高分子材料拉伸强度及断裂伸长率测定.docx

实验 1 高分子材料拉伸强度及断裂伸长率测定 一、实验目的 通过实验了解聚合物材料应力—应变曲线特点、试验速度对应力—应变曲线的影响、拉伸强度及断裂伸长率的意义，熟悉它们的测试方法；并通过测试应力—应变曲线来判断不同聚合物的力学性能。 二、实验原理 为了评价聚合物材料的力学性能，通常用等速施力下所获得的应力—应变曲线来进行描 述。所谓应力是指拉伸力引起的在试样内部单位截面上产生的内力；而应变是指试样在外力 作用下发生形变时，相对其原尺寸的相对形变量。不同种类聚合物有不同的应力—应变曲线。 等速条件下，无定形聚合物典型的应力—应变曲线如图1 所示。图中的 α 点为弹性极限， ε αo 为弹性（比例）极限强度， 为弹性极限伸长。在 ε α α α σ =?ε 式中 o ——应力，MPa； ε—— 应 变 ，%； Ε——弹性（杨氏）模量（曲线的斜率），MP 。 曲线斜率 E 反映材料的硬性。Y 称屈服点，对应的σ 和ε 称屈服强度和屈服伸长。 y y 材料屈服后，可在t 点处，也可在t′点处断裂。因而视情况，材料断裂强度可大于或小于 屈服强度。ε （或ε ）称断裂伸长率，反映材料的延伸性。 t t′ 从曲线的形状以及σ 和ε 的大小，可以看出材料的性能，并借以判断它的应用范围。 t t 如从σ 的大小，可以判断材料的强与弱；而从ε 的大小，更正确地讲是从曲线下的面积大 t t 小，可判断材料的脆性与韧性。从微观结构看，在外力的作用下，聚合物产生大分子链的运 动，包括分子内的键长、键角变化，分子链段的运动，以及分子间的相对位移。沿力方向的整体运动（伸长）是通过上述各种运动来达到的。由键长、键角产生的形变较小（普弹形变），而链段运动和分子间的相对位移（塑性流动）产生的形变较大。材料在拉伸到破坏时，链段 运动或分子位移基本上仍不能发生，或只是很小，此时材料就脆。若达到一定负荷，可以克 服链段运动及分子位移所需要的能量，这些运动就能发生，形变就大，材料就韧。如果要使 材料产生链段运动用分子位移所需要的负荷较大，材料就较强及硬。 图 1 无定形聚合物的应力—应变曲线 图 2 结晶型聚合物的应力—应变曲线结晶性高聚物的应力—应变曲线分三个区域，如图2 所示。 OC 段曲线的起始部分，近似直线，属普弹性变形，是由于分子的键长、键角以 及原子间的距离改变所引起的，其形变是可逆的，应力与应变之间服从胡克定律。。 微晶在 c 点以后将出现取向或熔解，然后沿力场方向进行重排或重结晶，故σ c 称重结晶强度，它同时也是材料“屈服”的反映。从宏观上看，材料在c 点将出现细颈，出 现细颈现象的本质是分子在该处发生取向结晶，使该处强度增大。随着拉伸的进行，细颈不断发展，至d 点细颈发展完全，此阶段应力几乎不变，而变形增加很大。 dt 段 被均匀拉细后的试样，分子进一步取向，应力随应变的增大而增大，直到断裂点 t，试样被拉断，t 点的应力称为强度极限，即抗拉强度或断裂强度σ ，是材料重要的质量指标，其计算公式为： σ =P/（b×d） (MPa) 式中 P——最大破坏载荷，N； b——试样宽度，mm； d——试样厚度，mm； 断裂伸长率ε 是试样断裂时的相对伸长率，ε 按下式计算： ε =（F-G）/G×100% 式中 G——试样标线间的距离，mm； F——试样断裂时标线间的距离，mm。 对于结晶聚合物，当结晶度非常高时（尤其当晶相为大的球晶时），会出现聚合物脆性断裂的特征。总之，当聚合物的结晶度增加时，模量将增加，屈服强度和断裂强度也增加， 但屈服形变和断裂形变却减小。 聚合物晶相的形态和尺寸对材料的性能影响也很大。同样的结晶度，如果晶相是由很大的球晶组成，则材料表现出低强度、高脆性倾向。如果晶相是由很多的微晶组成，则材料的性能有相反的特征。 另外，聚合物分子链间的化学交联对材料的力学性能也有很大的影响。这是因为有化学 交联时，聚合物分子链之间不可能发生滑移，粘流态消失。当交联密度增加时，对于T 以 g 上的橡胶态聚合物来说，其抗张强度增加，模量增加，断裂伸长率下降。交联度很高时，聚 合物成为三维网状链的刚硬结构。因此，只有在适当的交联度时抗张强度才有最大值。 综上所述，材料的组成、化学结构及聚集态结构都会对应力与应变产生影响。即使是同 一品种，由于它们的交联度、结晶度、增塑剂含量及分子量的大小不同而表现出不同的结果。另，不同的测定条件（试验温度和试验速度）对聚合物应力—应变曲线也有很大的影响。塑 料属于粘弹性材料，它的力学松弛过程不仅与试验温度有关，且与时间即试验速度有关。当 升高温度时，分子链段的热运动增加，松弛过程进行得较快，在拉伸试验中就表现出较大的 变形和较低的强度。而当减慢拉伸速度时，使外力作用时间延长，即松弛过程进行得较快