第二章　塑料橡膠常規(guī)力學性能測試實驗

材料在外力作用下所表現(xiàn)的力學行為稱為材料的力學性能。材料力學實驗的目的在于通過測定材料的強度和剛度等基本性能，得到生產(chǎn)質(zhì)量的控制和質(zhì)量驗收的依據(jù)，同時實驗結果還可作為材料應用中使用性能指標和工程設計的基本數(shù)據(jù)。高分子材料的使用總是要求具有必要的力學性能，而且對大部分應用來說，力學性能比其它物理性能顯得更為重要。

高分子材料具有所有已知材料中可變范圍最寬的力學性能，這種性能上的多樣性為高分子材料在不同領域的應用提供了廣泛的選擇余地。然而，與其它材料相比，高分子材料結構的多分散性、粘彈行為以及松弛特性，使得高聚物對機械應力的反映性相差較大。實驗表明影響高分子材料力學性能測試結果的因素很多，內(nèi)在因素有：材料本身化學組分，分子量及其分布，結構的規(guī)整性，取向及結晶程度，增塑和填充以及內(nèi)部存在各種缺陷的多少等。外部因素如：測試溫度、濕度、外力施加的頻率以及試樣的形狀尺寸和加工質(zhì)量等。塑料橡膠常規(guī)力學性能包括塑料拉伸、壓縮、彎曲、沖擊、剪切性能，橡膠的拉伸、撕裂性能等，為了使測試結果真實反應性能本質(zhì)，且測試數(shù)據(jù)具有較好的重復可比性，要求測試方法的技術條件和操作步驟統(tǒng)一化、標準化、儀器設備定型化。因此，這些性能的測試都有相應的國家或部頒標準。此外，國家標準還對塑料橡膠力學性能測試的方法制定了總則，提出了塑料橡膠力學性能實驗中對試樣、測試環(huán)境的要求。其內(nèi)容如下：

1、  試樣制備

⑴　薄膜試樣：用鋒利的刀片裁切或者用所需形狀的沖切刀沖切。

⑵　軟板、片試樣：用鋒利的切樣刀在襯墊物上沖切。襯墊物的硬度為70~95（邵氏A）。

⑶　模塑試樣：按有關標準或協(xié)議模塑。

⑷　硬質(zhì)板材試樣：用機械加工法加工。加工時不應使試樣受到過分的沖擊、擠壓和受熱。加工面應光潔。

⑸　各向異性的材料應沿縱橫方向分別取樣。

2、  試樣外觀檢查

試樣表面應平整、無氣泡、裂紋、分層、明顯雜質(zhì)和加工缺陷。

3、  實驗環(huán)境

溫度：熱塑性塑料為25±2℃；

熱固性塑料為25±5℃。

　　濕度：相對濕度為65±5%

4、  試樣預處理

將試樣放置在第3條規(guī)定的環(huán)境中，使其表面盡可能暴露在環(huán)境里，不同厚度（ｄ）

的試樣其處理時間如下：

d≤0.25的試樣不少于4個小時；

0.25＜d＜2的試樣不少于8小時；

d≥2的試樣不少于16小時。

5、  材料實驗機定期經(jīng)國家計量部門鑒定。

6、  實驗的負荷值應選在每級表盤滿量程的10%～90%，不得小于實驗機最大負荷的４%，指示值誤差應在±1%以內(nèi)。

7、  實驗若有特殊要求時，可按產(chǎn)品規(guī)定進行。

在測試塑料各種力學性能時，應嚴格遵循上述規(guī)定，使各種影響因素所造成的實驗誤差趨于最小。

實驗八　塑料拉伸強度實驗

（Tensile Strength Test of Plastics）

一、實驗目的

1、   明確塑料拉伸強度、斷裂伸長率及拉伸彈性模量的物理意義。

2、   了解不同塑料拉伸實驗的條件以及影響塑料拉伸性能的因素。

3、   掌握拉伸實驗的基本操作，按GB/T 1040－92測定硬質(zhì)PVC的拉伸強度、

斷裂伸長率。

二、實驗原理

拉伸實驗是最基本、用途最廣泛的一種材料力學實驗。其基本過程是在拉伸實驗機上對試樣施加載荷直至斷裂，由此來測量試樣所能承受的最大載荷及相應的形變。通過拉伸實驗可得到材料的拉伸強度、斷裂伸長率以及拉伸彈性模量。

拉伸強度（tensile　strenth）：在實驗過程中，試樣的有效部分原始橫截面單位

面積所承受最大負荷。

斷裂伸長率（elongation at break）：由拉伸負荷使試樣有效部分標線間距離的增量與原始標距之比的百分率。

應力－應變曲線(tensile stress-strain curve)：以拉伸應力為縱坐標所得到的拉伸特性曲線稱為應力－應變曲線。它往往是通過拉力機在一定的拉伸速度下自動記錄拉伸負荷－形變曲線，經(jīng)變換而得。

影響拉伸實驗的因素主要有以下幾方面：

1、  試樣材料的組成如化學成分、交聯(lián)、增塑、結晶、取向及分子量分布等。

2、  試樣尺寸如寬度、厚度等。通常試樣尺寸大，其表面積大，氣泡、雜質(zhì)及局

部應力集中等缺陷存在的幾率就高，強度相對低。

3、  拉伸速度的大小直接影響材料分子的變形過程。拉伸速度大，材料分子來不

及變形，則導致材料向脆而硬發(fā)展，通常造成拉伸強度、模量提高，斷裂伸長率降低。

4、  環(huán)境溫度和濕度提高，一般使材料強度、模量減小，延伸率增大。升高溫度

和降低拉伸速度在一定程度上是等效的，增加濕度與增塑在一定程度上是等效的，但不同材料對各因素的依賴程度有所不同。

5、  試樣在加工中易產(chǎn)生內(nèi)應力，實驗前對材料進行預處理可消除局部應力集中，

從而對材料拉伸性能測試結果有一定影響。

三、實驗條件

1、試樣

⑴材料：硬質(zhì)聚氯乙烯板材、高壓聚乙烯薄膜或其它塑料

⑵ 試樣類型和尺寸：

Ⅰ型試樣見圖2-1

圖2-1Ⅰ型試樣

Ⅰ型試樣的尺寸見表2-1

表2-1Ⅰ型試樣的尺寸

Ⅱ型試樣見圖2-2

圖2-2 Ⅱ型式試樣

  Ⅱ型試樣的尺寸見表2-2

表2-2  Ⅱ型試樣的尺寸

 

Ⅲ型試樣見圖2-3

 

圖2-3 Ⅲ型試樣

Ⅲ型試樣的尺寸見表2-3

表2-3 Ⅲ型試樣的尺寸

Ⅳ型試樣見圖2-4

圖2-4 Ⅳ型試樣

Ⅳ型試樣的尺寸見表2-4

 

表2-4 Ⅳ型試樣的尺寸

  注：①紗布增強的熱固性塑料板試樣寬度采用50mm；②玻璃纖維增強的熱固性塑料板試樣寬度采用２5mm；③除有爭議外對玻璃纖維增強材料可省去加強片。

⑵試樣選擇及速度

①試樣選擇見表2-5

表2-5試樣選擇

 ②實驗速度設有以下九種：

速度A  1mm/min±50%；       速度F  50mm/min±10%；

速度B  2mm/min±20%；       速度G  100mm/min±10%；

速度C  5mm/min±20%；       速度H  200mm/min±10%；

速度D  10mm/min±20%；      速度I  500mm/min±10%；

速度E  20mm/min±10%；

⑶試樣數(shù)量：每組不少于5個。

2、實驗環(huán)境

⑴溫度：25±2℃

⑵濕度：65±5%

3、實驗設備及儀器

⑴ 機械拉力機（LJ－1000）

⑵ 拉力實驗夾具一套

⑶ 調(diào)溫調(diào)濕箱（CS362）

⑷ 千分尺、游標卡尺

⑸ 實驗標準：GH/T1040－92

四、實驗內(nèi)容和步驟

1、檢查設備運轉(zhuǎn)情況及速度轉(zhuǎn)換是否正常可靠。

2、根據(jù)材料的強度和試樣的種類、大小，選擇合適的砝碼的數(shù)量；

3、開啟記錄儀，調(diào)好零點，用標準砝碼校正力值讀數(shù)；

4、測量試樣中間平直部分的寬度和厚度，精確至0.01mm，Ⅱ型試樣中間平直部

分的寬度精確至0.05mm。每個試樣測量三點，取算術平均值。

5、測量伸長率時，應在試樣平行部分作標線，此標線對測量結果應無影響。

6、  調(diào)試實驗機的速度為所要求的速度。

7、  將試樣夾持在夾具上，使試樣縱軸與上、下夾具的中心連線相重合，且松緊

要適宜。

8、  開動實驗機進行實驗并記錄下列數(shù)值。

⑴試樣斷裂時，記錄負荷和標距伸長； 試樣出現(xiàn)屈服，記錄屈服時的負荷；測量模量時，記錄負荷和相應形變值。

⑵試樣斷裂在標距之外，此試樣作廢，另取試樣補做。

9、  實驗中用記錄儀記錄負荷－形變曲線。經(jīng)變換可得拉伸應力－應變曲線。

10、處理實驗結果，寫出實驗報告并進行相關問題的討論。

五、實驗數(shù)據(jù)處理

1、拉伸強度、拉伸屈服應力按式2-1計算：

                        （2-1）

式中： —拉伸強度或拉伸屈服應力，Mpa；

P —最大負荷或屈服負荷，N；

b —試樣寬度，mm；

d —試樣厚度，mm。

實驗結果以每組試樣測定的算術平均值表示，取三位有效數(shù)字。

2、斷裂伸長率按式2-2計算：

          　　       （2-2）

   式中： —斷裂伸長率，%；

          L—試樣斷裂時標線間距離，mm；

          L₀—試樣原始標距，mm.

3、若要求計算標準偏（S），可按式2-3計算：

     （2-3）

 式中：x—單個測定值；

          —組測定值的算術平均值；

          n—測定值的個數(shù)。

 4、列表記錄與計算

⑴ 拉伸速度，走紙速度；

⑵ 試樣編號；

⑶ 試樣尺寸包括寬度、厚度、截面積和平行部分原始長度；

⑷ 斷裂最大負荷和屈服時的負荷；

⑸ 斷裂時試樣長度；

⑹ 拉伸強度和屈服強度；

⑺ 斷裂伸長率。

六、問題討論

1、影響拉伸強度的因素有那些？如何影響？

2、由應力—應變曲線如何判斷材料的性能？

 

實驗九 塑料懸臂梁沖擊強度實驗（懸臂梁法）

(Izod Impact Strength Test of plastics)

一、概述

在研究塑料的力學性能時，除采用緩慢加荷的拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切等靜力實驗外，還常常進行動載荷實驗，沖擊實驗就是常用的一種。沖擊實驗可按物體破壞時受沖擊的方式不同分為：彎曲沖擊、拉伸沖擊、壓縮沖擊、扭轉(zhuǎn)沖擊及抗切沖擊等，其中彎曲沖擊應用最廣。彎曲沖擊實驗最常用的是擺錘式?jīng)_擊實驗按被沖擊試樣夾持方式的不同其又分為簡支梁法和懸臂梁法，本實驗即屬懸臂梁法。

一、              沖擊強度是度量材料在高速沖擊狀態(tài)下抵抗外力沖擊損壞的能力，它可以理解為

二、              試樣受沖擊破壞時，單位面積或單位標樣寬度上消耗的能量。這種抵抗能力是由材料的許多性質(zhì)決定的，也受到實驗方法、試樣形狀、實驗環(huán)境等因素的影響，再加上試樣本身的不均勻性，應力分布不同，所以測得的結果往往重復性較差，因此資料上記載的數(shù)值只能做參考。沖擊強度是材料的一個綜合性能，又是一個使用性能，在實際應用中有很大意義，是工程材料設計中不可缺少的數(shù)據(jù)，它表明的是材料的強度和韌性，而不表明破裂時材料所受的應力大小，所以它與靜力實驗不同。懸臂梁法所得數(shù)據(jù)也與其它沖擊法所得數(shù)據(jù)之間不存在相互比較的意義。所以真正設計時，最好根據(jù)實際情況自行測量。

二、實驗目的

掌握用懸臂梁式?jīng)_擊實驗機測定高分子材料的沖擊強度的原理、方法以及數(shù)據(jù)的

計算和處理。

三、實驗方法

由已知能量的擺錘一次沖擊垂直固定成懸臂梁的試樣，測量試樣破壞時所吸收的

能量，以試樣沖斷時缺口處單位寬度上所消耗的能量來衡量材料的沖擊韌性。

四、儀器設備及原理

所用實驗儀器：XJU—22J型懸臂梁沖擊實驗機。

該儀器是按IZOD沖擊方法設計的，符合國標GB1843—80，其測量裝置原理是：

當把擺錘從鉛錘位置旋轉(zhuǎn)到支錘軸上后，此時仰角為α，具有一定的位能，如任其自由落下，則此位能轉(zhuǎn)化成動能，而將試樣沖斷。沖斷試樣后，擺錘即以剩下的能量升到某一高度，升角為β，按能量守恒關系可寫出式2-4

     （2-4）

  式中：W—沖擊錘的重量，Kgf；

        L—沖擊擺錘的長度，cm；

        α—沖擊錘的預揚角，°；

β—沖擊錘沖斷試樣后的升角，°；

A—  沖斷試樣所消耗的能量，Kgf·cm；

A_α、A_β—擺錘在α—β角區(qū)段內(nèi)克服空氣阻力和摩擦阻力所消耗的能量，

Kgf·cm；

—試樣沖斷飛出時所具有的動能，Kgf·cm。

式中A_α、A_β可忽略不計或以后作能量損失修正，式中 對非脆性

材料也可忽略不計或以后作拋擲試樣自由端所消耗的能量修正。則有式2-5

      （2-5）

WL是沖擊擺錘力矩，為沖擊常數(shù)。α為沖擊前擺錘的揚角，為160°也是已知的，因此要測出沖斷試樣后的升角β即可根據(jù)公式計算出試樣沖斷時所消耗的能量來，或根據(jù)升角把刻度盤讀數(shù)換算為沖擊消耗能，直接讀出消耗能，

XJU—22J型懸臂梁沖擊實驗機就是根據(jù)此原理設計的，刻度盤上有三種能量級刻度，用5.5J擺錘，讀0—5.5J刻度，用11J擺錘，讀0—11J刻度，用22J擺錘，讀0—22J刻度。

計算試樣沖擊強度的公式見式2-6

        （2-6）

式中：α—沖擊強度，J/m；

A_K—刻度盤上讀出的沖擊消耗能，J；

A_X—能量損失修正值，J；

b—試樣厚度，m。

  能量損失修正值的計算公式見式2—6

    （2-6）

  式中：A₀—為空擊能量損失值，J；

β_O—為空擊能量損失角，°；

β—沖斷試樣后的升角，°。

    從刻度盤上讀出的沖擊消耗能A，減去能量損失修正值A_X就是真正沖斷試樣所消耗的能量，簡稱沖斷能，缺口處單位厚度的沖斷能即為沖擊強度。

三、試樣

1、 試樣形狀及尺寸

試樣形狀及尺寸見圖2-5

L=63.5mm；d=12.7±0.15mm；b=4~12.7mm，R=0.25±0.025mm，C=10.16±0.05mm

圖2-5 IZOD沖擊試樣形狀及尺寸

2、 試樣要求

⑴試樣必須帶缺口。

⑵板材加工的試樣，當板材厚度d為4~12.7mm時，板材厚度為試樣厚度，當板

材厚度超過12.7mm時，需單面加工到12.7mm。缺口均加工在板材的側(cè)面。

⑶模塑成型的試樣，厚度d=12.7mm，缺口加工在較窄的側(cè)面上，保證缺口處試

樣的剩余寬度為10.16±0.05mm。

⑷試樣表面應平整、無氣泡、裂紋分層、明顯雜質(zhì)和加工損傷等缺陷。

⑸對于各向異性的板材，需從板材的縱橫兩個方向各取一組試樣，每組試樣不少

于5個。

四、實驗步驟

2、  制取試樣：板材在萬能制樣機上按試樣尺寸要求加工并打缺口，用量具測量

各部尺寸。檢查外觀。符合要求時，記錄缺口處試樣厚度和寬度，讀數(shù)精確到0.05毫米。模塑試條若無缺口，也需在萬能制樣機上開缺口。

3、  選擇適宜的擺錘：使試樣沖斷所需要的能量在擺錘總能量的10~80%區(qū)間內(nèi)。

4、  檢查擺錘鉛錘位置：檢查被動指針與主動指針靠緊時，指針指示位置應與0^ｏ

角度重合（用目視）。

5、  求空擊能量損失值A₀：將擺錘置于預揚角位置，釋放擺錘后，由被動指針讀

出擺錘空擊的能量損失值A₀和相應的空擊能量損失角β₀　。

6、  夾持試樣：松開旋轉(zhuǎn)手輪，在右側(cè)擺錘打擊缺口的方向上用對中樣板將試樣

對中并保證垂直，用適宜的力旋轉(zhuǎn)手輪，使試樣夾緊。

7、  沖擊實驗：將擺錘從預揚角位置釋放，讀出試樣沖擊能量消耗指示值A_K和升

角值β，并根據(jù)β和空擊實驗所得A₀和β₀根據(jù)公式求得沖擊能量修正值A_X。

五、實驗結果及報告

1、試樣沖擊強度的計算公式見式2-7

                （2-7）

2、求同組試樣沖擊強度的算術平均值 。

3、  求試樣沖擊強度的標準偏差值S，見式（2-8）

                     （2-8）

式中：X_i—每個試樣的沖擊強度；

      —全組試樣沖擊強度的算術平均值；

n—試樣個數(shù)。

4、  列表記錄并計算：

⑴ 試樣編號；               ⑵ 缺口處厚度、寬度；

⑶ 空擊損失能A₀和損失角β₀；⑷ 沖擊消耗值A_k；

⑸ 沖擊后升角β；           ⑹ 沖擊損失值A_x；

⑺ 沖擊強度。

八、問題討論

⑴ 沖擊過程中，哪些因素消耗了實驗機擺錘的能量？

⑵ 試樣上的缺口起什么作用？

⑶ 試樣厚度變化及缺口形成方法不同時，對實驗結果有何影響？
實驗十　簡支梁沖擊強度實驗

（Charpy Impact Strength Test of Plastics）

一、實驗目的

1、掌握用簡支梁實驗機測定塑料沖擊強度的原理、方法和數(shù)據(jù)的處理。

2、掌握簡支梁沖擊實驗機的使用方法。

二、儀器設備及原理

所用實驗儀器為：XJJ－50型簡支梁沖擊實驗機，該機設計原理同前。設有能量級刻度，用7.5J擺錘，讀0—7.5J，用15J擺錘，讀0—15J，用25J擺錘，讀0—25J，用50J擺錘，讀0—50J。

二、         三、實驗方法

本方法按GB/T1043－93進行，使用簡支梁沖擊實驗機，對試樣施加沖擊彎曲負荷，使試樣破裂，以試樣單位截面積所消耗的功來衡量塑料材料的沖擊韌性。

1、 試樣

簡支梁沖擊實驗的試樣可用模具經(jīng)壓塑或注塑成型；也可用壓塑或注塑成型的板

材經(jīng)機械加工制得，試樣為矩形截面的長條形，分有缺口和無缺口兩種試樣，其中包括3中不同的缺口類型和4中不同的尺寸類型。其具體規(guī)定見表2-6、表2-7和圖2-6、圖2-7和圖2-8。標準試樣尺寸：

    表2-6 不同試樣類型的尺寸            mm

    表2-7缺口類型與尺寸            mm

圖2-6   A型缺口試樣

L—試樣長度；d—試樣厚度； r—缺口底部半徑；b—試樣寬度；

dk—試樣缺口剩余厚度

圖2-7   B型缺口試樣

L—試樣長度；d—試樣厚度； r—缺口底部半徑；b—試樣寬度；

dk—試樣缺口剩余厚度

圖2-8   B型缺口試樣

L—試樣長度；d—試樣厚度； r—缺口底部半徑；b—試樣寬度；

dk—試樣缺口剩余厚度；n—缺口寬度

試樣的缺口可在銑床、刨床或其他專用缺口加工機床上加工，如果受試材料的產(chǎn)

品標準沒有規(guī)定，一般不用帶模塑缺口的試樣，因為模塑缺口試樣和經(jīng)機械加工的試樣所得試樣結果不能相比。由于A型缺口對多數(shù)材料所得數(shù)據(jù)的分散性小和重復性好，因此把A型缺口作為首選缺口，并把1型試樣作為首選試樣，此外實驗方法還規(guī)定厚度小于3mm的試樣不作沖擊實驗。

2、 實驗條件

⑴設備條件：沖擊速度：3.8m/s，擺錘預揚角：160°，擺錘中心到試樣中心的距離：380mm，鉗口圓角半徑：1mm，沖擊刀刃夾：30°，沖擊刀刃圓角半徑：2mm。

⑵環(huán)境條件：熱塑性塑料測試溫度25±2℃，熱固性塑料為25±5℃。相對濕度為65±5%。

  　四、實驗操作步驟

1、測量試樣尺寸：用卡尺測量試樣中部（或缺口處）寬度ｂ和厚度ｄ，準確至0.05mm，測三點取平均值。

2、選擇能量級：根據(jù)試樣予估計沖擊強度范圍選擇擺錘，實驗消耗的能量在擺錘總能量的10~85%范圍內(nèi)有效。如符合這一能量范圍的不只一個擺錘時，應該用最大能量的擺錘。

3、調(diào)節(jié)能量度盤指針零點，使它在擺錘處于起始位置時與主動針接觸，進行空擊實驗，保證總摩擦損失在0.5%以內(nèi)。

4、安裝試樣：將試樣寬面垂直緊帖支承面，缺口面或未加工面背向擺錘，用定位塊將試樣中部（或缺口）位置與擺錘對準。

5、沖擊試樣：將擺錘抬起并鎖住，平穩(wěn)釋放擺錘，由被動指針讀出試樣沖擊能量消耗值A_K。全部試樣沖擊完畢后，結束實驗。

三、         五、結果計算和報告

1、無缺口試樣簡支梁沖擊強度a（KJ/m²）的計算見式2-9

                  （2-9）

式中：A—試樣吸收的沖擊能量，J；

b—試樣寬度，mm；

d—試樣厚度，mm。

2、缺口試樣簡支梁沖擊強度a_k（KJ/m²）的計算見式2-10

         （2-10）

式中：A_K—缺口試樣吸收的沖擊能量，J；

b—試樣寬度，mm；

d_K—缺口試樣缺口處剩余厚度，mm。

3、報告內(nèi)容：

① 材料名稱

② 試樣制備方法、數(shù)量

③ 實驗機型號及所用能量級

④ 實驗溫度

⑤ 列表計算：試樣尺寸ｂ、ｄ，沖擊消耗值A_K，沖擊強度ａ及其算術平均值和標準偏差S。

四、         六、問題討論

1、    為什么不同厚度試樣的沖擊強度值不能相互比較？

2、    分析試樣斷口形態(tài)和強度的關系。