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2020-05-26

第三章高分子材料性能测试-高分子材料加工工程专业实验教程

第三章高分子材料性能测试

3.1 力学性能

高分子材料力学性能测试均应按国家标准规定进行，其实验方法总则如下：

一、试样制备

（1）薄膜试样用锋利切样刀或锋利刀片裁切。

（2）软板、片试样用锋利切样刀在衬垫物上冲切。衬垫物的硬度为 70～95（邵氏 A）。

（3）模塑试样按有关标准或协议模塑。

（4）硬质板材试样用机械加工方法加工。加工时不应使试样受到过分的冲击、挤压和受热。

（5）各向异性材料试样应沿纵、横方向分别取样。

二、试样外观检查

试样表面应平整，无气泡、裂纹、分层、明显杂质和加工损伤等缺陷。

三、实验环境

温度：热塑性塑料为 25±2℃；热固性塑料为 25±5℃。

湿度：相对湿度为 65±5％。

四、试样预处理

将试样置放于第三条规定的环境中，使其表面尽可能暴露在环境中，不同厚度（d）的

试样其处理时间如下：

d≤0.25mm 的试样不少于 4h； 0.25＜d≤2mm 的试样不少于 8h； d＞2mm 的试样不少于 16h。

五、材料实验机应定期经国家计量部门鉴定。

六、试样如有特殊要求时，可按产品标准规定进行。

3.1.1 拉伸实验

一、实验目的

1. 熟悉高分子材料拉伸性能测试标准条件、测试原理及其操作。

2. 了解测试条件对测定结果的影响。

二、实验原理

将试样夹持在专用夹具上，对试样施加静态拉伸负荷，通过压力传感器、形变测量装置

以及计算机处理，测绘出试样在拉伸变形过程中的的拉伸应力～应变曲线，计算出曲线上的特征点如试样直至断裂为止所承受的最大拉伸应力（抗拉强度）、试样断裂时的拉伸应力（拉伸断裂应力）、在拉伸应力—应变曲线上屈服点处的应力（拉伸屈服应力）、应力—应变曲线偏离直线性达规定应变百分数（偏置）时的应力（偏置屈服应力）和试样断裂时标线间距离的增加量与初始标距之比（断裂伸长率，以百分率表示）。

三、实验试样

（1）试样的类型和尺寸

1） Ⅰ型试样

Ⅰ型试样形状及尺寸分别见图 3.1-1 和表 3.1-1。

图 3.1-1 Ⅰ型试样

表 3.1-1 Ⅰ型试样尺寸

符号	名称	尺寸	公差	符号	名称	尺寸	公差
L	总长〔最小〕	150	—	W	端部宽度	20	±0.2
H	夹具间距离	115	±5.0	d	厚度	见正文	—
C	中间平行部分长度	60	±0.5	b	中间平行部分宽度	10	±0.2
G0	标距〔或有效部分〕	50	±0.5	R	半径〔最小〕	60	±

2） Ⅱ型试样

Ⅱ型试样形状及尺寸分别见图 3.1-2 和表 3.1-2。

图 3.1-2 Ⅱ型试样

表 3.1-2 Ⅱ型试样尺寸

符号	名称	尺寸	公差	符号	名称	尺寸	公差
L	总长〔最小〕	115	—	d	厚度	见正文	—
H	夹具间距离	80	±5.0	b	中间平行部分宽度	6	±0.4

C	中间平行部分长度	33	±2.0	R0	小半径	14	±1.0
G0	标距〔或有效部分〕	25	±1.0	R1	大半径	25	±2.0
W	端部宽度	25	±1.0

3） Ⅲ型试样

Ⅲ型试样形状及尺寸分别见图 3.1-3 和表 3.1-3。

图 3.1-3 Ⅲ型试样

表 3.1-3 Ⅲ型试样尺寸

符号	名称	尺寸	公差	符号	名称	尺寸	公差
L	总长	110	±5%	b	中间平行部分宽度	25	±5%
C	中间平行部分长度	9.5		R0	端部半径	6.5
W	端部宽度	45		R1	表面半径	75
d0	中间平行部分厚度	3.2		R2	侧面半径	75
d1	端部厚度	6.5

4） Ⅳ型试样

Ⅳ型试样形状及尺寸分别见图 3.1-4 和表 3.1-4。

图 3.1-4 Ⅳ型试样

表 3.1-4 Ⅳ型试样尺寸

符号	名称	尺寸	公差	符号	名称	尺寸	公差
L	总长〔最小〕	250	—	L1	加强片间长度	150	±5.0
H	夹具间距离	170	±5.0	d0	厚度	2～10	—
W⑴	宽度	25 或 50	±0.5	d1	加强片厚度	3～10	—
G0	标距〔或有效部分〕	100	±0.5	θ⑵	加强片角度	5°～30°	—
L2	加强片最小长度	50	—	⑶ d2	加强片	—

（2）试样类型的选择

不同的材料由于尺寸效应不同，故应尽量减少缺陷和结构不均匀性对测定结果的影响，

按表 3.1-5 选用国家标准规定的拉伸试样类型以及相应的实验速度。

表 3.1-5 拉伸试样类型以及相应的实验速度

试样材料

试样

类型

试样制备方法

试样最佳厚度

试验速度

硬质热塑性塑料

热塑性增强塑料

Ⅰ型

注塑成型

压制成型

B、C、D、E、F

硬质热塑性塑料板热固性塑料板

（包括层压板）

机械加工

A、B、C、D、E、F、G

软质热塑性塑料软质热塑性塑料板

Ⅱ型

注塑成型压制成型

板材机械加工

板材冲切加工

F、G、H、I

热固性塑料

包括经填充和纤维增强的塑料

Ⅲ型⑴

注塑成型

压制成型

—

热固性增强塑料板

Ⅳ型

机械加工

—

B、C、D

⑴Ⅲ型试样仅用于测定拉伸强度。

（3）试样的制备及要求

1）试样制备和外观检查，按 GB 1039 规定进行。

2）试样厚度除表中规定外，板材厚度 d≤10mm 时，可用原厚为试样厚度；当厚度 d＞10mm

时，应从两面等量机械加工至 10mm，或按产品标准规定加工。

3）每组试样不少于 5 个。对各向异性的板材应分别从平行与主轴和垂直与主轴的方向各取一组试样。

四、实验条件

实验速度设有以下九种：速度 A 1mm/min±50% ；速度 B 2 mm/min±50% ；速度 C 5 mm/min±50% ；

速度 D 10 mm/min±50% ；

速度 E20 mm/min±50% ；

速度 F 50 mm/min±50% ；速度 G 100 mm/min±50% ；速度 H 200 mm/min±50% ；速度 I500 mm/min±50% 。

实验速度应从表 3.1-5 中与各种试样类型所对应的实验速度范围内选取。实验速度应为试样在 0.5～5min 实验时间内断裂的最低速度。实验速度也允许按产品标准的规定另选其他实验速度。

本次实验采用试样为 4.3.2 实验中制备的 PS 多功能用途的拉伸试样以及用多型腔模具

注塑成型的 PS 拉伸试样。五、实验设备

（1）实验机任何能满足实验要求的、具有多种移动速率的实验机均可使用。

实验机示值应在每级表盘满刻度的 10%～90% 之间，不得小于实验机最大载荷的 4%读

取，示值的误差应在±1%之内。电子拉力实验机按有关规定执行。

（2）形变测量装置测量误差应在±1%之内。

（3）夹具实验夹具移动速度应符合规定要求。测量Ⅲ型试样时，推荐使用图 3.1-5 所示

的专用夹具。也可以使用能满足实验要求的其他夹具。

图 3.1-5 Ⅲ型试样夹具

六、实验步骤

（1）试样的状态调节和实验环境按 GB 2918 规定进行。

（2）测量试样中间平行部分的宽度和厚度，精确至 0.01mm。Ⅱ型试样中间平行部分的宽度，

精确至 0.05mm。每个试样测量三点，取算术平均值。

（3）在试样中间平行部分做标线示明标距，此标线对测试结果不应有影响。

（4）夹持试样，夹具夹持试样时，要使试样纵轴与上、下夹具中心连线相重合，并且要松

紧适宜，以防止试样滑脱或断在夹具内。

（5）选定实验速度，进行实验。

（6）记录屈服时的负荷，或断裂负荷及标距间伸长。若试样断裂在中间平行部分之外时，

此试样作废，另取试样补做。

七、结果的计算和表示

（1）抗拉强度或拉伸断裂应力或拉伸屈服应力或偏置屈服应力o t

o t 按式⑴计算：

o t = bd

⑴

式中 o _t ——抗拉伸强度或拉伸断裂应力或拉伸屈服应力或偏置屈服应力，Mpa ；

р—— 最大负荷或断裂负荷或屈服负荷或偏置屈服负荷，N ；

b —— 试样宽度，mm ；

d—— 试样厚度，mm ；

各应力值在拉伸应力～应变曲线上的位置见图 3.1-6。

图 3.1-6 拉伸应力－应变曲线

o _t₁ －抗拉强度

s _t₁ －拉伸强度时的应变

o _t₂ －拉伸断裂应力

s t 2 －断裂时的应变

o t3 －拉伸屈服应力

s t 3 －屈服时的应变

o _t₄ －偏置屈服应力 s _t₁ －偏置屈服时的应变 X％ A－脆性材料

B－具有屈服点的韧性材料 C－无屈服点的韧性材料

（2）断裂伸长率εt

εt 按式⑵计算：

s = G - G0

^tG0

´ 100%⑵

式中εt —— 断裂伸长率，%；

G₀ —— 试样原始标距，mm；

G —— 试样断裂时标线间距离，mm。

（3）标准偏差值 S S 按式⑶计算：

S =⑶

式中S —— 标准偏差值；

X_i —— 单个测定值；

X —— 一组测定值的算数平均值；

n —— 测定个数。

（4）计算结果以算术平均值表示，σ_t 取三位有效数值，εt 取二位有效数值，S 取二位有效

数值，

七、实验报告

实验报告包括下列内容：

（1）材料名称、规格、来源及生产厂；

（2）试样的类型、尺寸、制备方法和试样的主轴方向；

（3）实验温度、湿度及试样状态调节；

（4）实验机型号，实验速度；

（5）抗拉强度和断裂伸长率；

（6）拉伸断裂应力、偏置屈服应力和拉伸屈服应力；

（7）解答思考题。

八、思考题

1、分析试样断裂在先外的原因。

2、拉伸速度对测试结果有何影响？

3、同样是 PS 材料，为什么测定的拉伸性能（强度、断裂伸长率、模量）有差异？

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