实验二十二塑料常规力学性能测试

1、实验二十二 塑料常规力学性能测试 本实验包括：拉伸试验，压缩试验，静弯曲试验，剪切试验，冲击试验。 概述一、 测试标准方法聚合物材料日新月异，种类繁多，根据其用途和力学状态，人们通常把它们分为塑料、橡胶、纤维三大类合成材料。各类材料的性能要求、测试方法都不尽相同。我们这里只介绍应用最广的塑料类聚合物材料的一些常规力学性能的通用测试方法。这些方法操作简单，技术条件有严格的统一规定，测试较快。其结果可作为不同材料的质量比较，生产上的品质控制和质量验收的依据，有的还可以作为应用中使用性能指标和工程设计的数据。为了测试数据相比，要求测试方法的技术条件和操作方法统一化、标准化、设备仪器定型化。根据这些方

2、法的完善程度，国内外均分别划分为内部标准方法、企业标准方法、部（或局）标准方法和国家标准方法，甚至还有国际标准方法。塑料类聚合物材料的常规力学性能测试方法在我国已逐步建立起了一套原化学工业部标准方法均须有关负责部门审查标准公布方才有效，国家标准由中华人民共和国龟甲标准总局审定发布。二、 影响测试结果的一些因素影响塑料测试结果的因素很多，由内在因素也有外在因素。内在因素如：材料本身分子量的大小及分布不同，结构规整性，取向和结晶程度各异，内在存在的各种缺陷的多寡等。外部因素如：试样在制备过程中加工条件的差别所引起的应力分布，机械缺陷等。试验过程中温度、湿度的变化等等。从测试角度来说，我们主要考虑与

3、测试结果精度有关的因素。这类因素也很多，如拉伸等试验中作用力速度即拉伸速度等，都必须严格控制没，否否则结果不能重复也不可比，给数据的分析、取用带来麻烦甚至可靠性也值得怀疑。因此，各项测试都必须合理地规定技术条件，严格操作，使各种影响结果的因素所造成的误差趋于最小，这就是要制定标准试验方法的原因。由于下列每种试验方法的影响因素还将分别讨论，这里仅就力学性能测试中共同的影响因素简单讨论一下。（一） 试样1、 试样制备制备试样一般有两个途径：（1）从板、片、棒等制成品或半制成品上合理地切取材料，经一定的机械加工质量关系很大。加工中出现的表面粗糙、局部崩裂、明显刀痕或由于塑料异热导热性差引起的切削加工

4、局部受热造成的缺陷等都会严重影响测试结果。因此，对有限缺陷的试样应进行打磨修整，修整后仍有明显缺陷的试样不应取用。（2）粉、粒料经模塑成型为标准尺寸试样。这种试样的测试结果与模塑成型的方法（注射成型、模压成型及模压烧结成型等）、成型温度、成型压力、冷却速度及退火、淬火等后处理条件都有关系。如聚四氟乙烯制品大都由烧结温度的影响。如图26-1所示，不同温度下烧结的聚四氟乙烯的应力应变曲线有很大的差别。又如聚碳酸脂的机械性能不仅与成型温度有关（若温度超过310oC）其拉伸强度明显下降，如图26-2所示，而且与成型后的热处理（退火，以便消除冷却时内外冷却速度不一致而引起的内应力集中）时间长短有关，如图

5、26-3所示。另外，特别要注意的时树脂中如含有较多水份、溶剂等易挥发性物质时，在成型时的高温下变成的气体若不能排出，在式样中形成气泡就会造成“致命”缺陷。这样的试样根本部能用于性能测试。因此在许多产品标准中还注明了成型条件。2、试样尺寸在测试标准方法中大都规定了标准试样的严格尺寸，这样才能够使同一材料的测试结果不会因尺寸不同而影响重复性，也为了不同材料的测试结果有可比性。为什么要做这样的规定呢？这是因为同一种材料不同尺寸的试样也会严重影响测试结果，这种现象叫做“尺寸效应”。如图26-4、图26-5所示，聚乙烯与聚氯乙稀试样除厚度外其它尺寸形状都相同，其结果却相差很大，聚氯乙稀样品厚度为0.5毫

6、米和3毫米时其拉伸强度的相对误差竟达40，可见影响之大。同样，试样的有效段宽度也会使测试结果产生相当的偏离。“尺寸效应”的根源主要是试样自身的微观缺陷和微观不同性。微观缺陷指试样在制备过程中受热、力或其它因素作用而产生的微隙缝（特别是表面）。微观不同性指标结构上存在的差异或不均匀性（结晶、取向，分子量不同的微区域）。任何材料中都会存在不同数目和不同严重程度的各种缺陷，其中最大的“致命”缺陷决定试样的测试结果，而试样体积会表面愈大，存在“致命”缺陷的几率就愈大。因此从理论上讲，大试样的测试结果会比小试样的结果偏低。当然，如果小试样上也存在明显的“致命”缺陷，那单位体积的表面层缺陷也许会比大试样还

7、多得多，这样就会出相反的结果。为了消除尺寸效应对测试结果的影响，所以必须在标准试验方法中规定严格的标准试样尺寸。3、试样的预处理测试结果与外界条件对试样的影响也有较大的关系，其中主要是环境温度、湿度和放置时间。这些因素可以引起试样分子形态的变化和内部应力的消存等。一般来说，分子中有极性基团的聚合物对湿度较敏感，而耐热性差的聚合物对温度较敏感。试样放置时间长，其内部在制作过程中遗留下来的残余应力就小。这些因素对测试结果的影响也是相当大的，如图26-6所示尼龙类聚合物吸水后可起增塑作用，随着吸水率的增加，冲击强度显著提高，干湿材料的测试结果会出现成倍的诧异。因此，为了获得重复性好的可靠结果，还必须

8、在测试之前对试样进行“标准化”处理或某些要求的特殊处理。试样预处理的要求在标准方法总要求中做了明确的规定。（二）测试环境条件测试环境条件对测试结果的影响主要指环境的温度和湿度的影响。其影响大小视塑料本身的性能而异。一般来说，热塑性塑料比热固性塑料对环境变化敏感，其中耐热性差的又比耐热性好的更敏感。这是很自然的，因而耐热性差的塑料其玻璃化转变温度（Tg）低，随温度的升高，材料逐渐从玻璃态向高弹态转变，其强度性质必然降低。如图26-7所示，聚丙烯的屈服强度从0oC升高到30oC时相对误差达50。其他许多塑料都有类似的情况。由于温度预聚合物的力学状态密切相关，而我国土地辽阔，东西南北各地温度和湿度的

9、差别很大，因此为了消除环境条件的影响，测试环境的温度、湿度必须统一。我国目前塑料测试国家标准方法规定环境温度为252oC，相对湿度为655。拉伸试验原理一、 有关力学基本概念（一）力的分类1、外力 外力又称载荷，是由其它的物体的作用而产生的。这种外力使物体改变位置，发生尺寸和形状的变化。外力由可分为表面力和质量力两种。前者使通过其他物体预该物体表面作用而产生的外力，后者是作用在该物体内所有各质点上的外力（如万有引力、自重力等）。2、内力 内力是物体本身一部分对另一部分作用而产生的力。内力可分为两种：一是“固有内力”如聚合物内部原子、分子之间的相互作用力；二是在外力作用下使物体发生形变，同时在物

10、体内部产生对抗这种变形的弹性力。这种内力的特点是在一定限度内随外力增长而增长，超过这一限度物体就要被破坏。3、应力 应力就是平均的内力表面密度或更精确地说是极限内力密度。式中：是在面积上与外力大小相等的内力总和，是物体内部的一小块面积。在这一小块面积上应力并不都是垂直的。如果在物体中选一小块体积元，各个表面上的应力分布如图26-8所示，任何一个总应力Pi都可分解称沿X、Y、Z三个方向上的三个相互正交的分力。因此作用在体积元三个方向面上总共由九个应力分量，用矩阵表示成： 也可叫做应力张量，并可以证明如果物体不发生转动，是一个对称张量：，。因此只有六个分量是独立的，并可分解成几个张量，它们都有明确

11、的物理意义。=+=+式中：，叫做法向平均应力。张量（）称为偏张量，（）称为球张量（各向同性），（）称为剪切张量。其中张量（）和张量（）是使物体体积不变，形状改变的张量，二者合起来也称为形变张量或剪切张量。张量（）是使物体体积改变、形状不变的张量。在工程上，由于内力实际上使无法直接测量的，因此把作用在物体上的外力就看成“附加内力”即弹性力，把物体单位面积上所承受的外力叫工程应力，这样就可以直接测量了。（二）应力物体在内力作用下所发生的形变称为应变。这种使物体形变的内力通常都是由于外力的作用而引起的。在这种外力作用下，物体的应变大致有：拉伸，压缩，剪切，弯曲和扭转等，主要使前三种。1、 拉伸应变

12、在拉力（张力）作用下物体发生纵向伸长而横向收缩的形变。其应变量可表示成： 式中：，L分别为原始长度和拉伸后的长度。而总形变量不大时，上式可写成：上式可看成一级近似，又叫公称应变，可直接测量。2、 剪切应变 在剪切力作用下物体两个面之间发生了相对位移，这种形变叫剪切形变。形变量不大时剪切应变为：其中：D为边长，为形变距离，为形变角度。 3、静压缩 在均匀压缩时物体体积发生变化，称为本体形变。其应变称为体应变，可表示成：由于应变是由应力引起的，应变是随应力变化的运动学关系量，所以应力张量具有的分量，就有相应的应变分量。可写成与前式相应的应变张量形式：+其中：，（）是应变球张量（形状不变体积变），而

13、（）（）是应变偏张量与应变剪切张量，总称为应变张量。在形变不大时，可以证明应变分量与形变量之间有如下关系：即2但在形变量较大时，。（三）应力和应变之间的关系对于理想弹性体，抗张应力与抗张应变之间的关系即是虎克定律：（即）其中，E为杨式模量或拉伸模量，它等于拉伸应力（）与拉伸的刚度。我们知道，材料在拉伸时不仅轴向伸长，同时横向要收缩。在材料科学中把横向应变与轴向上应变之比称为伯松比，以表示，对各向同性体可写成：表26-1 一些材料的伯松比材 料材 料苯0.5天然像胺0.495水0.5高压聚乙烯0.49汞0.5低压聚乙烯0.47铅0.44聚丙烯0.43青铜0.320.35聚1-丁烯0.47铸铁0.

14、230.27聚苯乙烯0.38黄铜0.320.36聚氯乙烯0.42铝0.320.36聚一氯三氟乙烯0.44锌0.21聚四氟乙烯0.46钢0.250.33聚甲基丙烯酸甲脂0.40金0.42聚苯醚0.41玻璃0.25尼龙660.46石料0.160.34尼龙60.44聚砜0.42聚甲醛0.44对那些在拉伸过程中体积保持不变的各向同性材料可以证明其伯松比为1/2。对于一般材料，由大量实验得知0v1/2，表26-1是一些材料的伯松比值。前边已经指出，应力是应变的动力，各个应力张量只能引起特定的应变，它们之间有对应关系，因此可以到三个对应的关系：根据上式中的第一个对应关系，可得：其中G为各向同性剪切模量。在

15、单轴拉伸时又因为同时因此 即 这样就得到如下的重要关系：显然，当时，；当时，。对一般物体，因此。由此可见物体反抗拉伸的强度大于反抗剪切的强度。同样，靠我们可从第二个对应关系得：式中：K时本性模量，它是物体承受的静压强与单位体积的体积改变量之比。于是，可得E、K、G三个重要的材料函数之间的相互关系式：可见，当（即物体不可压缩）时，E=3G。根据上诉几个基本的关系式，只要知道其中任意两个就可求出另两个材料函数。此外，我们在进行塑料的力学性能测试时必须清楚各项中材料的受力情况，明确测出的结果的物理意义，否则，我们的测试工作就失去了意义，既不能正确地取用，也不能与文献值进行比较，或者在取用与比较中会出

16、现错误。二、塑料拉伸试验中的应力应变曲线聚合物材料由于本身长链分子的大分子结构特点，使其具有多重的运动单元，因此在外力作用下的力学行为是一个松弛过程，具有明显的粘弹性质。在拉伸是啊玉女时因试验条件的不同，其拉伸行为又很大差别。最典型的拉伸应力应变曲线如图26-9所示。起始，应力增大应变也增加，在A点之前应力变成正比关系，符合虎克定律，呈理想性体。A点叫做比例极限点。在OA直线上可任选适当的与，求出材料的起始弹性模量：E=/超过A点后的一段，应力增大应变仍增加，但二者不再成正比关系，比值逐渐减小，当达到Y点时，其比值为零。Y点叫做屈服点。此时弹性模量近似为零，这是一个重要的材料特征点。对塑料来说

17、，它是使用的极限点。如果再继续拉伸，应力只需保持不变甚至还会下降，应变可以再一个相当大的范围内增加，直至断裂。断裂点的应力可能比屈服点应力小，也可比它大。断裂点的应力喝应变叫做断裂强度喝断裂伸长率。聚合物材料是多种多样的，它们的应力应变曲线也很多样，大致可分为五类，如图26-10所示。某种材料的应力应变曲线下的面积，表示其反抗外力时所做的功，因此根据应力应变曲线的形状就可以大致判断出该材料的强度喝韧性。三、 验温度与试验速度对塑料应力应变的影响塑料是一种粘弹性材料，它的力学松弛过程与温度和外力作用频率（时间）即试验速度有密切关系。当温度升高时，分子链段的热运动增加，松弛过程进行较快，在拉伸试验

18、中表现出较大的形变和较低的强度。应力应变曲线会随之发生很大的变化，如图26-11所示。同样，减慢拉伸速度时，使外力作用的时间增长即作用力频率降低，使分子链的松弛过程能够跟上外力的变化，即松弛时间与外力作用时间达到同一数量级时，材料表现出较大的形变和较低的强度。因此，改变拉伸速度时应力应变曲线也会发生很大的变化，如图26-12所示。由此可见，试验温度和试验速度这两个因素都可以引起塑料力学松弛过程快慢的改变，使应力应变曲线的形状发生变化，影响测试结果。同时，在一定的范围内，增加拉伸速度与降低试验温度的效果是相似的，这就是时间温度等效原理。根据这个条件的不足。如温度较高，可选择规定的试验速度的上限进

19、行试验，反之亦然。这样我们就可以尽量在允许的条件下得到较满意的结果。试验温度与试验速度对应力应变曲线的影响，各种聚合物是不相同的，即使同一种聚合物也会由于交联程度的大小，结晶度的高低、增塑济含量的多少、分子量的大小及分布的差别而表现出不同的结果。同时须指出，温度不断升高会改变聚合物的力学态度，也可能破坏原来聚合物的结构。试验速度很慢时，聚合物在拉伸过程中也有发生结晶、取向或原来结晶的破坏和再结晶的现象。这些因素对每种材料都要做具体的分析研究，它们既然可以影响拉伸时的应力应变曲线，我们当然也可以根据不同的应力应变曲线去研究高聚物材料的特性。仪器装置拉伸试验中使用拉力试验机根据负荷测定的方法不同，

20、拉力试验机可以分为两类：一种是用杠杆和摆锤的组合测力系统测定负荷的试验机，称为摆锤式拉力试验机；另一种是用换能器将负荷转变为电信号的测力系统测定负荷的试验机，称为电子拉力试验机。无论哪种试验机更换夹具后，都可以进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、撕裂、剥离等项常规力学性能测试。一、 摆锤式拉力试验机（一）加载部分 一般用电动机通过变速器加载，手摇装置也可以加载。无极变速装置可以获得所需要的试验速度。用于硬质材料的拉力试验机，变速范围约在5-35毫米/分或100毫米/分。用于软件材料的试验机，变速范围约在25-500号码/分或1000毫米/分。（二）测力部分 试验受力变形时，作用在上夹头的力，如图26-

21、13所示，通过AB和CD两级杠杆传递，带动摆锤绕支点转动而抬起。AB杠杆有两个指点，是呀干那受拉力时以A点为支点，B点脱开，但受压力时便自动更换为B点为支点，而A点脱开。这样无论拉伸或压缩总使摆锤向一个方向摆动。摆杆推动水平齿轮使齿轮和指针转动，指针转动角度与试样所受的力成正比，这样从度盘上即可读出试样受的力的大小。一般试验机可以更换三至四种摆锤重量，测力度盘上也对应有3-4种刻度，这样可有3-4种测力量程。目前国内摆锤式拉力试验机的型号很多，可以根据不同的用途来要求选择。二、电子式拉力试验机的原理如图26-14所示。试样形变所承受的力，通过力传感器的电阻应变片转化为电讯号，经过放大传入X-Y

22、函数记录仪的Y轴。小形变测量是用差东变压器进行的，讯号经放大后转入X-Y函数记录仪的X轴。这样就可以在记录仪上自动描绘出载荷形变曲线。大形变是通过电位器或大形变测量器进行的。横梁移动速度的控制和调整是由同步电机、速度给定自整角机、相敏放大、直流电机、电机扩大组、测速发电机组成的随动系统来完成的。循环装置是使用来位移脉冲记录数器和自动定位电磁计数器、转向继电器来完成的。目前国产电子拉力试验机型号不少，图26-15是DL1000B型电子拉力试验机。总的来说，电子拉力试验机较摆锤式拉力试验机有如下的优点：（一）它可使用X-Y函数记录仪将载荷形变曲线或载荷形变时间曲线自动地记录下来。（二）在一台电子拉

23、力试验机上，更换不同量程的力传感器就能够测量很大范围的载荷。可以从几克到几吨很方便地变换测力范围。（三）一台试验机上，拉伸速度范围电子拉力机比摆锤式拉力机要宽得多，一般为0.1毫米/分500毫米/分。（四）大多数电子拉力机上还可做“应力松弛”和“疲劳”等向试验。（五）大多数电子拉力机上还附带有可以自动恒温的，从-70oC300 oC的高低温试验装置。这样可在任选的温度下进行各种力学试验。三、拉力试验机上常用的测量形变装置（一）差动变压器测长计 它是一种接触式的测形变装置，原理如图21-16所示。它由一个初级线圈W1、W2及一个铁芯所组成。当在初级线圈上加一个交流电压U时，两个次级线圈中分别产生

24、感应电势E1，E2。E1，E2的大小与铁芯的位置在一定范围内呈线性关系。测形变时将外壳即线圈组固定在试样一标线上，铁芯与试样另一标线固定。当试样伸长时，铁芯与线圈发生相对位移，E1，E2即发生变化，变化产生的信号通过放大，在记录仪上就可读出试样形变的大小。其形变测量范围一般在020毫米之间。（二）电位计式测形变装置 它也是一种接触式形变测量装置，其原理如图26-17所示。在一个较大的可以转动的圆形线性滑动电位器AB两端加一直流稳定电压，触头C与A或B之间有一分压。与触头相连的外盘固定，与滑线电阻相连的内盘可旋转，它们分别用尼龙绳与试样两标线相连，这样当试样伸长时，尼龙线牵动滑线转动，使CA或C

25、B之间的电压成正比改变，记录这一电压变化即可测得试样的伸长值。测量形变范围可大0250毫米。实验步骤一、 试验前的准备（一）试样制作 在拉伸试验中，应选择适当的试样形状和尺寸，使其拉伸时在有效部分断裂。一般都是哑铃形试样，主要时选择适当的过度圆弧半径和有效宽度。若过渡圆弧半径较大，可使应力集中的弊病减少，这对试样在有效长度内断裂又很大好处。但过渡圆弧半径过大，使过渡区域点的面积相应增大，这又会使试样在非有效区断裂的可能性增加。同时，过渡圆弧半径选择不当还会给试样的涓加工带来一些影响因素。因此，在塑料拉伸试验国家标准方法中对各种试样（如压注、压制、浇铸、硬板材、软片、薄模等）的形状、尺寸、圆弧半

26、径都做了统一的规定，准备试样时应严格按照标准尺寸加工制作。（二）试样预处理 如前所述，测试结果与温度、湿度有密切关系，因此在测试之前除了进行制作中必要的后处理（如退火、淬火等）之外，还须在与试验条件相同的条件下放置一定时间，使试样与试验条件的环境达到平衡。一般试样愈硬厚，这段放置时间应愈长一些。这在国家标准中都有规定。（三）拉力试验机的准备工作 要保证测试的顺利进行和结果的准确，拉力试验机的良好工作状态使必不可少的登录。DL-1000B型电子式拉力试验机的准备工作包括：1、 首先调节工作室的温度和湿度，使之符合国家标准的要求。2、 开启试验机的总电源和低压电源，预热电子放大器中的电子管灯线半小

27、时。然后开启高压电源，并通过电源监测表头，检查电压是否正常。3、 力系统调节和标准首先根据材料强度和试样大小，选择一个合适的量程的力传感器。把选定的传感器放在主机顶上传感器上固定，用电缆把传感器与测力放大器相连。同时在传感器上装好夹具。打开X-Y-T函数记录仪，开启记录仪电源，把测力通道Y轴量程开关指短路挡，用调零旋钮调好记录仪的零点。然后把量程开关调到最小量程一挡。调节测力电桥平衡。测力放大器（“R粗”和“R细”）反复调节，使测力电桥处于平衡状态。将调节开关分别置“调”、“细”挡时，记录仪指针偏零不大于5毫米。为了使测量结果正确可靠，每次试验之前都需要用标准砝码把力值读数校正一遍。根据测力传

28、感器的量程选择适当的标准砝码加到夹具上，调节“校正”旋转使记录仪满度，去掉砝码使记录仪指零。重复几次，直到重复性很好为止。同时还可以改变砝码或衰减测力量程校正值的线性程度。4、形变测量装置校正根据试样形变大小选择一种测形变装置，安装好，时期初始位置固定，调节仪器面板上和记录上的调零电位器，使记录仪X轴指零，并在形变量程改变零点不变。然后用指标长度计校准记录仪形变读书值。5、高低温试验准备如果需要进行高低温试验，先把主机移动横梁降低可，把高低温试验炉推到主机两线杠之间。把夹具用连杆通过泸壁上下孔分别与传感器和横梁相连，固定在炉堂中。应使连杠与炉壁之间无卡滞现象，否则应调整炉子位置。把控温与测温铂

29、热电阻插入炉中，且与温度系统相连。选好高低温切换开关。打开电源，炉子风扇工作。选好温度给定，必要时用温度微调旋转进行调节。加热指标灯的亮度强弱表示炉子加热电压的大小。以亮渐暗至灭表示灯温已达给定值。炉子的低温控制与此相似。不过它是通过控制固定在炉内温度的。在空气室温较大时应注意液氨喷管外是否结冰，冰有可能阻塞喷口，使液氨无法喷出，炉温无法降温或控温失调。二、测试步骤1、测量试样的宽度和厚度 压制、压注、浇铸的样品，层压板恶化其他板材准确至0.05毫米，软片厚度准确至0.01毫米，薄模厚度准确至0.001毫米。每个试样在有效部分测量三点，取算术平均值，并在试样上轻轻划上有效部分的标线（如图26-

30、19所示）。2、根据不同试样选择合适的夹具，把试样垂直地夹紧。不要太紧以免在夹持处造成伤痕影响拉伸强度，也不要太松弛以免拉伸时发生滑动影响测试。还要注意勿使试样受横向力，防止扭断试样，对脆性的小试样更须小心。如要测量形变时，把形变装置的夹持器夹在试样有效部分划线上。3、根据试样种类按国家标准实验方法中规定的实验速度范围，选择一个合适的拉伸速度。然后在面板上选择号相应的速度给定值。面板如图26-20所示。纵横两排速度选择开关，它们正交对应的速度对照表中所指示的数值就是给定的速度。如表中速度不能满足要求，还可用速度连续调节旋钮来调节，使其达到所需要的任选速度值。4、检查一遍试验要求的条件：温度、速

31、度是否正确，记录仪，测力系统是否准备停当。一切就绪才能开始试验。试验时如装有测形变装置将记录仪接通Y-X通路，无测形变装置记录仪接Y-T通道，如只测一个最大抗拉强度可只用Y通道。试验时，开动试验速度下行按钮，这时主机横梁即按给定速度向下移动，开始拉伸试样，直到试样断裂为止。试样断裂后可自动停机也可手动停机。这时在记录仪上面画出Y-X（载荷时间）曲线，或载荷直线。数据处理一、 拉伸试验中得到的数据如下：(一)试样的初始尺寸 有效部分长度Lo,试样厚度d,试样有效部分宽度b。 （二）一张拉伸记录曲线（Y-X,Y-T,Y三者之一），如图26-21所示。 二、抗拉强度的计算：（公斤/厘米2）其中P是最

32、大破坏载荷（公斤），由于不同材料拉伸时断裂点的载荷可能小于屈服点载荷，也可能大于屈服点载荷。因此计算抗拉强度时所指的是最大破坏载荷，不一定是断裂点的载荷，而是应力应变曲线上最大应力点的载荷。三、断裂伸长率： x100%其中Lo是试样初始有效长度，L是试样断裂时标线间的距离。（LLo）=,是试样拉伸至断裂时的总伸长值，可以从载荷变形（Y-X）曲线上直接读出，也可以从载荷时间(Y-T)曲线上近似计算出来。计算方法如下：其中s 是开始拉伸到断裂时记录纸上走过的长度（距离），是记录仪走纸速度，是拉力机拉伸试样的速度。注意这样计算出来的形变值是上下夹具间的伸长值而不是试样有效部分的形变值，形变不太大时可

33、以近似相等。四、起始弹性模量： （公斤/厘米2）其中分别是比例极限点以内任意一点的应力与应变，如图26-9所示。直接从Y-X曲线上求此更方便：五、拉伸试验结果的讨论（一）关于抗张强度用上式计算抗张强度显然有个假设，即拉伸过程中试样的横切面积不变。严格说来这是不可能的。总所周知。试样轴向被拉长，径向必然会相应收缩，只是各种材料收缩的程度不同。如果假设试样拉伸时体积不变（此材料的伯松比v=0.5），可以得到如下：故 显然，只有当时（即拉长很小很小时），脆性材料可近似这种情况，因此上式的计算结果只有这时才比较正确。当伸长较大时，较大，上式计算结果就有相当大的偏差。假设拉伸试样均匀伸长50（0.5Lo

34、），那么上式的计算结果就比真实值小一倍。因此，伸长较大时上式计算的抗张强度时相当不正确的。拉伸时的实际情况是相当复杂的。拉伸时在有效部分的伸长并不一定均匀，可能出现细颈。断裂时横断面积在不断改变，断裂瞬时的横截面面积测定很困难。即使均匀伸长，各种材料并非体积保持不变，因此也不能简单按上述方法校正，故目前仍有用上式计算抗张强度。此外，上式中P指的是最大破坏载荷，有时是屈服点载荷，有时是断裂点载荷。因此上式计算出来的抗张强度物理意义并不明确。根据以上的讨论可以看出，上式可以得到的抗张强度只有工程意义。（二）关于材料的模量 计算得到的起始弹性模量，物理意义是比较明确的。因为拉伸开始时，形变量很小，应

35、变与应力成正比，材料呈现理想弹性体，拉伸行为符合虎克定律，应力与应变之比即是弹性模量。当然，应力应变曲线上任意一点对应的应力与应变之比也是该时刻的弹性模量，但它是在不断变化的，没有相互比较的意义。我们知道只需要求出了弹性模量E，又知道材料的伯松比v，就可以知道求出它的另两个材料常数：剪切模量G和本体模量K。其中v是伯松比；P、是比例极限内某点的载荷和伸长值，可由Y-X或Y-T拉伸记录曲线上求得；Lo、 b、d是试样的有效部分未拉伸时的长、宽、厚。（三）关于屈服强度 绝大多数聚合物在一定的温度和应变速率范围内都可以出现屈服现象。一般屈服时都会出现拉伸紧缩现象。作为结构材料的聚合物屈服点是它使用的

36、最大极限，因此有重要实际意义。近二十年来许多人做了不少研究，提出了各种屈服判决和解释。但是屈服强烈地依赖于温度和应变速率，在我们实验规定的温度和拉伸速度条件下不一定各种聚合物都会出现屈服现象。所以常规拉伸时不要求屈服数据。如果在此条件下出现屈服现象，可以计算它的拉伸屈服强度和屈服伸长率。压缩试验原理一、塑料压缩强度的定义（一）压缩强度 工程上的压缩强度是指在试样上施加压缩载荷使其破坏时单位面积上所能承受的载荷：（公斤/厘米2）式中：P是试样压缩破坏载荷，对脆性材料是破裂时的载荷，对非脆性材料是屈服点载荷；是试样初始横截面积。（二）压缩弹性模量 与拉伸弹性模量相似，压缩弹性模量是指在比例极限范围

37、内，任一点的应力与应变之比： （2622）其中是压缩应力应变曲线上比例极限范围内某一点的应力与应变。二、影响实验结果的因素 （一）试样的形状和尺寸1、 试样的形状一般以成型和加工方便、实验中不失稳为宜。一般板材多采用长方体，模制样品均采用圆柱体。2、 试样高度 实验表明，试样高度在1.75厘米至3.0厘米之间对压缩强度影响不大。在1.75厘米以下有显著影响，随试样高度增加其压缩强度下降。这可能是因试样上下端面与压板间的摩擦力妨碍了试样压缩时的横向扩张和产生纵向裂纹，使测定值增高。试样高度增大时，这种约束力对试样中部的横向扩张影响小，使测定值偏低。如果在试样上下端面与压板之间上润滑剂使摩擦力减小

38、，的确会使压缩强度降低。因此在国家标准方法中试样高度规定为20毫米。3、 平行度 试样上下端面必须平行并与各侧面垂直，否则会影响测试结果。这是因为压缩载荷不能均匀作用在试样各部分，使试样某些局部应力集中造成破坏而影响测试结果。（二）实验速度的影响 实验速度对压缩强度影响很大。这与拉伸等其它力学测试情况完全一样，这里不在叙述。为了便于相互比较，国家标准方法中规定压缩实验速度为52毫米/分。实验步骤一、 实验准备（一） 试样 试样的制备和预处理与拉伸实验相同。（二） 仪器 压缩实验也是用拉力实验机进行，如果不能直接压缩，一般可以加一个换向器夹持器，如图（2622）所示。二、 测试步骤（一） 测量试

39、样尺寸，准确至0.005毫米，至少测量三点，取算术平均值（不测高度）。（二） 将试样放在压板中心，以规定实验速度施加压缩载荷，试样屈服或破裂后即停止加载。所得YT（载荷时间）曲线与拉伸曲线（见图2622）相似。数据处理首先从YT曲线上读出最大破坏（屈服或破裂）载荷，再根据上面介绍的方法求出比例极限点以内某点的应力和应变。根据（2621）式算出压缩强度。由（2622）式求出压缩弹性模量（注意，压缩弹性模量不是本体模量也不是杨氏模量）。静弯曲实验原理一、 塑料静弯曲强度的定义塑料的静弯曲强度是指用支梁法如图2623（1）所示，将试样放在两个支点上，在两支点中间施加集中载荷，使试样变形直至破坏时的强

40、度。对非脆性材料，当载荷达到一定值时会出现屈服现象，这时的载荷也叫破坏载荷，其强度也称为静弯曲屈服强度。 （2623）其中P是破坏载荷（破裂或屈服载荷），L是实验跨度即两支点间的距离，b、d是试样的宽度和厚度。 弯曲模量是指材料在比例极限内，弯曲应力与应变的比值： （2624）其中是试样在施加载荷时所对应的应变（挠度）。 弯曲强度严格讲应指纯弯曲下的强度，但简支梁“三点式”加载法是存在剪切力影响的，为了解决这个问题，有人提出了“四点式”加载法。这两种加载方式的弯矩，剪力定性分析如图2623所示。可见“四点式”加载法试样的中间部分为纯弯曲而无剪切力的影响。但实际试验中加载均衡有困难，因此目前仍都

41、采用“三点式”加载法。二、 影响实验结果的主要因素 （一）试样尺寸的影响 试样的厚度与宽度对结果影响不大。试样的机械加工面对结果有影响。因此，尽量不要采用双面加工的方法，而采用单面加工的方法来制作试样。实验时加工面朝上压头，即可基本消除加工影响。 （二）上压头圆弧半径的影响 在规定的实验条件下改变上压头圆弧半径对结果影响不大。规定上压头圆弧半径的目的是为实验中试样不产生明显压痕。在小跨度试验时如上压头圆弧太大，会增加剪切力的影响。(一) 弯曲上压头（或2）毫米，=2毫米。(二) 实验跨度L=10d0.5毫米。(三) 实验速度V=13d毫米/分。三、测试步骤（一） 测量试样中间部位的宽度和厚度，

42、宽度准确至0.05毫米，厚度准确至0.01毫米，各测量三点取其算术平均值。（二） 在拉力实验机上，装上换向器（入图2622）和弯曲夹持器、上压头。调节好实验跨度（L），放置好试样，加工面朝上。入图2625所示。（三） 按选好的实验速度加载实验。在记录仪上记录YT（载荷时间）曲线。待试样断裂或屈服马上停车。防止换向器与弯曲夹持器行程到底。实验中注意检查跨度是否改变，如果改变此次实验作废。其YT曲线与拉伸实验相似。 数据处理 按前面介绍的方法在YT曲线上读出破坏或屈服载荷（P），计算出此比例极限区某点的载荷有饶度（），根据（2623）式计算材料的弯曲模量。 剪切实验原理一、 剪切与剪切强度（一）剪

43、切力的分析 在拉伸实验的应力分析中已指出，在外力下物体内部一体积元上产生的应力可分解成九个应力分量，其中有六个是剪切应力分量见（261）式和（262）式。由于剪切应力分量是对称张量，故只有三个独立剪切分量，可表示成： = 或 同时，剪切应力张量是使物体体积不变而形状改变的应力张量。因此物体在剪切应力作用下很容易发生形变。对在工程构件中作为结构材料、的塑料来说，受剪切应力的作用很容易发生形变、破坏，所以塑料的的抗剪切强度的一个重要的材料性能。在实际工程构件中，许多零件和部件是在承受剪切力作用下工作的，其形变也主要是剪切形变，如图2626所示。这实际是一种简单剪切，它只有一对剪切应力分量：。其余的

44、所有应力分量都为零。正是由于这一对剪切应力分量的作用，使剪切带变形，造成构件的破坏。（二）剪切强度 试样在剪切应力作用下破坏时单位面积上所能承受的载荷值叫剪切强度。实际就是此时的。根据实验时加载方式不同，剪切强度计算公式如下： 单面剪切强度 （2626）双面剪切强度 （2627）其中P是最大破坏载荷，b、L分别是试样剪切面的宽度和长度。二、 剪切方式和试样形状的选择剪切实验中，剪切方式和试样形状是比较多的。根据材料实际应用的要求，剪切试样的形状和受力方式有单位拉伸剪切、单面压缩剪切、双面压缩剪切和纯剪切等几种。如图2627所示。其中（1），（2），（3），（4）适用于层压材料剪切实验；（5）适

45、用于粘接材料剪切实验；（6）适用于均质材料（如各种热塑性塑料）和层压材料间剪切实验。试样形状和受力方式不同，剪切强度有明显的差别。其主要原因如下：（一） 不同试样在不同受力情况下其剪切面上的应力分布不同。在理想情况下，试样测试剪切面上的应力，应该只存在剪切应力，且分布应是均匀的。但实际所用的各种类型的剪切试样在剪切面上都存在不同程度的应力集中现象，还存在或大或小的法向应力。图2628是三种受力情况下的剪切面内的应力分布情况。可见纯双面剪切试样剪切面上剪切应力的的分布比较均匀，单面压缩次之，单位拉伸剪切最不均匀。应力集中就会造成试样在此破坏，使测试结果偏低。实验结果也证明同种材料的剪切强度，单面

46、拉伸剪切最小单面压缩剪切次之，纯双面剪切最大。（二） 加载方式不同所引起的附加力矩不同。这种附加力矩使试样发生转动冒失剪切受力面产生法向应力致使测试结果偏底。由于施于物体上的剪切外力是一对方向相反又不在同一直线（或平面）上，剪切面无论怎样薄总有一厚度，即两个相反方向的外力之间总有一段距离，因此产生力矩是必然的。不同的实验方法使这种力矩产生的试样转动限制不同。在纯双面剪切中两个方向相反的力矩相互抵消，使试样不会转动，法向应力最小，测试结果最大，重复性也较好，目前采用较多。在图2627中（5）表示的单面压缩剪切中，这种力矩是由夹具来支承，但试样受力形变时与夹具支承面的摩擦力约占破坏载荷的10%左右

47、，因此测试结果会偏底。图2627（1）、（2）表示的单位面拉伸剪切中，这种力矩使试样转动，法向力最大，测试结果最小。除塑料或金属粘接材料剪切强度测试方法与此相似外，实际中很少应用。（三） 实验速度的选择与拉伸、压缩等实验一样，实验速度对剪切强度也有一定影响。影响大小与材料的结构性质有关。因此选择实验速度须考虑到材料的特点。一般选在25毫米/分以下，不能太快，大小可参考表262。表262 不同材料剪切实验速度适用材料范围 实验速度（毫米/分）层压材料 610均质热塑性材料 7粘接材料 1025实验步骤一、 试样准备1、 根据选择的剪切方式，按规定尺寸形状制作试样。并根据力学测试要求进行预处理。2

48、、 测量剪切面的尺寸，长、厚、宽均准确至0.05毫米。3、 每组试样不少于5个。二、 测试1、 根据剪切方式在拉力实验机上装好拉伸或压缩夹具，调节好测力系统（用YT通道记录）及选好实验速度。2、 用必要的剪切专用辅助夹具将样品固定在拉力实验机的拉伸或压缩夹具上。注意不要使试样受扭力。3、 以选好的给定实验速度开始加载实验。在记录仪上画出与拉伸实验相似的YT（载荷时间）曲线，出现破坏或屈服时即停止加载。4、 按（2626式）或（2627）式计算剪切强度。根据计算起始弹性模量的方法可以求出剪切模量G、由（2620）式可求出材料的泊松比。 冲击实验原理一、 冲击实验的性质和种类冲击实验是用来量度材料

49、在高速冲击状态下的韧性或对断裂的抵抗能力的。对研究塑料在经受冲击载荷时的力学行为有一定的实际意义。一般冲击实验采用以下三种方法：（一）摆锤式冲击弯曲实验，包括简支梁型（国外称Charpy 法）和悬臂梁型（lzod法）。这两种方法（见图2629）都是将试样放在冲击上规定的位置上，然后使摆锤自由落下，试样受到冲击弯曲的力，冲断试样时所消耗的功除以冲击面积（试样横切面积），就得到单位面积上抗冲击弯曲的功，称为冲击强度，单位为：公斤厘米/厘米。 这种冲击力实验方法仪器简单，操作方便，在生产和科研部门广泛采用。尽管这种方法应用普偏，但目前认为其结果数据并没有确切的物理意义，只能在工业上作为材料冲击韧性的

50、粗约估计。这是因为所测出的能量并不是真正完全用于使式样断裂的能量。摆锤式冲击方法中，击短式样所耗的功，包括以下几方面的能量：使式样产生裂痕的能量和裂痕在式样中传播的能量；使式样产生永久变形的能量；式样断裂后产生的（“飞出功”）等等。因此，这种方法测得的抗冲强度并不完全表示塑性韧性。冽如 ：对聚甲基丙烯酸甲酯来说，飞出功占消耗能量的50 %左右，而且，对同一跨度来说，式样越厚，飞出功越大。因此，同样的材料而厚度不同的式样作冲击试验时，厚度越大的式样，测得的冲击强度一般也越大。此外，式样本身的取向，缺口半径等对测试结果也有很大的影响。（二） 落球式冲击试验 这种方法如图26-30所示。他可测出式样

51、刚好形成裂纹而不是把式样完全打断的能量，即球的重量和它下落高度的乘积。这种功消除了“非出功”的影响，和实际应用的情况也较相近。但是这种方法也有其缺点，因不同材料产生裂痕所需要的能量不同，试验时，如果球的重量不变，这需在不同的高度下进行试验。因此不同材料的落球速度下进行比较的，而冲击速度对材料的冲击强度有很大影响。当然，也可以采用落下高度一定，改变落球重量的方法进行试验，这样可保持冲击速度一定。此外，落球冲击试验时，式样的数目较多，式样也较麻烦。总之，落球法是不太方便的，且只适用于板块材料。（三）高速拉伸冲击试验 在高速（500毫米/分）情况下拉伸试样，电子拉力机记下YT曲线，转换应力应变曲线，

52、计算此曲线下的面积就是试样冲击破例时所需的能量。以此来衡量材料的冲击韧性是比较好的方法。在高速拉伸冲击试验中，可以单独测量出高速拉伸时的断裂强度与断裂伸长率。这一点在一般冲击试验方法中是无法单独测量的。因此，可以根据断裂伸长率，断裂强度和应力应变曲线下的面积这三者来判断材料的冲击性能，把强度和韧性二者区别开来。对于那些断裂所需能量（冲击强度）相近的材料，应该断裂强度大同时断裂伸长率较高的材料才是冲击性能好的材料。但是，这种方法对拉力机要求较高。这方面的工作也还待进一步研究。二、摆锤式冲击实验机的基本原理摆锤冲击实验机的基本构造三部分，即机架部分、摆锤冲击部分和指示系统部分。其基本原理是把摆锤抬

53、高置挂于机架的杨臂上以后，此时扬角为，如图2631所示。它便获得了一定的位能。当摆锤自由落下，则位能转化为动能将式样冲断。冲断实验后，摆锤仍以剩余能量升到某一高度，升角为，在整个冲击试验过程中，按照能量守恒原则写成如下关系： （2628）式中：W是冲击锤重量，L是冲击锤的摆长，是冲击锤冲击前的杨角，是冲断式样之后冲锤的升角，A是冲断试样所消耗的功，A是摆锤在角段内克服空气阻力所消耗的功，A是摆锤在角段内克服阻力所消耗的功，而是试样断裂时飞出部分所具有的能量。通常（2628式中后面三项）都可忽略不计。这样冲断试样时所消耗的功为： （2629）在上式中除外均为已知数，因此根据摆锤冲断试样后的升角的大小，即可绘出读书盘，由读书盘可直接读出冲断试样时所消耗的功的数值。必须指出，一般由实验机读数盘读出的数值中包