高分子材料及加工流变学实验指导书Word格式文档下载.docx

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本实验是在规定的实验温度、湿度及不同的拉伸速度下，于式样上沿纵轴方向施加静态拉伸载荷，以测定塑料的力学性能。

拉伸样条的形状如下图。

拉伸实验是最常见的一种力学实验，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（σ屈），断裂强度（σ断），断裂延伸率（ε断）等表征参数，不同聚合物、不同测定条件，测得的应力应变曲线是不同的。

结晶性聚合物的应力-应变曲线分为三个区域，如下图所示：

（1）OA段：

曲线的起始部分，近乎是条曲线，试样被均匀拉长，应变很小，而应力增加很快，呈普弹形变，是由于分子的键长、键角以及原子间距离的改变所引起的，其变形是可逆的，应力和应变之间服从虎克定律，即：

σ=Eε

式中：

σ——应力，MPa；

ε——应变，%；

E——弹性模量，MPa。

A为屈服点，A点对应的应力叫屈服应力（σ屈）或屈服强度

（2）BC段：

到达屈服点A后，试样突然在某处出现一个或几个“细颈”现象，出现细颈部分的本质是分子在该处发生了取向的结晶，该处强度增大，故拉伸时细颈不会变细拉断，而是向两端扩展，直至整个试样完全变细为止，此阶段应力几乎不变，而变形却增加很多。

（3）CD段：

被均匀拉细后的试样，再度变细即分子进一步取向，应力随应变的增加而增大，直至断裂点D，试样被拉断，对应于D点的应力称为强度极限，是工程上最重要指标，即抗拉伸强度或断裂强度σE，其计算公式如下：

σ断=P/（b×

d）（PMa）

式中：

P——最大破坏载荷，N；

b——试样宽度，mm；

d——试样厚度，mm。

断裂点D可能高于或低于屈服点A

断裂延伸率ε断是材料在断裂时相对伸长，ε断按下式计算：

ε断=（L-Lo）/Lo×

100%

Lo——试样标线间距离，mm；

L——试样断裂时标线间距离，mm。

1、玻璃态高聚物拉伸时曲线发展的几个阶段

（1）屈服前区

曲线的起始部分近乎是条直线，试样被均匀拉长，应变很小，应力增加很快，呈普弹形态，服从虎克定律σ=Eε，应力随应变增加而上升，这是因为外力使键长、键角以及原子间距离改变而使大分子间存在的大量物理交联发生形变所致，当外力解除后，这个形变可以立即回复。

（2）屈服区

继续拉伸，曲线开始变弯，出现转折点为屈服点，这时材料进入了强迫高弹态形变阶段，外力使大分子链间原有交联点遭到破坏。

（3）延伸区

材料屈服后，再被拉伸，从曲线上可以看出应力基本不变，而形变很大，这是由于在外力作用下，强迫大分子链运动，分子重新构象，而且运动的范围可以很大，大分子链沿外力作用方向可能被拉直。

（4）增强区

随着拉伸过程的进行，取向拉直的大分子链之间断裂的物理交联点逐步增加，若使材料再伸长，只有更大的力才能使分子之间产生滑移，致使形变应力重新增加，曲线急转而上，直至材料断裂。

2、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）在加工过程中所留下来的各种痕迹如成型制品表层及内部冷却速度不一致，表面先凝固，内部仍处于高热状态，产生一种阻止表面形成完表皮结构的内应力，使得外表皮上出现许多龟裂，整个物体冷却后，这些龟裂以裂缝、结构不均匀的细致、凹陷、真空泡等形式留在制品表面或内层。

此外，由于混料及塑化不均，以及引进微小气泡或各种杂质，这些隐患均成为制品强度的薄弱环节。

（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，塑料是属于高弹态材料，它的力学松弛过程对拉伸速度和环境温度非常敏感。

升高温度使分子链段的热运动加剧，松弛过程进行得较快，拉伸时表现较大的形变和较低的强度；

拉伸速度低时，由于速度慢，外力作用持续时间长，分子链来得及取向位移，进行重排，所以，试样表现出较大的形变和较低的强度，因此，降低拉伸速度和增加实验温度的结果是等效的。

（二）实验内容

（1）用标准试样注射成型模具在注射机上分别加工PP、ABS两种材料各三至五组试样。

（2）用20mm/min,50mm/min两种拉伸速度分别拉伸测试上述两种材料试样的拉伸曲线。

（3）分别计算上述两种材料的屈服强度、拉伸强度、延伸率。

三、实验主要仪器设备和材料

（1）EJ—1000拉力试验机；

（2）XS-Z-30型塑料注射成型机；

（3）标准试样注射成型模具；

（4）游标尺等其他辅助工具。

四、实验方法、步骤及结果测试

1、加工试样（注射成型工艺实验）

（1）把标准试样注射成型模具安装到注射机上，在老师指导下调整好锁模力；

（2）调整注射机料筒前段加热温度为230℃，后段温度为180℃；

打开料筒加热开关加热料筒；

（3）启动注射机油泵开关，打开压力表，按住注射模拟开关，调整注射压力为3.0MPa；

同理按相同程序调整保压压力2.8MPa；

（4）调整注射时间3S、保压时间5S、冷却时间20S；

（5）料筒加热显示达到加热温度后15分钟，可启动注射机加工试样；

（6）试样加工后切除水口料，待其冷却至室温后可进行拉伸实验。

2、拉伸实验

（1）调整拉伸机的拉伸速度为20m/min（50mm/min）;

把重锤B安装到杠杆上；

（2）把试样安装到拉伸试验机的夹具上，调整试样的长度读数，并把拉力读数盘的读数调整为零，把绘图仪的纸笔安装好；

（3）开启试验机测定拉伸应力-应变曲线；

（4）记录实验过程的屈服拉力、断裂拉力及拉伸增长量；

（5）重复上述步骤，把两种材料三组（或五组）试样全部作完。

五、实验报告要求

（一）数据处理

（1）根据实验所得的数据计算各个试样的应力、屈服强度、拉伸强度，按PP、ABS两种材料的试样在20mm/min、50mm/min拉伸速度下，分别计算各自屈服强度、拉伸强度的平均值，并绘制各自的应力-应变曲线；

（2）按PP、ABS两种材料的试样在20mm/min、50mm/min拉伸速度下，分别计算各自延伸率的平均值。

（二）实验报告要求

1.记录实验材料的名称，试样注射加工的工艺条件（即注射压力、保压压力、注射时间、保压时间、冷却时间、料筒温度）；

2．记录拉伸速度及拉伸原始数据，即各试样的

截面尺寸、屈服力、拉断力、试样伸长绝对值；

3.按下式计算各试样的屈服强度、拉伸强度、延伸率；

伸长率

拉伸应力

（N/mm²

）

lo、Ao——起始长度（mm）、起始截面积（mm²

），Δl为绝对伸长；

F——计算屈服强度σy时，F是屈服时的载荷Fy（N）；

计算拉伸强度σE时，F时试样被拉断前的最大载荷Fmax（N）。

六、思考题

1、绘制两种材料在不同拉伸速度下的拉伸曲线，比较PP、ABS两种材料的屈服强度、拉伸强度、延伸率有何不同，为什么？

2、分析拉伸应力-应变曲线出现两个拐点的原因。

3、分析拉伸速度对材料延伸率的影响。

附：

实验原始数据记录及计算数据表

注射成型工艺参数：

温度（℃）：

一段二段三段

压力（MPa）：

注射保压预塑背压

时间（s）：

注射保压冷却

试样截面尺寸（mm×

mm）：

试样

序号

标记

材料

拉伸

速度

mm/s

屈服

拉力

N

屈服应力

N/mm²

断裂

断裂应力

绝对

伸长

mm

延伸率

%

备注：

试样标记注明浇口尺寸

实验二高分子材料冲击性能测定

一、实验目的

1.主要测定塑料的冲击强度，并了解其对制品使用的重要性；

2.了解冲击实验原理，学会使用冲击试验机。

二、实验原理

研究塑料的力学性能，除采用静力实验外，还采用动力实验，因为高聚物材料制成的零部件有时要在载荷速度很大的情况下使用，因此要对这些材料做快速载荷下的性能测定，其中以冲击实验应用得最广泛。

材料抗御外力冲击损坏的能力称为韧度。

通过抗冲击实验，可以比较不同的塑料材料，哪些属于韧性的，哪些属于脆性的。

一般冲击强度可用下列几种方法进行测定：

（1）摆锤式冲击弯曲实验——包括简支梁型和悬臂梁型；

落锤式冲击实验；

（2）高速拉伸冲击实验。

我国经常使用的是简支梁式冲击实验方法，它所测得冲击强度数据是指试样破断时单位面积上所消耗的能量。

基本原理是把摆锤从垂直位置挂于机架的扬臂上以后，此时扬角为α（如下右图所示），它便获得了一定的势能，如任其自由落下，则此势能转化为动能，将试样冲断，冲断以后，摆锤以剩余的能量升到某一高度，升角为β。

在整个冲击实验中，按照能量守恒的关系可写出下式：

A=m（ho-h）

=mL（cosβ-cosα）

式中m——冲锤质量，kg

α——冲锤冲前之扬角

L——冲锤摆长，m

β——冲锤冲断试样后之升角；

A——冲断试样所消耗的功，J

式中除β外均为已知数，故根据摆锤冲断试样后生角β的大小，即可绘制出读数盘，由读数盘可以直接读出冲断试样时消耗的功的数值。

将此功除以试样的横截面积，即为材料的冲击强度σI（kJ/m2）.

按下式计算：

式中A——冲断试样所消耗的功，kJ；

b——试样宽度，m；

d——试样厚度，m。

缺口试样冲击强度σi（kJ/m2）按下式计算：

式中A、b同前；

D1——缺口试样剩余厚度，m。

三、实验设备、试样及条件

1、设备

（1）简支梁式冲击实验机的基本构造有三部分，即机架部分、摆锤冲击部分和指示系统部分，如下图。

（2）游标卡尺一把。

2、试样

试样尺寸：

（120±

1）mm×

（15±

0.2）mm×

（10±

0.2）mm;

脆性材料——ABS；

非脆性材料——PP；

试样要求表面平整，无气泡、裂纹、分层、伤痕等缺陷。

缺口试样：

缺口深度为试样厚度的1/3，缺口宽度为（2±

0.2）mm。

每组试样不少于5个。

3、实验机样条跨度调节

长120mm的试样，其跨度要求为70mm。

缺口背向冲锤，缺口位置与冲锤对准。

四、实验步骤

1.熟悉设备，检查机座是否水平。

2.用卡尺测量试样中间部位的宽度、厚度，准确至0.02mm。

3.调节支座跨度。

4.调节指针零点，将摆锤举起卡好，使其自由落下，观察指针是否从最大刻度旋至零点，如不在零点，则将钩环转一相应的角度，直至调整好为止，然后将摆锤举起卡好。

5.将试样面贴紧在直角支座的垂直面上。

6.将指针拨至右边的满量程位置。

7.扳动手柄抓钩，放松摆锤，使其自由落下，将试样冲断时，指针所指数值即为A值，记录读数。

8.按公式计算每个试样的冲击强度，并取其算术平均值。

五、实验报告要求

1、简述实验原理与意义；

2、记录操作步骤；

3、记录原始数据并计算结果；

4、比较脆性材料与非脆性材料的数据。

六、实验注意事项

1、摆锤举起后，人体各部分都不要伸到重锤下面及摆锤起始处，冲击实验时注意避免样条碎块伤人。

2、扳手柄时，用力适度，切忌过猛。

试样序号

试样标记

试样材料

摆锤高度

m

回摆角度

冲击强度

kJ/m2