一．實(shí)驗目的 1.掌握拉伸強度的測試原理和測試方法，掌握電子拉力機的使用方法及共工作原理； 2.了解橡膠在拉伸應力作用下的形變行為，測試橡膠的應力-應變曲線(xiàn)； 3.通過(guò)應力-應變曲線(xiàn)評價(jià)材料的力學(xué)性能（初始模量、拉伸強度、斷裂伸長(cháng)率）； 4.了解測試條件對測試結果的影響； 5.熟悉高分子材料拉伸性能測試標準條件。 二．實(shí)驗原理 隨著(zhù)高分子材料的大量使用，人們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種基本的力學(xué)性能指標。 拉伸試驗是力學(xué)性能中一種常用的測試方法，它是在規定的試驗溫度、濕度和拉伸速度下，試樣上沿縱向施加拉伸載荷至斷裂。在材料試驗機上可以測定材料的屈服強度、斷裂強度、拉伸強度、斷裂伸長(cháng)率。 影響高聚物實(shí)際強度的因素有：
1）化學(xué)結構。鏈剛性增加的因素都有助于增加強度，極性基團過(guò)密或取代基過(guò)大，阻礙鏈段運動(dòng)，不能實(shí)現強迫高彈形變，使材料變脆。 2）相對分子質(zhì)量。在臨界相對分子質(zhì)量之前，相對分子質(zhì)量增加，強度增加，越過(guò)后拉伸強度變化不大，沖擊強度隨相對分子質(zhì)量增加而增加，沒(méi)有臨界值。 3）支化和交聯(lián)。交聯(lián)可以有效增強分子鏈間的，使強度提高。分子鏈支化程度增加，分子間作用力小，拉伸強度降低，而沖擊強度增加。 4）應力集中。應力集中處會(huì )成為材料破壞的薄弱環(huán)節，斷裂首先在此發(fā)生，嚴重降低材料的強度。 5）添加劑。增塑劑、填料。增強劑和增韌劑都可能改變材料的強度。增塑劑使大分子間作用力減少，降低了強度。又由于鏈段運動(dòng)能力增強，材料的沖擊強度增加。惰性填料只降低成本，強度也隨之降低，而活性填料有增強作用。 6）結晶和取向。結晶度增加，對提高拉伸強度、彎曲強度和彈性模量有好處。結晶尺寸越小，強度越高。取向使材料的強度提高幾倍甚至幾十倍，此外，取向后可以阻礙裂縫向縱深方向發(fā)展。 7）外力作用速度和溫度。拉伸試驗中提高拉伸速度和降低溫度都會(huì )使強度降低。 拉伸試驗的一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)就是在一個(gè)相對簡(jiǎn)單的測試中可以得到幾個(gè)有用的變量。它可以測定特定伸長(cháng)率（典型和300%）下的應力（300%的定伸應力）。此外還可以得到扯斷伸長(cháng)率、拉伸強度、斷裂強度。典型的拉伸應力應變曲線(xiàn)如圖1所示： 根據國標，對測試試樣的厚度、測試速度和溫度有規定。試樣包括啞鈴型，兩邊平行的條形或環(huán)形，啞鈴狀樣片（如圖2）Z常見(jiàn)。 三.實(shí)驗材料與設備 HY-0580 電子拉力機，HY（CP）沖片機，厚度計，啞鈴形試樣用裁刀。 各種橡膠試樣 四． 實(shí)驗步驟1）打開(kāi)儀器電源，預熱15—20min。 2）控制試樣厚度2.0mm，按國標剪裁試樣，用厚度計測量真實(shí)的厚度，測量3點(diǎn)，去測量3點(diǎn)的中位數作為式樣的厚度值。 3）橡膠試樣的測試 選定試驗速度。將啞鈴形試樣均勻加持在上、下夾持器上，使拉力均勻分布在橫截面上。開(kāi)動(dòng)試驗機，測試并記錄。 4）按實(shí)驗施加的負荷和試樣尺寸，計算出相應的應力值，并對應變作圖，得應力-應變曲線(xiàn)。計算拉伸強度。定伸應力、扯斷伸長(cháng)率、扯斷*變形。五．計算方法和公式 1）拉伸強度 式中，：拉伸強度，MPa；：記錄的Z大力，N；W：試樣狹小平行部分寬度，mm；t：試樣長(cháng)度部分原始的厚度，mm； 2）定伸應力 式中，：定伸應力，MPa；：給定應變下記錄的力，N。 3）扯斷伸長(cháng)率 式中，：式樣的初始標距，mm；：試樣斷裂時(shí)的標距，mm。 4）扯斷*伸長(cháng)率 式中，：扯斷*伸長(cháng)率，%；：試樣斷裂后，停放3min對起來(lái)的標距，mm； 六．實(shí)驗數據及處理 實(shí)驗原始數據： 1.用厚度計測量式樣長(cháng)度部分的原始厚度，測量3次分別為1.856mm，1.869mm，1.880mm。取中間的厚度值作為試樣的原始厚度，即1.869mm，原始標距長(cháng)度為25mm。 2.對橡膠試樣采用邵氏硬度計測量其硬度值。把試樣放置在堅固的平面上，拿住硬度計，壓足中孔的壓針距離試塊邊緣至少12mm，平穩地把壓足壓在試樣上，不能有任何振動(dòng)，并保持壓足平行于試樣表面，以使壓針垂直地壓入試樣，所施加的力要剛好足以使壓足和試樣*接觸，除另有規定，必須在壓足和試樣*按觸后1秒內讀數。橡膠的試樣厚度不小于6mm，寬度不小于15mm，長(cháng)度不小于35mm，試樣厚度不足6mm時(shí)，可用同樣膠片重疊測定，但不超過(guò)3層。并要求膠片上下平行。檢定時(shí)室溫為23℃±5℃，檢定前硬度計在此溫度下至少存放1小時(shí)。Z后測得本實(shí)驗所用試樣的邵氏硬度為68度。 3.在電子拉伸機上進(jìn)行橡膠拉伸試驗所得的數據見(jiàn)附錄，由所得數據和載荷-位移曲線(xiàn)，取點(diǎn)畫(huà)出應力應變曲線(xiàn)，按位移均勻取點(diǎn)如下，然后由： 應變?yōu)?/span>，應力為，得到下表： 表1 拉伸試驗的載荷-位移及其對應的應力-應變數據 | 位移ΔL（mm） | 載荷F（N） | 應變ε | 應力σ（MPa） | 位移ΔL（mm） | 載荷F（N） | 應變ε | 應力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 | | | | | 根據表1中的數據，用Excel畫(huà)出橡膠拉伸的應力-應變曲線(xiàn)如圖3： 圖3 橡膠拉伸應力-應變曲線(xiàn) 4.根據附表數據，得到各種應力應變平均值如下： 1）拉伸強度：TS=8.8MPa； 2）對和300%定伸應力測量時(shí)，發(fā)現1、4兩組數據中，由于位移傳感器未夾緊等原因，造成伸長(cháng)率測量值變小，使得300%伸長(cháng)率的應力值為0，故只采用2、3兩組數據，這樣得到和300%的定伸應力值分別為： ：Se=（2.1+2.2）/2 MPa=2.15 MPa 300%：Se=（7.1+7.6）/2 MPa=7.35 MPa。 3）扯斷伸長(cháng)率為：Eb=301%； 4）扯斷*伸長(cháng)率：將拉斷后的橡膠試樣過(guò)3min后測量標距點(diǎn)之間的距離為：26mm。這樣扯斷*伸長(cháng)率為：Sb=（26-25）/25×=4% 七．實(shí)驗結果分析討論 根據以上的應力應變值的計算可以明顯看出橡膠的彈性非常好，其伸長(cháng)率可以達到300%以上，遠遠大于一般的材料，但是它的強度很低，只有7MPa左右，大概比低碳鋼的屈服強度低兩個(gè)數量級，其硬度也是比較低的。 通過(guò)本次試驗的學(xué)習，基本上掌握了拉伸強度的測試原理和測試方法，掌握了電子拉力機的使用方法和工作原理，而且根據載荷-位移曲線(xiàn)畫(huà)出了應力-應變曲線(xiàn)，并計算出了橡膠的斷裂強度、扯斷伸長(cháng)率、扯斷*伸長(cháng)率等性能指標。
八．實(shí)驗思考題 1）改變拉伸速率，拉伸強度將怎么變化？ 答：提高拉伸速率會(huì )使強度降低，這是由于提高拉伸速率使得橡膠中運動(dòng)單元來(lái)不及運動(dòng)，故使得強度降低。 2）同樣實(shí)驗條件下，拉伸同一聚合物，但厚薄尺寸不同的兩個(gè)試樣，哪個(gè)試樣強度更高，說(shuō)明原因。 答：厚的強度更高，因為薄試樣的形變在垂直于平面方向可以自由變形，而厚的試樣在垂直于平面方向要受到約束，這樣就需要更大的應力來(lái)使得它發(fā)生斷裂。 |
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