烯拉伸试验数据

断裂伸长试样原始标距（G） 率 mm ％ 49 262.83

拉伸强度 MPa 20.39 拉伸屈服应力 MPa 拉伸断裂应力 MPa 18.57 最大力 MPa 17.32

从记录的数据和图形可得：

抗张强度为18.578MPa，从抗张强度知道此材料是强性材料。

断裂伸长率为262.83%，从断裂伸长率的值可以知道材料是属于韧性的。 弹性模量E=18.57/0.0356=521.63弹性模量较大，所以材料较硬。

由此可见，材料强而韧且硬，具有高模量和抗张强度，断裂伸长率较大，材料受力时，属于韧性断裂。

四、思考题

1、 拉伸速度对实验结果有何影响？

答：拉伸速度过快将不能真实地测出材料的力学性能；拉伸速度过慢，测量时间将会很长。拉伸曲线的形貌也是会有影响的。