高分子材料性能测试-力学性能

高分子材料力学性能测试3.1拉伸性能3.2弯曲性能3.3压缩性能3.4冲击性能3.5剪切性能3.6蠕变和应力相应3.7硬度3.8撕裂性能3高分子材料的力学性能材料力学性能ThefourtypesofstressesMechanicalpropertiesofmaterials强度(Strength)：材料在载荷作用下抵抗塑性变形或破坏的最大能力。屈服强度：表示材料发生明显塑性变形的抗力Ps或σ抗拉强度：σb=Pb/F0断裂前单位面积上所承受的最大应力刚度(Stiffness)：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。弹性模量：E＝σ/ε韧性(Ductility)：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。断裂韧性：KIC塑性(Plasticity)：外力作用下，材料发生不可逆的永久性变形而不破坏的能力。Mechanicalpropertiesofmaterials应力应变强度范畴刚度范畴塑性范畴韧性范畴Mechanicalpropertiesofmaterials3.1拉伸性能3.1.1应力－应变曲线1t应力－应变曲线：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－拉伸强度；－拉伸断裂应力；－拉伸屈服应力；－偏置屈服应力；－拉伸时的应变；－断裂时的应变；－屈服时的应变；－偏置屈服时的应变1t2t3t4t1t2t3t4t高分子应力-应变过程•弹性形变:（开始-Y）应力随应变正比地增加，直线斜率=杨氏模量E。由高分子的键长键角变化引起的。•屈服应力：应力在Y点达到极大值，这一点叫屈服点，其应力σy为屈服应力。•强迫高弹形变（大形变）过了Y点应力反而降低，由于此时在大的外力帮助下，玻璃态聚合物本来被冻结的链段开始运动，高分子链的伸展提供了材料的大的形变。这种运动本质上与橡胶的高弹形变一样，只不过是在外力作用下发生的，为了与普通的高弹形变相区别，通常称为强迫高弹形变。这一阶段加热可以恢复。•应变硬化继续拉伸时，由于分子链取向排列，使硬度提高，从而需要更大的力才能形变。•断裂达到B点时材料断裂，断裂时的应力σb即是抗张强度σt；断裂时的应变εb又称为断裂伸长率。直至断裂，整条曲线所包围的面积S相当于断裂功。E越大，说明材料越硬，相反则越软；σb或σy越大，说材料越强，相反则越弱；εb或S越大，说明材料越韧，相反则越脆。3.1.2高分子典型应力－应变曲线I3.1拉伸性能(a)的特点是软而弱。拉伸强度低，弹性模量小，且伸长率也不大，如溶胀的凝胶等。(b)的特点是硬而脆。拉伸强度和弹性模量较大，断裂伸长率小，如聚苯乙烯等。3.1.2高分子典型应力－应变曲线I3.1拉伸性能(c)的特点是硬而强。拉伸强度和弹性模量大，且有适当的伸长率，如硬聚氯乙烯等。(d)的特点是软而韧。断裂伸长率大，拉伸强度也较高，但弹性模量低，如天然橡胶、顺丁橡胶等。3.1拉伸性能3.1.2高分子典型应力－应变曲线III(e)的特点是硬而韧。弹性模量大、拉伸强度和断裂伸长率也大，如聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙等3.1拉伸性能3.1.3高分子材料的典型应力-应变特征性能模量屈服应力拉伸强度断裂伸长软而弱低低低中等硬而脆高无中等低硬而强高高高中等软而韧低低中等高硬而韧高高高高高分子材料的典型应力-应变特征3.1常用高分子材料的应力-应变曲线硬塑料应力纤维软塑料应变橡胶3.1拉伸性能定义拉伸强度：在拉伸试验中，试样直至断裂为止所承受的最大拉伸应力。拉伸应力：试样在计量标距范围内，单位初始横截面上承受的拉伸负荷。拉伸断裂应力：σｔ－εｔ曲线上断裂时的应力。拉伸屈服应力：σｔ－εｔ曲线上屈服点处的应力。断裂伸长率：试样断裂时，标线间距离的增加量与初始标距之比。弹性模量：比例极限内，材料所受应力与产生的相应应变之比。屈服点：σｔ－εｔ曲线上σｔ不随εｔ增加的初始点。应变：材料在应力作用下，产生的尺寸变化与原始尺寸之比。3.1拉伸性能电子万能试验机3.1拉伸性能3.1拉伸性能3.1.5拉伸性能测试原理拉伸试验是对试样延期纵轴方向施加静态拉伸负荷，使其破坏，通过测量试样的屈服力、破坏力和试样标距间的伸长来求得试样的屈服强度拉伸强度和伸长率。3.1拉伸性能3.1.6测量方法即实验步骤①试样的状态调节和试验环境按国家标准规定。②在试样中间平行部分做标线，示明标距。③测量试样中间平行部分的厚度和宽度，精确到0.01mm，II型试样中间平行部分的宽度，精确到0.05mm，测3点，取算术平均值。④夹具夹持试样时，要使试样纵轴与上下夹具中心连线重合，且松紧适宜。⑤选定试验速度，进行试验。⑥记录屈服时负荷，或断裂负荷及标距间伸长。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。3.1拉伸性能低碳钢铝合金铸铁高分子材料符合材料3.1拉伸性能3.1.7高分子试样的制备和尺寸要求I：I型试样及尺寸图3-3I型试样表3-2II型试样尺寸要求3.1拉伸性能3.1.7II型试样及尺寸图3-3II型试样表3-2IIII型试样尺寸要求3.1拉伸性能3.1.7试样的制备和尺寸要求III：III型试样及尺寸图3-3III型试样表3-2IIIIII型试样尺寸要求3.1拉伸性能3.1.7试样的制备和尺寸要求IV：IV型试样及尺寸图3-3IV型试样表3-2IVIV型试样尺寸要求3.1.7试样的制备和尺寸要求V：塑料材料选择试样类型测试速度参考试样材料类型试样制备方法最佳厚度mm试验速度硬质热塑性塑热塑性增强塑料Ⅰ注塑模压4BCDEF硬质热塑性塑料板热固性塑料板含层压板机械加工2ABCDEFG软质热塑性塑料及板Ⅱ注塑、模压板材机械加工和冲切加工2FGHI热固性塑料(含填充、增强塑料）Ⅲ注塑模压C热固性塑料板Ⅳ机械加工BCD3.1拉伸性能A:1±50%，B:2±20%，C:5±20%，D:10±20%，E:20±10%，F:50±10%，G:100±10%，H:200±10%，I:500±10%。3.1拉伸性能3.1.8数据的处理拉伸强度或拉伸断裂应力、拉伸屈服应力、偏置屈服应力按下式计算：σt=F/bdσt：拉伸强度或拉伸断裂应力、拉伸屈服应力等，MPa；F：最大负荷或断裂负荷、屈服负荷、偏置屈服负荷，N；b：试样宽度，mm；d：试样厚度，mm。断裂伸长率按下式计算：εｔ=(L-L0)/L0×100%εｔ：断裂伸长率，%；L0：试样原始标距，mm；L：试样断裂时标线间距离，mm。3.1拉伸性能3.1.9影响拉伸性能的因(1)试样尺寸：由试样自身的微观缺陷和微观不同性引起(2)拉伸速度：塑料属于粘弹性材料，其应力松弛过程与变形速率紧密相关，需要一个时间过程(3)温度和湿度：温度上升，湿度增大，强度下降(4)预处理：材料在加工过程中，由于加热和冷却的时间和速度不同，易产生局部应力集中，经过在一定温度下的热处理或称退火处理，可以消除内应力，提高强度(5)材料性质：结晶度、取向、分子量及其分布、交联度(6)老化:老化后强度明显下降3.2弯曲性能3.2.1定义弯曲应力σf：试样跨度中心外表面的正应力，MPa。挠度s：弯曲试验中，试样跨度中心的顶面或底面偏离原始位置的距离，mm。弯曲强度σfM：试样在弯曲过程中承受的最大弯曲应力，MPa。断裂弯曲应力σfB：试样断裂时的弯曲应力，MPa。弯曲应变εf：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%表示。断裂弯曲应变εfB：试样断裂时的弯曲应变，用无量纲的比或%表示。试验速度v：支座与压头之间相对运动的速率，mm/min。3.2弯曲性能3.2.2弯曲实验的方法原理三点法四点法3.2弯曲性能3.2.3弯曲实验的试样要求标准试样长度l=80±2mm宽度b=10.0±0.2mm厚度d=4.0±0.2mml/d≈20非标试样公称厚度d宽度b±0.5热塑性模塑和挤塑料以及热固性板材织物和长纤维增强的塑料1＜d≤325.015.03＜d≤510.015.05＜d≤1015.015.010＜d≤2020.030.020＜d≤3535.050.035＜d≤5050.080.0表3-4与厚度相关的宽度值bmm3.2弯曲性能3.2.3弯曲实验的试样要求①含有粗粒填料的材料，其最小宽度应在20~50mm之间。②各项异性材料：其物性如弹性与方向有关，应使试样在试验中受力方向与其产品在使用中受力方向相同。③试样的制备:模塑或挤塑料：根据相关材料规范。片材：根据ISO2818制取。长纤维增强材料：根据ISO1268等制取。④试样数量：在每一个试验方向上至少应测试5个试样。试样在跨度中部1/3外断裂的试验结果应予废除，并重新取样试验。3.2弯曲性能3.2.4弯曲实验的步骤①测量试样中部宽度b；厚度d，计算一组试样厚度的平均值d；剔除厚度超过平均厚度允差±0.5%的试样；调节跨度L，使符合：L=（16±1）d。②按受试材料标准规定设置试验速度，否则应选择推荐试验速度，使应变速率尽可能接近1%/min，例如推荐试样的试验速度为2mm/min。③把试样对称地放在两个支座上，并于跨度中心施力。④记录试验过程中施加的力和相应的挠度。3.2弯曲性能3.2.5计算公式弯曲应力弯曲模量挠度223bdFLfKbdLDdbFLEf333443drLD63σf：弯曲应力或弯曲强度F：施加的力L：跨度b：试样宽度h：试样厚度Ef：弯曲弹性模量K：负载-挠度取向上的斜率r：最大应变3.2弯曲性能3.2.6影响实验结果的因素(1)试样跨厚比(2)应变速率（加载速度）(3)加载压头半径和支座表面半径:支座表面半径大小，要保证与试样接触为一条线，(4)温度和湿度(5)材料性质(6)操作的影响试验速度对弯曲强度，MPa的影响如下：试验速度mm/minPOMABSPSPP1.569.8265.81107.151.531.771.5966.62109.352.17271.7667.44109.252.42.372.6467.77110.653.512.776.3967.87113.353.19名称拉伸性能温度℃1015202530PMMA拉伸强度MPa82.974.670.266.563PVC硬板拉伸强度MPa66.663.159.656.854.4PVC软片拉伸强度MPa24.322.721.419.518.8断裂伸长率%281294305313336