实验5 拉伸性能测定 (2)

试验五 拉伸性能测定

一、 目的要求

1. 明确试验条件。

2. 测试热塑性塑料和玻璃纤维增强塑料拉伸性能。

二、 原理

拉伸试验是最基本的一种力学性能试验方法。测定塑料、玻璃纤维织物增强塑料板材和短切玻璃纤维增强塑料的拉伸性能，包括拉伸强度、弹性模量、泊松比、伸长率、应力－应变曲线等。

拉伸试验是指在规定的温度、湿度和试验速度下，在试样上沿纵轴方向施加载荷使其破坏，此时材料的性能指标如下：

1. 拉伸强度为

P σt = b ⋅h

式中 σt ——拉伸强度，Mpa ；

P ——破坏载荷（或最大载荷），N ；

b ——试样宽度，cm ；

h ——试样厚度，cm 。

2. 拉伸破坏（或最大载荷处）的伸长率为

εt =∆L b ⨯100L 0

式中 εt ——试样拉伸破坏（或最大载荷处）伸长率，％；

∆L b ——试样破坏时（或最大载荷处）标距L 0内伸长量，cm ； L 0——测量的标距，cm 。

3． 拉伸弹性模量为

E t ＝L 0⋅∆P

b ⋅h ⋅∆L

式中 E t ——拉伸弹性模量，Mpa ；

∆P ——载荷－变形曲线上初始直线段的载荷增量，N ；

∆L ——与载荷增量∆P 对应的标距L 0内的变形增量，cm 。

4. 泊松比为

μ ＝-ε2 ε1

式中 μ——泊松比；

ε1, ε2 ——分别为载荷增量∆P 对应的纵向应变和横向应变。

ε1=∆L 1/L 1, ε2=∆L 2/L 2

式中 L 1, L 2——分别为纵向和横向的测量标距，cm

∆L 1, ∆L 2——分别为与载荷增量∆P 对应的标距L 1, L 2的变形增，cm

5. 拉伸应力－应变曲线图

玻璃纤维增强塑料拉伸应力－应变曲线由折线组成，折线的拐点出现在强度极限的三分之一处附近，试样拉伸过程达到此处时，可听到有开裂声，并伴随在试样表面上出现白斑。由于折线的存在，就形成了所谓第一弹性模量和第二弹性模量问题。形成第二弹性模量是复合材料的特点，这主要是由于在受力状况下树脂和纤维延伸率不同，在界面处出现开裂（热固性树脂延伸率仅1％左右，玻璃纤维延伸率：有碱纤维为2.7％，无碱纤维为3％），此时复合材料中有缺陷的纤维先行断裂，致使纤维总数少于起始状态，相应每根纤维上受力增加，形变也就增加，这是弹性模量降低的缘故。

三、 机器和试样

机器：任何可做拉伸试验的试验机均可使用，它必须符合GB1446-83第5章对试验设备的要求。

试样：

1．热固性模压材料，用I 型（见图53－1）：

2．硬板、硬质、半硬质热塑性模塑材料、玻璃钢板，用II 型（见图53－2）；玻

璃钢板材亦可用III 型（见图53－3）：

3．软板、片：用IV 型（见图53－4）：

4．薄膜：用V 型（见图53－5）。

四、 实验步骤

1．将合格试样编号、划线、测量试样工作段任意三处的宽度和厚，取算术平均值。

2．夹持试样使其中心线与上下夹具的中心线对准。

3．在试样工作段安装测量变形的仪表，施加初载约为破坏荷载的5％，检查并调整试样及变形测量系统，使整个系统处于正常工作状态。

4．测量拉伸弹性模量、泊松比、伸长率和应力－应变曲线时，采用分级加载，级差为破坏载荷的5％～10％，记录各级载荷与相应的变形值或自动记录连续加载。

5．测试拉伸强度时，连续加载至试样破坏，记录其最大载荷或破坏载荷和

试样破坏形式。

6．若试样破坏在明显内部缺陷处，对于II 型试样破坏在夹具内或圆弧处、III 型试样破坏在夹具内或试样断裂处离夹紧处的距离小于10nm 则应予作废。

7．I 型试样破坏在非工作段时仍用工作段横截面积计算强度，且应记录断裂位置。

五、现象和数据记录

现象：加了EPDM 的PP 样条在拉力机的拉伸下，逐渐变长。样条靠近中间或中间的部分被拉长成颈，拉长后，被拉伸部分逐渐变白，并且出现细颈，然后细颈部分逐渐被拉长，

未加EPDM 的pp 样条在拉力机的作用下，很快断了；属于脆性断裂。

图（1）PE/PP/EPDM 图（2）PE/PP

图（3）PE/PP/EPDM 图（4）PE/PP

六、数据和图表分析

从记录数据可以看出，PP/PE/EPDM的弹性模量E 小于PP/PE的弹性模量，PP/PE/EPDM的断裂伸长率E 大于PP/PE的断裂伸长率；PP/PE/EPDM的拉伸强度小于PP/PE的拉伸强度。

由上图表可以看出，PE/PP/EPDM 体系得到的制品的断裂伸长率较大，存在屈服点，抗拉强度较大，而PE/PP体系制品的断裂伸长率较小，且属于脆性断裂，这是典型的结晶聚合物的性质。

这主要是由于EPDM 中有较好的柔性链段，对改善结晶性的PE 和PP 的共混物产品的抗拉伸等性能起到较好的作用。有有前面的注射实验和冲击实验也可也看出，加工条件，对产品的性能有较大的影响。

七、问题讨论

1．拉伸试验时材料力学性能试验中最重要的一类试验。由于塑料、纤维增强塑料品种较多，使拉伸试验方法多种多样。因此，首先要正确选择那种类型的试验方法，然后根据方法规定，确定试样型式、加工方式、测试设备和条件、试

验步骤等。

2．试样的成型和加工是拉伸试验中十分关键的问题。根据被测试材料的不同，其拉伸试样的型式和尺寸也不同，在各试验方法中已有明确规定。

3．拉伸弹性模量是拉伸试验中比较重要的测定参数。测定时最好采用能绘测试验过程的应力－应变曲线或荷载－伸长曲线的试验机，然后根据曲线计算拉伸弹性模量。若不能做到这一点，则采用分级加载方法。载荷级差根据材料弹性范围大小选取，至少取5级。施加最大载荷不宜超过试样破坏载荷的50%,记录各级载荷与相应变形值，再代入公式计算。

若材料的拉伸应力－应变曲线没有初始直线段时，可测定规定应变下的割线弹性模量。规定应变可根据材料破坏伸长率大小取0.1％、0.2％或0.4％（GB1447-83）. 割线弹性模量是拉伸应力－应变曲线上原点和规定应变相对应点的连线的斜率。

泊松比的测定，必须使用测定试样纵向和横向变形的两个引申仪（或在试样的纵向和横向各贴一片应变片），测定方法与弹性模量一样可采用分级加载法或连续加载法。记录各级载荷下的纵向和横向应变值，然后代入公式计算。

4．试样形状和尺寸对试验结果是重要的影响因素。拉伸试验的试样是根据材料的不同选用合适的试样。一般情况下，用不同类型的试样，即使其他试验条件相同，其试验结果亦不能相互比较。

在制订试验方法过程中，为了确定合适的试样尺寸和形状，往往经过多次试验和技术分析才最后确定的。如哑铃型试样，为了使试样在试验过程中受力和破坏合理，就必须选择适当的过渡圆弧半径R 和有效宽度b 。显然增加R 可以减小应力集中，对试样断裂在有效部位大有好处，但若R 过大，使过渡区域占的面积增大，从这点讲，又增加了试样断的非有效部位的可能性。根据试验，我国国际规定R 为75mm ，b 为10mm 比为15mm 的断裂位置为好。

对于各向异性显著的材料，规定采用III 型那样的长方形试样，这种试样的夹紧部位较厚。单向增强的碳纤维试样中，采用长方形试样时，会得到良好的结果。这种试样的中央部位取最小断面积。

对于短切玻璃纤维增强塑料所用8字形试样，断裂情况并不理想，这可能是由于纤维在试样中间有效部位有轻微定向的趋势，同时中间区域纤维含量较两端部的多，使试验时造成断裂在端部。在数据处理时，这种结果均被认为有效，但在试验报告中必须注明试样断裂位置。

六、现象分析讨论与思考：

1. 影响塑料拉伸试验结果的因素

答：1. 试样的制备与处理，在做各种塑料试验时，都要制成标准试样拉伸试验要求做成哑铃形或矩形试样，试样厚度愈大，试验测得的拉伸强度愈低。这是由于试样愈厚存在缺陷的概率愈高。这正符合聚合物的微观缺陷理论。从塑料制品上直接取样时，取样位置要具有代表性，取样时要远离边缘和转角部位，并变换不同的角度和更换不同的位置。

2. 试验环境：影响试验的环境因素有许多，如污染、振动、辐射、静电、

温度、湿度等，但影响塑料拉伸试验结果的因素主要是温度和湿度。GB ／T 2918—1982规定，标准实验室环境温度为(23±2) ℃，相对湿度为45％ ～55％ 。热塑性塑料的拉伸性能测试受温度的影响较大，伴随着温度上升，试验曲线将由硬脆型向粘强型转变，拉伸强度和拉伸弹性模量变小，而断裂伸长率将变大。相对湿度一般对吸水率比较大的塑料影响较大。某些塑料吸水后，水分子在内部起到了偶联剂和增韧剂的作用，从而影响该塑料的刚性和韧性。而对吸水率小的塑料，受湿度的影响较小。

3、操作过程：做拉伸试验时，拉伸速度变化，其力学行为也将发生改变。一般情况下，拉伸速度快，屈服应力和拉伸强度增大，而断裂伸长率将减小。因为塑料属于粘弹性材料，它的应力松弛过程与变形速度紧密相关。应力松弛需要一个时间过程，当低速拉伸时，分子链来得及位移、重排，塑料呈现韧性行为，表现为拉伸强度减小，断裂伸长率增大；高速拉伸时，分子链段的运动跟不上外力作用的速度，塑料呈现脆性行为，表现为拉伸强度增大，断裂伸长率减小。只有拉伸速度相同时，试验结果才具有可比性

2. 阐述下拉伸时应力发白产生的原因

答:应力发白的定义大致有两种：一种定义．聚合物材料在应力作用下局部发白，这种现象叫应力发白：另一种定义认为聚台物材料在应力作用下产生大量银纹银纹区内折光指数降低而呈现一片银白色；这种现象叫应力发白，该定义将应力发白现象等同于银纹现象．与前一种定义的区别在于前者并不认为应力发白区就一定是银纹区。应该说前一种定义更具有普遍意义。

应力发白应该是材料在应力作用下而产生大量的微裂纹聚集区(根据应力发白程度大小和发生区域，可能包括一定数量的银纹、裂纹和微孔) ，由于此区域折光指数降低而呈白色的一种现象。即是说．应力发白是产生微裂纹、微孔或银纹化的结果” 。非均相聚合物由于分散相的存在或基体本身内部存在的一些微孔或微缺陷，在外力作用下分散相或微孔或微缺陷容易诱发银纹或裂纹的产生．因而比均相聚台物更易出现应力发白现象

3. 影响应力发白的因素

答：1 、应力大小和作用速率：在一定的范围内，随着应力增大和应变速率减小，应力发白程度会提高

2 、应变程度：PE 试样中，应力发白首先发生在较小的某一拉伸比时，以后随拉伸比的增加而增强。

3 、橡胶含量：随橡胶含量的增加，空穴密度增大，应力发白程度增强。

4、压力：压力的作用并未使样品完全脆性断裂 这是由于此时银纹与剪切屈服同时存在压力的升高只能抑制银纹的出现，而对剪切屈服无大的影响。K ．D Pae 等发现在89．7MPa 的静压下对已存在应力发白的PP 试样进行拉伸，应力发白区能完全或部分消失 。