高分子材料典型力学性能测试实验.docx

高分子材料典型力学性能测试实验.docx

《高分子材料典型力学性能测试实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高分子材料典型力学性能测试实验.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

高分子材料典型力学性能测试实验

《高分子材料典型力学性能测试实验》实验报告

实验序号：

　　　　　　　　　　实验项目名称：

机械性能测试

学　　号

姓　　名

专业班级

实验地点

指导教师

实验时间

在这一实验中将选取两种典型的高分子材料力学测试实验，即拉伸实验及冲

击试验作为介绍。

实验一：

高分子材料拉伸实验

一、实验目的

（1）熟悉高分子材料拉伸性能测试标准条件、测试原理及其操作，了解测

试条件对测定结果的影响。

（2）通过应力—应变曲线，判断不同高分子材料的性能特征。

二、实验原理

在规定的实验温度、湿度和实验速率下，在标准试样（通常为哑铃形）的

两端沿轴向施加载荷直至拉断为止。

拉伸强度定义为断裂前试样承受最大载荷与

试样的宽度和厚度的乘积的比值。

实验不仅可以测得拉伸强度，同时可得到断裂

伸长率和拉伸模量。

玻璃态聚合物在拉伸时典型的应力-应变曲线如下：

1）弹性形变。

在Y点之前，应力随应变正比增加，从直线斜率可以求出杨

氏模量E。

从分子机理看，这阶段的普弹性行为主要是由高分子的键角、键长变

化引起。

2）屈服。

应力在Y点达到极大值，这点称为屈服点，其应力称为屈服应力。

3）强迫高弹形变（大形变）：

过了Y点应力反而降低。

这是由于在大的外

力帮助下，玻璃态聚合物本来被冻结的链段开始运动，高分子链的伸展提供了材

料的大的形变。

运动本质与橡胶的高弹态一样，只不过是在外力作用下发生的，

为了与普通高弹形变区分，通常称为强迫高弹形变。

这一阶段加热可恢复。

4）应变硬化。

继续拉伸，分子链取向排列，使硬度提高，需更大的力才能

形变。

5）断裂。

达到B点时，材料断裂，断裂对应的应力B即抗张强度；断裂

时的应变又称为断裂伸长率。

直至断裂，整条曲线所包围的面积S相当于断裂功。

结晶态聚合物拉伸时的应力-应变曲线，也同样经历了五个阶段，除了模量

和屈服应力较大外，其主要特点是细颈化和冷拉。

所谓细颈化是指试样在一处或

几处薄弱环节首先变细，此后细颈部分逐渐缩短，直至整个试样变细为止。

由于

是在较低温度下出现的不均匀拉伸，所以又称为冷拉。

将试样夹持在专用夹具上，对试样施加静态拉伸负荷，通过压力传感器、

形变测量装置以及计算机处理，测绘出试样在拉伸变形过程中的拉伸应力—应变

曲线，计算出曲线上的特征点如试样直至断裂为止所承受的最大拉伸应力（拉伸

强度）、试样断裂时的拉伸应力（拉伸断裂应力）、在拉伸应力－应变曲线上屈服

点处的应力（拉伸屈服应力）和试样断裂时标线间距离的增加量与初始标距之比

（断裂伸长率，以百分数表示）。

所涉及的相关计算公式：

（1）拉伸强度或拉伸断裂应力或拉伸屈服应力或偏置屈服应力σt

σt按式

（1）计算：

（1）

式中σt—抗拉伸强度或拉伸断裂应力或拉伸屈服应力或偏置屈服应力，MPa；

p—最大负荷或断裂负荷或屈服负荷或偏置屈服负荷，N；

b—实验宽度，mm；d—试样厚度，mm。

（2）断裂伸长率εtεt按式

（2）计算：

式中εt——断裂伸长率，％；

G0——试样原始标距，mm；

G——试样断裂时标线间距离，mm。

（3）模量：

拉伸模量通常由拉伸初始阶段的应力与应变比例按式（3）计

算：

E=σ/ε（3）

各种不同类聚合物对应不同应力-应变曲线，主要有5种不同类型：

软而弱、

硬而脆、硬而强、软而韧、硬而韧。

一般判断规则：

硬与软从模量比较；强与弱

从屈服应力比较；脆与韧则可从断裂伸长率或断裂功比较。

实际聚合物材料通常只是典型应力-应变曲线的一部分或者变异，而且应力-

应变试验所得的数据也与温度、湿度、拉伸速度有关。

三、实验材料

（1）实验原料：

韧性材料（HDPE或PP或PBS）、脆性材料（PS或PLA）。

（2）试样的制备方法：

注塑成型。

（3）试样的形状及尺寸：

Ⅰ型，如图1-1及表1-1所示。

（2）实验拉伸速度的选择：

不同的材料由于尺寸效应不同，故应尽量减少

缺陷和结构不均匀性对测定结果的影响，按国家标准规定的拉伸试样类型选择相

应的实验速度。

四、实验仪器、用具及样条

（1）实验机：

微机控制10kN电子万能试验机，试样的状态调节和实验环

境按GB2918规定进行。

（2）游标卡尺

（3）实验样条：

韧性及脆性材料按照规定注塑成型，Ⅰ型试样。

试样表面

应平整，无气泡、裂纹、分层及机械加工损伤等缺陷。

五、实验步骤

（1）准备两组标准试样（韧性、脆性）。

（2）测量试样中间平行部分的宽度和厚度，精确至0.01mm。

（3）熟悉万能试验机的面板、指示灯、显示窗等，进行实验参数设定。

（4）夹持试样，夹具夹持试样时，要使试样纵轴与上、下夹具中心连线相

重合，并且要松紧适宜，以防止试样滑脱或断在夹具内。

（5）试验：

点击负荷、变形等清零，点击开始试验，进行拉伸试验。

（6）观察拉伸过程的变形特征，直到试样断裂为止，记录试验数据。

若试

样断裂在中间标距之外时，此试样作废。

（7）分析数据。

六、实验注意事项

（1）实验前认真预习，集中精神听老师讲解，操作试验机时，认真细致，

注意安全。

（2）夹具安装时应注意上下垂直在同一平面上，防止实验过程中试样性能

受到额外剪切力的影响。

七、分析与讨论

拉伸实验结果中，图1和图2是相同材料PP在不同大小相同厚度的试样拉伸的结果，从中可以看出两个的力-位移曲线走位大致相同，但试样小的断裂伸长率大于试样大的断裂伸长率。

从图1和图3可以看出PP和PET两种不同材料在拉伸力学性能上截然不同。

PET的弹性模量、断裂模量、拉伸强度均大于PP，PET的性能较韧，强度高；PP表现出相对软而韧的力学性质。

实验条件对拉伸性能的影响有：

1、温度增大，分子内活动加速，材料宏观性能明显变得软而韧，其拉伸强度降低而伸长率增大。

2、拉伸能速度直接影响材料抵抗外载荷的表现，拉伸速度增大，材料来不及发生变化而表现出相对脆性的断裂。

3、湿度对材料的影响类似于温度，断裂强度减小，伸长率增大。

实验二：

高分子材料冲击实验

一、实验目的及要求

1.了解高分子材料的冲击性能

2.理解摆锤式抗冲击强度试验机的原理

3.掌握冲击强度的测试方法

二、实验设备（环境）及要求

实验仪器和材料

1、试验机

试验机为摆锤式（悬臂梁和简支梁），并由摆锤、试样支座、能量指示机构

和机体等主要构件组成。

能指示试样破坏过程中所吸收的冲击能量。

2、摆体

摆体是试验机的核心部分，它包括旋转轴、摆杆、摆锤和冲击刀刃等部件。

旋转轴心到摆锤打击中心的距离与旋转轴心至试样中心距离应一致。

两者之差不

应超过后者的±1%。

冲击刀刃规定夹角为30士1º。

端部圆弧半径为2.0士0.5mm。

摆锤下摆时，刀刃通过两支座问的中央偏差不得超过士0.2mm，刀刃应与试样的

冲击面接触。

接触线应与试样长轴线相垂直，偏差不超过士2º。

3、试样支座

为两块安装牢固的支撑块，能使试样成水平，其偏差在1/20以内。

在冲击瞬

间应能使试样打击面平行于摆锤冲击刀刃，其偏差在1/200以内。

支撑刃前角为

5º，后角为10士1º，端部圆弧半径为1mm。

4、能量指示机构

能量指示机构包括指示度盘和指针。

应对能量度盘的摩擦、风阻损失和示值

误差做准确的校正。

5、机体

机体为刚性良好的金属框架，并牢固地固定在质量至少为所用最重摆锤质量

40倍的基础上。

本试验采用带缺口试样。

试样表面应平整、无气泡、裂纹、分

层和明显杂质。

试样缺口处应无毛刺。

三、实验内容与步骤

1、试样制备

（1）制备特定形状尺寸标准的两种样条（韧性、脆性材料），并打磨光滑，使无毛刺、裂痕。

（2）测量试样中部的宽度和厚度，准确至0.05mm。

2、根据试样破坏时所需的能量选择摆锤，使消耗的能量在摆锤总能量的10—85%

范围内。

3、抬起并锁住摆锤，把试样按规定放置在两支撑块上，试样支撑面紧贴在支撑

块上，使冲击刀刃对准试样中心，缺口试样刀刃对准缺口背向的中心位置。

4、点击释放摆锤，从表盘上读取试样吸收的冲击能量、韧性等相关数值。

5、观察不同种材料样条的不同破坏类型。

注意事项

1、试验过程中注意安全。

在做空击和冲击试验过程中，其他人应远离冲击试验

机。

2、试样冲断后应及时捡回并观察断裂情况是否符合要求。

3、试样无破坏的冲击值应不作取值。

试样完全破坏或部分破坏的可以取值。

4、实验结果与数据处理

材料

PP

PLA

PLA（成核剂）

PBS

角度

-150.57

吸收功

0.015

0.013

0.016

0.602

简支kJ/㎡

1

韧性

0.423

0.384

0.461

16.734

材料

PP

PLA

PLA（成核剂）

PBS

角度

-149.71

吸收功

0.100

0.143

0.149

1.049

悬臂J/m

275

韧性

25.161

35.992

37.442

262.436

五、分析与讨论

1、影响高分子材料冲击强度测试值的因素有哪些？

①是否加了成核剂

加了成核剂的PLA的制品冲击吸收功与冲击韧性均较大于PLA。

因为成核剂可以有效地加快PLA的结晶速度，增强材料的性能，提高生产效率。

②缺口

缺口是影响试验结果的重要因素。

缺口厚度对冲击强度测试有直接影响：

缺口越深，冲击强度越低。

另外，加大缺口尖端半径，冲击强度也会提高。

缺口的加工方式对冲击强度也有很大影响：

一次注塑的缺口试样的冲击强度较高，而经二次加工的缺口试样的冲击强度较低，其中又以经铣床加工的缺口试样冲击强度最低。

使用不同加工方式加工的缺口试样，其测得的冲击强度数值不具可比性。

原因是：

使用模塑方法一次性直接成型时，由于材料的收缩率不同，脱模后试样缺口的实际外形尺寸总要发生不同程度的改变，特别是缺口底部曲率半径变化较大，难以保证缺口各部分符合标准规定的要求，从而影响其冲击强度值。

而使用机械加工方法加工缺口，并采用经过严格检查的刀具，则可以提高缺口尺寸的精度，达到标准要求。

2、高分子材料冲击强度测试方法有哪些，各有什么不同？

有摆锤冲击试验落锤冲击试验

落锤试验是锤体从设置的高度落到试样（板材或管材的试样制品）上，求取落下高度和质量与试样破坏率的关系。

通过破坏率为50%时的落下高度和质量来表示计算试样的抗冲击能力。

落锤试验分管材试验和板材试验，管材试验分通过法和上下法，板材试验又分恒质量法和恒高度法。

应该注意，用能量表示时对不同高度或不同重锤质量的结果不宜比较。

摆锤冲击试验是用一自由落下的摆锤去撞击一放置在试验架上的试样。

试样下端固定。

可带缺口或不带缺口的。

冲击强度反映试样遭撞击破坏时摆锤的能量损失。

冲击强度可用单位试样宽度的能量或单位试样截面的能量表示。

5、总结与建议

七、教师评语

签名：

日期：

成绩