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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
