第五章-塑料力学性能测试

第五章力学性能测试第一节拉伸性能一、概念及测试原理1．基本概念应变：当材料受外力作用，而所处的条件使它不能产生惯性移动时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种变化就称为应变。应力：在任何给定时刻，在试样标距长度内，每单位原始横截面积上所受的拉伸负荷。拉伸强度：是在拉伸试验过程中，试样承受的最大拉伸应力。拉伸强度标称应变：拉伸强度出现在屈服之后时，与拉伸强度相对应的拉伸标称应变。拉伸弹性模量：在弹性形变区（应力-应变曲线的初始直线部分），材料所承受的应力与产生相应的应变之比。2．测试原理在规定的试验温度、湿度与拉伸速度下，通过对塑料试样的纵轴方向施加拉伸载荷，使试样产生形变直至材料破坏。记录下试样破坏时的最大负荷和对应的标线间距离的变化等情况，可绘制出应力-应变曲线。曲线A：脆性材料；曲线B：有屈服点的韧性材料；曲线C：无屈服点的韧性材料应力―应变曲线一般分为两个部分：弹性变形区和塑性变形区。在弹性变形区域，材料发生可完全恢复的弹性变形，应力和应变成正比例关系。曲线中直线部分的斜率即是拉伸弹性模量值，它代表材料的刚性。弹性模量越大刚性越好。在塑性变形区域，应力和应变增加不再成正比关系，最后出现断裂。二、测试仪器1.引伸计；2.固定上限位；3.引伸计导杆；4.中横梁；5.上夹具；6.样条；7.下夹具；8.传感器；9.下限位；10.急停开关拉伸试验用夹具三、测试标准和试样塑料拉伸试验参照的标准为GB/T1040-2006。制备拉伸试样的方法很多，最常用的方法是注射模塑或压缩模塑；也可以通过机械加工从片材、板材和类似形状的材料上切割。在某些情况下可以使用多用途试样。表5-11A型和1B型试样尺寸及公差符号名称尺寸mm公差mm符号名称尺寸mm公差mm1A型试样1B型试样L3总长（最小）150L3总长（最小）150L夹具间距离115±1.0L夹具间距离L2+5~0r半径20～25r半径（最小）60b2端部宽度20±0.2b2端部宽度20±0.2b1窄部分宽度10±0.2b1窄部分宽度10±0.2h优选厚度4±0.2h优选厚度4±0.2L0标距50±0.5L0标距50±0.51A型试样为优先选用的直接模塑多用途试样1B试样为机加工试样。四、测试步骤及影响因素1．测试步骤（1）试样准备试样上必须标出确定标距的标记。试样不能扭曲，成对的平行面间要相互垂直，表面和边沿不能有划痕、坑洞、污迹和毛刺。（2）测量试样在塑料试样中部距离标距每端5mm以内测量试样中间平行部分的宽度和厚度，宽度精确至0.1mm，厚度精确至0.02mm。每个试样测量3点，取算术平均值。（3）夹持将试样放到夹具中，务必使试样的长轴线与试验机的轴线成一条直线。（4）引伸计安装（5）试验速度拉伸试验方法国家标准规定的试验速度范围为l～500mm/min，分为9种速度。（6）数据的记录记录试验过程中试样承受的负荷及与之对应的标线间或夹具间距离的增量。（7）试样数量每个受试方向和每项性能应至少试验5个试样。如果需要精密度更高的平均值，试样数量可多于5个。推荐试验速度速度（mm/min）允许偏差（%）速度（mm/min）允许偏差（%）1±2050±102±20100±105±20200±1010±20500±1020±102．结果计算和表示（1）应力按式5-1计算：（2）应变按式5-2、5-3计算bdPt10000LL100LL（3）标准偏差值按下式（5-4）计算式中：S，标准偏差值；，单个测定值；，组测定值的算术平均值；n，测定个数。计算结果以算术平均值表示，σt取三位有效数字，εt、S取二位有效数字。1)(2nXXSiXXiX3．影响因素（1）试样的制备与处理拉伸试验要求做成哑铃形试样;制样方式有两种：一是用原材料制样；另一种是从制品上直接取样。用原材料制成试样有几种方法，包括模压成型、注塑成型、压延成型或吹膜成型等;不同方法制样的试验结果不具备可比性;同一种制样方法，要求工艺参数和工艺过程也要相同;试样制备好后,要按GB/T2918-1998标准，在恒温恒湿条件下放置处理。（2）材料试验机影响因素主要有:测力传感器精度、速度控制精度、夹具、同轴度和数据采集频率等。测力传感器一般要求传感器的精度在0.5%以内。拉伸速度要求平稳均匀,速度偏高或偏低都会影响拉伸结果。试验机的同轴度不好,拉伸位移将偏大,拉伸强度有时将受到影响,结果偏小。（3）试验环境影响塑料拉伸试验结果的因素主要是温度和湿度。GB/T2918-1998规定,标准实验室环境温度为(23±2)℃,相对湿度为45%～55%。（4）操作过程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。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。（5）数据处理现在的材料试验机多数由计算机控制,数据处理已程序化,但是有些数据还是依靠人为测试和计算的,如试样尺寸、位移变化、伸长率计算及脱机试验等。第五章力学性能测试第二节弯曲性能一、概念及测试原理1.概念挠度：试样跨度中心的顶面或底面偏离原始位置的距离。规定挠度：规定挠度为试样厚度h的1.5倍。弯曲应力：试样跨度中心外表面的正应力。断裂弯曲应力：试样断裂时的弯曲应力。弯曲强度：试样在弯曲过程中承受的最大弯曲应力。弯曲应变：试样跨度中心外表面上单元长度的微量变化，用无量纲的比或百分数（％）表示。断裂弯曲应变：试样断裂时的弯曲应变，用无量纲的比或百分数（％）表示。弯曲弹性模量或弯曲模量：应力差与对应的应变差之比。2.测试原理测定塑料弯曲性能采用的第一种方法是三点负载体系，第二种力法是四点负载体系。图5-7四点式弯曲试验示意图图5-6塑料三点式弯曲试验二、测试仪器弯曲试验机应符合GB/T17200-1997的要求。通常，拉伸试验用的机器也能用来作弯曲试验，上部的可动压头可用来做弯曲试验。能指示拉伸和压缩负载的具有双重目的的负载传感器可方便地对拉伸试验和压缩试验的试验进行测定。三、测试标准和试样塑料的弯曲试验的标准方法是GB/T9341-2008。可采用注塑、模塑、或由板材经机械加工制成矩形截面积的试样，也可从标准的多用途试样的中间平行部分截取。推荐试样尺寸：长度l：80±2mm；宽度b：10.0±0.2mm；厚度h：4.0±0.2mm。当不可能或不希望采用推荐试样时，试样长度和厚度之比应与推荐试样相同，如下式（5-5）所示：l/h=20±1公称厚度h宽度b*公称厚度h宽度b*1＜h≤325.0±0.510＜h≤2020.0±0.53＜h≤510.0±0.520＜h≤3535.0±0.55＜h≤1015.0±0.535＜h≤5050.0±0.5*含有粗粒填料的材料，其最小宽度应在30mm。表5-3与试样厚度h相关的宽度值b单位：mm四、测试步骤及影响因素1.测试步骤（1）测量试样（2）设置好合适的试验速度表5-4试验速度推荐值速度/mm/min允差/％速度/mm/min允差/％1*±20b50±102±20b100±105±20200±1010±20500±1020±10*厚度在1mm至3.5mm之间的试样，用最低速度b速度1mm/min和2mm/min的允差低于GB/T17200-1997的规定。（3）试样对称地放在两个支座上，并于跨度中心施加力。（4）记录试验过程中施加的力和相应的挠度，若可能，应用自动记录装置来执行这一操作过程，以便得到完整的应力/应变曲线图。（5）根据力/挠度或应力/挠度曲线或等效的数据来确定相关应力、挠度和应变值。（6）试验结果以每组5个试样的算术平均值表示。试样在跨度中部分三分之一以外断裂，试验结果应作废，并应重新取样进行试验。2．结果计算和表示（1）塑料弯曲应力按下式（5-6）计算：223bhPLf（2）塑料挠度按下式（5-7）计算：hLsfii62（3）塑料弯曲模量按下式（5-8）计算)()(1212fffffE3.试验影响因素（1）跨厚比选择跨厚比时必须综合考虑剪力、支座水平推力以及压头压痕等综合影响因素。（2）应变速率在相同的试样厚度下，跨度越大则应变速率越小；试验速度越大则应变速率越大。（3）加载压头圆弧和支座圆弧半径加载压头圆弧半径过小，造成压头与试样之间不是线接触，而是面接触；若压头半径过大，对于大跨度就会增加剪力的影响，容易产生剪切断裂。（4）温度弯曲强度都随着温度升高而下降，但下降程度各有不同。（5）操作影响试样尺寸的测量、试样跨度的调整、压头与试样的线接触和垂直状况以及挠度值零点的调整。第五章力学性能测试第三节压缩性能压缩性能是描述材料在较低的压缩负载和均匀加载速率下的行为。压缩性能包括弹性模量、屈服应力、屈服点以外的形变、压缩强度、压缩应变和细长比。在实际应用中，压缩负载并不总是瞬间加上的，因此，不考虑塑料的刚度和强度对时间依赖性的标准试验结果，就不能作为设计零件的基础。一、概念及测试原理1.概念压缩应力指在压缩试验过程中的任何时刻，单位试样的原始横截面上所承受的压缩负荷。压缩变形指试样在压缩负荷作用下高度的改变量。压缩应变每单位原始标距L0的长度减少量，为比值或百分数。压缩强度指在压缩试验中试样所承受的最大压缩应力。规定应变时的压缩应力达到规定应变时的压缩应力。压缩模量指在应力―应变曲线的线性范围内应力差与应变差的比值。细长比指试样的高度与试样横截面的最小回转半径之比。2.测试原理试验是把试样置于试验机的两压板之间，并在沿试样两个端部表面的主轴方向，以恒定速率施加一个可以测量的大小相等而方向相反的力，使试样沿轴向方向缩短，而径向方向增大，产生压缩形变，直至试样破裂，屈服或试样变形达到一预先规定的数为止。二、测试仪器试验机应符合GB/T17200-2008的规定，而拉伸和弯曲试验所用的万能试验机也可用来测试各种材料的压缩强度。用挠度计或压缩形变计在试验中的任意时间内测且试样两固定点距离的任何变化。压缩夹具三、测试标准和试样1.测试标准塑料的压缩试验按GB/T1041－2008标准方法进行。2.试样可用注塑、模压成型制作或机械加工制备形状有棱柱、圆柱或管状。优选类型和试样尺寸类型测量长度l宽度b厚度hA模量50±210±0.24±0.2B强度10±0.2小试样尺寸项目1型2型厚度宽度高度3563535四、测试步骤及影响因素1.测试步骤推荐试验速度速度mm/min允差/％速度/mm/min允差/％1±2010±202±2020±10a5±20a该允差低于GB/T17200-1997的规定试样应按照该材料的国家标准的要求进行状态调节（1）试样尺寸的测量（2）必要时安装变形指示器。（3）试样放置。（4）根据材料的规定调整试验速度。（5）开动试验机进行试验。①记录适当应变间隔时的负荷及相应的压缩应变。②试样破裂瞬间所承受的负荷，单位为N。③如试样不破裂，记录在屈服或偏置屈服点及规定应变值为25％时的压缩负荷，单位为N。（6）试验结果以每组5个试样的算术平均值表示。2.结果计算和表示（1）应力按下式计算σ=F/A（2）应变（用伸长仪测量）按下式计算00LL00100(%)LLX（3）压缩模量按下式计算1212E3.影响因素来自试样材料自身的因素：例如材料内应力分布、材料结构、试样的成型加工方式等；来自试验条件：例如试样形状、试样尺寸、试验机的上下压板的表面粗糙度或摩擦力以及试验速度等。第五章力学性能测试第四节冲击性能冲击试验是用来评价材料在高速载荷状态下的韧性或对断裂的抵抗能力的试验。塑料材料的冲击强度在工程应用上是一项重要的性能指标，它反映不同材料抵抗高速冲击而致破坏的能力。冲击试验可分为摆锤式（包括简支梁和悬臂梁