如何測(cè)試高分子材料的力學(xué)性能？

一、拉伸性能測(cè)試

基本概念：在拉伸試驗(yàn)中，保持這種受力狀態(tài)最終，就是測(cè)量拉伸力直至材料斷裂為止，所承受的最大拉伸應(yīng)力稱為拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)原理：拉伸實(shí)驗(yàn)是對(duì)試樣沿縱軸方向施加靜態(tài)拉伸負(fù)荷，使其破壞。通過(guò)測(cè)定試樣的屈服力破壞力和試樣標(biāo)距間的伸長(zhǎng)來(lái)求得試樣的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。

定義：

拉伸應(yīng)力：試樣在計(jì)量標(biāo)距范圍內(nèi)，單位初始橫截面上承受的拉伸負(fù)荷。

拉伸強(qiáng)度：在拉伸試驗(yàn)中試樣直到斷裂為止，所承受的最大拉伸應(yīng)力。

拉伸斷裂應(yīng)力：在拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，斷裂時(shí)的應(yīng)力。

拉伸屈服應(yīng)力：在拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，屈服點(diǎn)處的應(yīng)力。

斷裂伸長(zhǎng)率：在拉力作用下，試樣斷裂時(shí)，標(biāo)線間距離的增加量與初始標(biāo)距之比，以百分率表示。

彈性模量：在比例極限內(nèi)，材料所受應(yīng)力與產(chǎn)生響應(yīng)的應(yīng)變之比。

應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由應(yīng)力-應(yīng)變的相應(yīng)值彼此對(duì)應(yīng)的繪成曲線，通常以應(yīng)力值作為縱坐標(biāo)，應(yīng)變值作為橫坐標(biāo)。應(yīng)力-應(yīng)變曲線一般分為兩個(gè)部分：彈性變形區(qū)和塑性變形區(qū)，在彈性變形區(qū)，材料發(fā)生可完全恢復(fù)的彈性變形，應(yīng)力和應(yīng)變呈正比例關(guān)系。曲線中直線部分的斜率即是拉伸彈性模量值，它代表材料的剛性。彈性模量越大，剛性越好。在塑性變形區(qū)，應(yīng)力和應(yīng)變?cè)黾硬辉诔收汝P(guān)系，最后出現(xiàn)斷裂。

實(shí)驗(yàn)步驟：

①試樣的狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗(yàn)環(huán)境按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

②在試樣中間平行部分做標(biāo)線，示明標(biāo)距。

③測(cè)量試樣中間平行部分的厚度和寬度，精確0。01mm，II型試樣中間平行部分的寬度，精確到0。05mm，測(cè)3點(diǎn)，取算術(shù)平均值。

④夾具夾持試樣時(shí)，要使試樣縱軸與上下夾具中心連線重合，且松緊適宜。

⑤選定試驗(yàn)速度，進(jìn)行試驗(yàn)。

⑥記錄屈服時(shí)負(fù)荷，或斷裂負(fù)荷及標(biāo)距間伸長(zhǎng)。試樣斷裂在中間平行部分之外時(shí)，此試樣作廢，另取試樣補(bǔ)做。

實(shí)驗(yàn)影響因素

(1)成型條件：由試樣自身的微觀缺陷和微觀不同性引起

(2) 溫度和濕度：

(3)拉伸速度：塑料屬于粘彈性材料，其應(yīng)力松弛過(guò)程與變形速率緊密相關(guān)，需要一個(gè)時(shí)間過(guò)程

(4)預(yù)處理：材料在加工過(guò)程中，由于加熱和冷卻的時(shí)間和速度不同，易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，經(jīng)過(guò)在一定溫度下的熱處理或稱退火處理，可以消除內(nèi)應(yīng)力，提高強(qiáng)度

(5)材料性質(zhì)：結(jié)晶度、取向、分子量及其分布、交聯(lián)度

(6)老化:老化后強(qiáng)度明顯下降

QUV老化試驗(yàn)箱

二、彎曲強(qiáng)度測(cè)試

基本定義

撓度：彎曲試驗(yàn)過(guò)程中，試樣跨度中心的定面或底面偏離原始位置的距離。 檢測(cè)技術(shù) _

彎曲應(yīng)力：試樣在彎曲過(guò)程中的任意時(shí)刻，中部截面上外層纖維的最大正應(yīng)力。

彎曲強(qiáng)度：在到達(dá)規(guī)定撓度值時(shí)或之前，負(fù)荷達(dá)到最大值時(shí)的彎曲應(yīng)力。

定撓彎曲應(yīng)力：撓度等于試樣厚度1。5倍時(shí)的彎曲應(yīng)力。

彎曲屈服強(qiáng)度：在負(fù)荷-撓度曲線上，負(fù)荷不增加而撓度驟增點(diǎn)的應(yīng)力。

方法原理

試驗(yàn)時(shí)將一規(guī)定形狀和尺寸的試樣置于兩支坐上，并在兩支坐的中點(diǎn)施加一集中負(fù)荷，使試樣產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和變形。這種方法稱靜態(tài)三點(diǎn)式彎曲試驗(yàn)。(另一加載方法為四點(diǎn)式，這里不介紹。)

實(shí)驗(yàn)步驟

①使用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣中間部位的寬度和厚度，測(cè)量三點(diǎn)，取其平均值，精確到0.02mm。

②電子式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)使用前預(yù)熱30分鐘。

③調(diào)節(jié)好跨度，將試樣放于支架上，上壓頭與試樣寬度的接觸線須垂直于試樣長(zhǎng)度方向，試樣兩端緊靠支架兩頭。

④啟動(dòng)下降按鈕，試驗(yàn)機(jī)按設(shè)定的參數(shù)開(kāi)始工作。當(dāng)壓頭接觸到試樣后，計(jì)算機(jī)開(kāi)始自動(dòng)記錄試樣所受的載荷及其產(chǎn)生的位移數(shù)據(jù)。至試樣到達(dá)屈服點(diǎn)或斷裂時(shí)為止，立即停機(jī)。

⑤保存數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)作彎曲載荷-位移曲線圖，并保存。根據(jù)圖形分析試樣的彎曲力學(xué)行為。

實(shí)驗(yàn)影響因素

①試樣尺寸和加工 試樣的厚度和寬度都與彎曲強(qiáng)度和撓度有關(guān)。

②加載壓頭半徑和支座表面半徑 如果加載壓頭半徑很小，對(duì)試樣容易引起較大的剪切力而影響彎曲強(qiáng)度。支座表面半徑會(huì)影響試樣跨度的準(zhǔn)確性。

③應(yīng)變速率 彎曲強(qiáng)度與應(yīng)變速率有關(guān)，應(yīng)變速率較低時(shí)，其彎曲強(qiáng)度也偏低。

④試驗(yàn)跨度 當(dāng)跨厚比增大時(shí)，各種材料均顯示剪切力的降低，可見(jiàn)用增大跨厚比可減少剪切應(yīng)力，使三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)更接近純彎曲。

⑤溫度 就同一種材料來(lái)說(shuō)，屈服強(qiáng)度受溫度的影響比脆性　強(qiáng)度的大。現(xiàn)行塑料彎曲性能實(shí)驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T9341-2008。

三、沖擊強(qiáng)度的測(cè)定

沖擊試驗(yàn)是用來(lái)度量材料在高速?zèng)_擊狀態(tài)下的韌性或?qū)嗔训牡挚鼓芰Α?/p>

一般沖擊實(shí)驗(yàn)采用三種方法：

(1)擺錘式：試驗(yàn)安放形式有簡(jiǎn)支梁式(charpy)----支撐試樣兩端而沖擊中部;懸臂梁式(Izod)---試樣一端固定而沖擊自由端。(2)落球式。

(3)高速拉伸法。此方法雖較理想，可直接轉(zhuǎn)換成應(yīng)力—應(yīng)變曲線，計(jì)算曲線下的面積，便可得沖擊強(qiáng)度，還可定性判斷是脆性斷裂還是韌性斷裂，但對(duì)拉力機(jī)要求較高。

簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)較普遍，其原理如下圖：

另有缺口樣沖擊實(shí)驗(yàn)，如下圖所示：

實(shí)驗(yàn)影響因素 檢測(cè)技術(shù) _

(1)沖擊過(guò)程的能量消耗

①試樣發(fā)生彈性和塑性形變所需的能量。

②使試樣產(chǎn)生裂紋和裂紋擴(kuò)展斷裂所需的能量。

③試樣斷裂擴(kuò)展后飛出所需的能量。

④擺錘和支架軸、擺錘刀口和試樣相互摩擦損失的能量。

⑤擺錘運(yùn)動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)機(jī)固有的能量損失。

(2)溫度和適度　材料的沖擊性能測(cè)試依賴于溫度。

(3)試樣尺寸　使用同一配方和同一成型條件而厚度不同的材料做沖擊試驗(yàn)時(shí)，所得的沖擊強(qiáng)度不同。

(4)沖擊速度　擺錘的沖擊速度高時(shí)沖擊強(qiáng)度的數(shù)值反而降低。

四、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

力學(xué)性能測(cè)試用到比較多的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)也叫萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，或拉力機(jī)，雙絲桿系列，控制、測(cè)量、操作一體化結(jié)構(gòu)，融當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)于一體，具有精度高、調(diào)速范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)滿足GB/T1040、1041、8804、9341、9647、ISO7500-1、GB16491、GB/T17200、ISO5893、ASTM D638、695、790和塑料管材等標(biāo)準(zhǔn)的要求。適用于塑料、防水材料、紡織品、紙制品和橡膠等材料試樣及制品的拉伸、壓縮、彎曲、蠕變?cè)囼?yàn)并配有大壓盤可直接進(jìn)行管材扁平壓縮(壓縮復(fù)原)、環(huán)剛度(抗外負(fù)荷)、蠕變比率、環(huán)抗拉強(qiáng)度等試驗(yàn)。

操作規(guī)程

⒈使總開(kāi)關(guān)接通電源。

⒉根據(jù)試樣，選用測(cè)量范圍，在擺桿上掛上或取下擺鉈并調(diào)整緩沖閥手柄，對(duì)準(zhǔn)標(biāo)線。

⒊根據(jù)試樣形狀及尺寸把相應(yīng)的夾頭裝入上下鉗口座內(nèi)。

⒋在描繪器的轉(zhuǎn)筒上，卷壓好記錄紙(方格紙)，此項(xiàng)只是需要時(shí)才進(jìn)行。

⒌開(kāi)動(dòng)油泵電動(dòng)機(jī)，擰開(kāi)送油閥使試臺(tái)上升紙10毫米，然后關(guān)閉油閥，如果試臺(tái)已在升起位置時(shí)則不必先開(kāi)油泵送油，僅將送油閥關(guān)好即可。

⒍將試樣一端夾于上鉗口中。

⒎開(kāi)動(dòng)油泵調(diào)整指針對(duì)準(zhǔn)度盤零點(diǎn)。

⒏開(kāi)動(dòng)下鉗口電動(dòng)機(jī)，將下鉗口升降到適當(dāng)高度，將試樣另一端夾在下鉗口中，須注意使試樣垂直。

⒐將推桿上的描繪筆放下進(jìn)入描繪準(zhǔn)備狀態(tài)(需描繪時(shí)才進(jìn)行)。

⒑按試驗(yàn)要求的加荷速度，緩慢地?cái)Q開(kāi)送油閥進(jìn)行加荷試驗(yàn)。

⒒試樣斷裂后關(guān)閉油閥，并停止油泵電動(dòng)機(jī)。

⒓記錄需要數(shù)值并將描繪。

⒔打開(kāi)回油閥，卸荷后被動(dòng)針撥回零點(diǎn)。

⒕取下斷裂后的試樣。

⒖壓縮及彎曲等試驗(yàn)可參照上述各項(xiàng)進(jìn)行操作。