第三章 聚合物的力学性能
实验九 电子拉力机测定聚合物的应力-应变曲线
聚合物材料的拉伸性能是其力学性能中最重要、最基本的性能之一，在拉伸力的作用下，应力-应变测试成为聚合物力学实验中使用最广泛的一种。聚合物的应力-应变曲线可以提供力学行为的很多重要参数（杨氏模量、屈服应力、屈服伸长率、断裂应力、断裂伸长率、拉伸强度、拉伸断裂能等），用于评价材料抵抗载荷、抵抗形变及吸收能量的特性，为质量控制、研究开发、工程设计等提供参考。
一、实验目的与要求
1.熟悉聚合物材料拉伸性能测试标准条件和测试原理。
2.了解测试条件对测定结果的影响。
3.掌握塑料拉伸强度的测定方法。
二、实验原理
拉伸实验是在规定的实验温度、实验速度和湿度条件下，对标准试样沿其纵轴方向施加拉伸载荷，直到试样被拉断为止。拉伸时，试样在纵轴方向所受到的力称为表观应力σ（MPa）。
σ=P/A0 （3-1）
式中，P为拉伸载荷；A0为试样的初始截面。试样的伸长率即应变ε（％）为
ε=ΔL/L0 （3-2）
式中，L0为试样标定线间的初始长度；ΔL为拉伸后标定线长度的变化量。
聚合物的拉伸性能可通过其应力-应变曲线（σ-ε曲线）来分析，典型的聚合物拉伸应力-应变曲线如图3-1所示。在应力-应变曲线上，以屈服点Y为界划分为两个区域：屈服点之前是弹性区，即除去应力后材料能恢复原状，并在大部分该区域内符合虎克定律；屈服点之后是塑性区，即材料产生永久性变形，不再恢复原状。通过聚合物的拉伸应力-应变曲线可以获得聚合物的相关力学性能参数，如杨氏模量（曲线初始直线的斜率）、屈服强度（Y点对应的应力）、屈服伸长率（Y点对应的应变）、断裂强度（B点对应的应力）、断裂伸长率（B点对应的应变）、拉伸强度（曲线中应力最大值）以及拉伸断裂能（曲线下的面积）。
图3-1 典型聚合物拉伸应力-应变曲线
Y为屈服点，B为断裂点
根据拉伸过程中屈服点的表现，伸长率的大小以及其断裂情况，应力-应变曲线大致可分为如图3-2所示的五种类型：①硬而脆，如硬而脆的PS、PMMA和酚醛树脂等，它们模量高，拉伸强度非常大，没有屈服点，断裂伸长率一般不超过2％；②硬而强，如硬质PVC等，它们高模量，高强度，有屈服，断裂伸长率约5％；③强而韧，如尼龙66、聚甲醛等，它们强度高，断裂伸长率大，拉伸过程中有明显的细颈；④软而韧，如橡胶和增塑PVC等，它们模量低，屈服强度低或没有明显的屈服点，断裂伸长率大，断裂强度较高；⑤软而弱，如柔软的凝胶，由于强度极低，很少用作材料使用。
图3-2 五种类型聚合物拉伸应力-应变曲线图
①硬而脆；②硬而强；③强而韧；④软而韧；⑤软而弱
对于形变很大的聚合物材料，由于拉伸过程中试样的截面积发生变化。从σ-ε曲线直接得到的标称拉伸力学性能已经不符合实际情况。故必须转化成真应力和真应变，以求得真实拉伸力学性能。
真应力σ'为：
σ'=P/A （3-3）
式中，P为拉伸载荷，N；A为试样的瞬时截面积，mm2。
如果与之相应时刻内，试样的标线长度由L被拉伸为L+dL，则真应变δ为：
假定试样在大形变时体积不变，即AL=A0L0，则真应力可表示为：
真应变δ和真应力σ'可由标称应变ε和标称应力σ通过式（3-4）和式（3-5）求得。
在实际拉伸过程中，试样的截面积A的变化更为复杂多样。有的试样会均匀地逐渐变细，而有些则突然变细成颈。以后截面积A基本保持不变。只是细颈进一步伸长，直到被拉伸为止，这被称为“冷拉”现象。
三、实验仪器与试样
（1）仪器：电子拉力机（深圳新三思公司生产）、游标卡尺、直尺。
（2）试样：聚丙烯（PP），聚苯乙烯（PS）。
电子拉力机测试主体结构示意图，如图3-3所示。
图3-3 电子拉力机测试主体结构示意图
1—限位螺钉；2—位移引伸仪；3—标尺；4—横梁；5—横梁控制开关；6—传感器；7—夹具；8—紧急制动开关；9—打印机；10—计算机；11—键盘；12—计算机主机
四、实验步骤
①试样制备。
a.试样形状。拉伸试样共有4种类型：Ⅰ型试样（双铲形），见图3-4；Ⅱ型试样（哑铃形），见图3-5，Ⅲ型试样（8字形），见图3-6，Ⅳ型试样（长条形），见图3-7。
图3-4 Ⅰ型试样
图3-5 Ⅱ型试样
图3-6 Ⅲ型试样
图3-7 Ⅳ型试样
b.试样尺寸规格。不同类型的样条有不同的尺寸公差，具体见表3-1～表3-4。
表3-1 Ⅰ型试样尺寸公差
表3-2 Ⅱ型试样尺寸公差
表3-3 Ⅲ型试样尺寸公差
表3-4 Ⅳ型试样尺寸公差
c.拉伸时速度的设定。塑料属黏弹性材料，它的应力松弛过程与变形速率紧密相关，应力松弛需要一个时间过程。当低速拉伸时，分子链来得及位移、重排，呈现韧性行为。表现为拉伸强度减少，而断裂伸长率增大。高速拉伸时，高分子链段的运动跟不上外力作用速度，呈现脆性行为。表现为拉伸强度增大，断裂伸长率减少。由于塑料品种繁多，不同品种的塑料对拉伸速度的敏感程度不同。硬而脆的塑料对拉伸比较敏感，一般采用较低的拉伸速度。韧性塑料对拉伸速度的敏感性较小，一般采用较高的拉伸速度。
对于拉伸实验方法，国家标准规定的实验速度范围为1～500mm/min，分为9种速度，见表3-5和表3-6。
表3-5 拉伸速度范围
表3-6 不同塑料优选的试样类型及相关条件
②调换和安装拉伸实验用夹具。
③设定实验条件。实验方式，单向拉伸实验；实验速度10mm/min。
④键入样品参数。样品标定线间距25mm；编号；样品厚度________mm；样品宽度________mm。
⑤检查屏幕显示的实验条件，样品参数。如有不适合之处可以修改。确认无误之后，按开始键开始实验。横梁以恒定的速度开始移动。仔细观察试样在拉伸过程中的变化，直到拉断为止。
五、数据处理
①根据电子拉力机绘出的PS、PP拉伸曲线，比较和鉴别它们的性能特征。
②分别计算PS、PP样品的杨氏模量、屈服强度与屈服伸长率、断裂强度与断裂伸长率、拉伸强度。
③根据PP的载荷-伸长曲线、逐点计算σ'和δ，将计算结果绘制成σ'-δ曲线。
六、思考题
1.改变试样的拉伸速率会对实验产生什么影响？
2.在实验过程中，试样的截面积变化会对最终谱图产生什么影响？你认为在现有的实验条件下能否真实地获得或通过计算获得瞬时的截面积？