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实验4 聚合物拉伸强度和断裂伸长率的测定
1. 实验目的
（1）熟悉高分子材料拉伸性能测试标准条件和测试原理。
（2）掌握测定聚合物拉伸强度和断裂伸长率的测定方法。
（3）考察拉伸速度对聚合物力学性能的影响。
2. 实验原理
拉伸试验是在规定的试验温度、试验速度和湿度条件下，对标准试样沿其纵轴方向施加拉伸载荷，直到试样被拉断为止。基本公式：
（2－13）
（2－14）
（2－15）
式中，伸长率即应变；为应力；为样品某时刻的伸长；为初始长度；为初始横截面积；为拉伸力；为拉伸模量。
聚合物的拉伸性能可通过其应力－应变曲线来分析，典型的聚合物拉伸应力－应变曲线如图2－28（左）所示。在应力－应变曲线上，以屈服点为界划分为两个区域。屈服点之前是弹性区，即除去应力后材料能恢复原状，并在大部分该区域内符合虎克定律。屈服点之后是塑性区，即材料产生永久性变形，不再恢复原状。根据拉伸过程中屈服点的表现，伸长率的大小以及其断裂情况，应力－应变曲线大致可分为如图2－28（右）所示的五种类型：①软而弱；②硬而脆；③硬而强；④软而强；⑤硬而韧。

图2－28 五种典型聚合物拉伸应力－应变曲线
1－软而弱；2－硬而脆；3－硬而强；4－软而强；5－硬而韧
本实验在不同应变速度下测定聚乙烯的应力－应变曲线。
将已知长度和横截面积的样品，夹在两个夹具之间，以恒速拉伸至断裂，测定应力随伸长的变化。分析在不同应变速度时测定的数据，可以了解材料的强度、韧性及极限性能。
有合适的样品架或可设法固定住的聚合物都可进行本实验。
均匀的样品重复性可优于±5％。但由于制各样品和实验操作中存在的一些不可避免的可变因素，使重复性比此数值要差些。
3. 实验设备和材料
（1）仪器设备
万能电子拉力机(日本岛津AG－lOKNA)，游标卡尺、直尺。
万能电子拉力机测试主体结构示意图，如图2－29所示。

图2－29万能电子拉力机测试主体结构示意图
1－传感器；2－主架；3－横梁控制器；4－夹具；5－横梁；6－记录仪；7－控制台开关；8－控制面板；9－显示屏
（2）实验材料
聚丙烯（PP），聚苯乙烯（PS）。
4. 实验步骤
（1）试样准备
用横压或片材、板材切割的方法，事先制好标准抗张样品（见ASTM标准D 638）。选定的每种应变速度都应有5块样品。
试样形状拉伸试样共有4种类型：Ⅰ型试验样(双铲型)，见图2－30，II型试样(哑铃型)，见图2－31，III型试样(8字型)，见图2－32，IV型试样(长条型)，见图2－33。

图2－30 I型试样 图2－31 II型试样

图2－32 III 型试样 图2－33 IV型试样

不同类型的试样有不同的尺寸公差，具体见表2－7、表2－8、表2－9和表2－10。
表2－7 I型试样公差尺寸
物理量
名称
尺寸/mm
公差/mm
L
总长度（最小）
150
-
H
夹具间距离
115
±5.0
C
中间平行部分长度
60
±0.5
G0
标距（或有效部分）
50
±0.5
W
端部宽度
20
±0.2
D
厚度
4
-
B
中间平行部分宽度
10
±0.2
R
半径（最小）
60
-

表2－8 II型试样公差尺寸
物理量
名称
尺寸/mm
公差/mm
L
总长度（最小）
110
-
C
中间平行部分长度
9.5
±2.0
d0
中间平行部分厚度
3.2

d1
端部厚度
6.5

W
端部宽度
45
-
b
中间平行部分宽度
25
±0.4
R0
端部半径
6.5
±1.0
R1
表面半径
75
±2.0
R2
侧面半径
75
±2.0

表2－9 III型试样公差尺寸
物理量
名称
尺寸/mm
公差/mm
L
总长度（最小）
115
-
H
夹具间距离
80
±5.0
C
中间平行部分长度
33
±2.0
G0
标距（或有效部分）
25
±0.2
W
端部宽度
25
±0.2
d
厚度
2
-
b
中间平行部分宽度
6
±0.2
R0
小半径
14
±0.2
R1
大半径
25
±0.2

表2－10 IV型试样公差尺寸
物理量
名称
尺寸/mm
公差/mm
L
总长度（最小）
250
-
H
夹具间距离
170

±5.0
G0
标距（或有效部分）
100
±0.5
W
宽度
25
±0.5
L1
加强片间长度
150
±5.0
L2
加强片最小长度
50
-
d0
厚度
2～10
-
d1
加强片厚度
3～10
-
D2
加强片
5o～30o
-
θ
加强片角度
-
-

塑料属于粘弹材料，它的应力松弛过程与变形速率密切相关，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，呈现韧性行为，表现为拉伸强度减少，而断裂伸长率增大。高速拉伸时，高分子链段的运动跟不上外力作用速度，呈现脆性行为，表现为拉伸强度增加，断裂伸长率减少。由于塑料品种繁多，不同品种的塑料对拉伸速度的敏感程度不同。硬而脆的塑料对拉伸比较敏感，一般采用较低的拉伸速度。韧性塑料对拉伸速度的敏感性较小，一般采用较高的拉伸速度。
（2）实验过程
1）用游标卡尺或测微计测每块试片的宽度和厚度。算出横截面最小处的截面积并将数值记录。
2）调换和安装拉伸试验用夹具，将试片放入夹具。
3）设定试验条件如：试验方式、试验速度、返回速度、返回位置、记录方式、传感器容量等。
4）键入试样参数如：试样名称、编号、样品厚度、宽度，样品标定线间距。
5）检查屏幕显示的试验条件、试样参数。如有不适合之处可以修改。确认无误后，开始试验。横梁以恒定的速度开始移动，同时数据采集系统也开始工作，扫描出载荷－伸长曲线。仔细观察试样在拉伸过程中的变化，直到拉断为止。
6）重复（2）～（5），试验其余的4块试片。
7）将拉伸速度依次变为10，20mm/min，每种速度都重复2）～ 6）。
5. 实验报告
（1）根据电子拉力机绘制出的PS、PP拉伸曲线，比较和鉴别它们的性能特征；
（2）根据PP的载荷－伸长曲线，绘制应力－应变曲线；
（3）计算模量和断裂伸长率，计算断裂时的应力和应变；
（4）对每块样品都重复1～3。
6. 问题与讨论
（1）改变试样的拉伸速度对试验产生什么影响？
（2）解释为什么要重复5块试样？
（3）如果测定线性和支化聚乙烯，可以从哪些方面来研究他们之间的性能的差异？