化學化工學院材料化學專業實驗報告
實驗名稱：材料力學效能的測試實驗
年級： 10級材料化學日期: 2012-10-25
姓名學號： 2同組人：
一、 預習部分
聚合物材料在拉力作用下的應力-應變測試是一種廣泛使用的最基礎的力學試驗。聚合物的應力-應變曲線提供力學行為的許多重要線索及表徵引數（楊氏模量、屈服應力、屈服伸長率、破壞應力、極限伸長率、斷裂能等）以評價材料抵抗載荷，抵抗變形和吸收能量的性質優劣；從寬廣的試驗溫度和試驗速度範圍內測得的應力-應變曲線有助於判斷聚合物材料的強弱、軟硬、韌脆和粗略估算聚合物所處的狀況與拉伸取向、結晶過程，並為設計和應用部門選用最佳材料提供科學依據。
1、應力—應變曲線
拉伸實驗是最常用的一種力學實驗，由實驗測定的應力應變曲線，可以得出評價材料效能的屈服強度，斷裂強度和斷裂伸長率等表徵引數，不同的高聚物、不同的測定條件，測得的應力—應變曲線是不同的。
應力與應變之間的關係，即：
式中 σ——應力，mpa；
ε——應變，％；
e——彈性模量，mpa；
a為屈服點，a點所對應力叫屈服應力或屈服強度。
的為斷裂點，d點所對應力角斷裂應力或斷裂強度
聚合物在溫度小於tg(非晶態) 下拉伸時，典型的應力-應變曲線(冷拉曲線)如下圖
曲線分以下幾個部分：
oa：應力與應變基本成正比(虎克彈性)。--彈性形變
屈服點b：應力極大值的轉折點，即屈服應力(sy)；屈服應力是結構材料使用的最大應力。--屈服成頸
bc：出現屈服點之後，應力下降階段--應變軟化
cd：細頸的發展，應力不變，應變保持一定的伸長--發展大形變
de：試樣均勻拉伸，應力增大，直到材料斷裂。斷裂時的應力稱斷裂強度( sb )，相應的應變稱為斷裂伸長率(eb) --應變硬化
通常把屈服後產生的形變稱為屈服形變，該形變在斷裂前移去外力，無法復原。但如果將試樣溫度公升到其tg附近，形變又可完全復原，因此它在本質上仍屬高彈形變，並非粘流形變，是由高分子的鏈段運動所引起的。
根據材料的力學效能及其應力-應變曲線特徵，可將應力-應變曲線大致分為六類：
(a)材料硬而脆：在較大應力作用下，材料僅發生較小的應變，在屈服點之前發生斷裂，有高模量和抗張強度，但受力呈脆性斷裂，衝擊強度較差。
(b)材料硬而強：在較大應力作用下，材料發生較小的應變，在屈服點附近斷裂，具高模量和抗張強度。
(c)材料強而韌：具高模量和抗張強度，斷裂伸長率較大，材料受力時，屬韌性斷裂。
(d) 材料軟而韌：模量低，屈服強度低，斷裂伸長率大，斷裂強度較高，可用於要求形變較大的材料。
(e)材料軟而弱：模量低，屈服強度低，中等斷裂伸長率。如未硫化的天然橡膠。
(f)材料弱而脆：一般為低聚物，不能直接用做材料。
注意：材料的強與弱從b比較；硬與軟從e( /e)比較；脆與韌則主要從斷裂伸長率比較。
2、玻璃態高聚物拉伸時曲線發展的幾個階段
(1)屈服區(2)延伸區(3)增強區
3、影響高聚物機械強度的因素
(1)大分子鏈的主價鏈，分子間力以及高分子鏈的柔性等，是決定高聚物機械強度的主要內在因素。
(2)混料及塑化不均, 會產生細紋、凹陷、真空泡等形式留在製品表面或內層。
(3)環境溫度、濕度及拉伸速度等對機械強度有著非常重要的影響 。
4、由於不同的高分子材料，在結構上不同，表現為應力-應變曲線的形狀也不同
目前大致可歸納成5種型別
(a)的特點是軟而弱。拉伸強度低，彈性模量小，且伸長率也不大，如溶脹的凝膠等。
(b)的特點是硬而脆。拉伸強度和彈性模量較大，斷裂伸長率小，如聚苯乙烯等。
(c)的特點是硬而強。拉伸強度和彈性模量大，且有適當的伸長率，如硬聚氯乙烯等。
(d)的特點是軟而韌。斷裂伸長率大，拉伸強度也較高，但彈性模量低，如天然橡膠、順丁橡膠等。
(e)的特點是硬而韌。彈性模量大、拉伸強度和斷裂伸長率也大，如聚對苯二甲酸乙二醇酯、尼龍等。
二、實驗部分
（一）、目的要求
熟悉拉力機（包括電子拉力機）的使用；
測定不同拉伸速度下pe板的應力-應變曲線；
掌握**法求算聚合物材料抗張強度、斷裂伸長率和彈性模量；
二、實驗原理
應力-應變試驗通常實在張力下進行，即將試樣等速拉伸，並同時測定試樣所受的應力和形變值，直至試樣斷裂。
應力是試樣單位面積上所受到的力，可按下式計算：
式中p為最大載荷、斷裂負荷、屈服負荷
b為試樣寬度，m；
d為試樣厚度，m。
應變是試樣受力後發生的相對變形，可按下式計算：
式中i0為試樣原始標線距離，m；i為試樣斷裂時標線距離，m。
應力-應變曲線是從曲線的初始直線部分，按下式計算彈性模量e（mpa，n/m2）：
式中σ為應力；ε為應變。
在等速拉伸時，無定形高聚物的典型應力-應變曲線見圖15-1：
a點為彈性極限，σa為彈性（比例）極限強度，εa為彈性極限伸長率。由0到a點為一直線，應力-應變關係遵循虎克定律σ＝eε，直線斜率e稱為彈性（楊氏模量）。y點為屈服點，對應的σy和εy稱為屈服強度和屈服伸長氯。
材料屈服後可在t點處斷裂，σt、εt為材料的斷裂強度、斷裂伸長率。（材料的斷裂強度可大於或小於屈服強度，視不同材料而定）從σt的大小，可以判斷材料的強與弱，而從εt的大小（從曲線面積的大小）可以判斷材料的脆與韌。
晶態高聚物材料的應力-應變曲線：
在c點以後出現微晶的取向和熔解，然後沿力場方向重排或重結晶，故σc稱重結晶強度。從巨集觀上看，在c點材料出現細頸，隨拉伸的進行，細頸不斷發展，到細頸發展完全後，應力才繼續增大到t點斷裂。
由於高聚物材料的力學試驗受環境濕度和拉伸速度的影響，因此必須在廣泛的溫度和速度範圍內進行。工程上，一般是在規定的濕度、速度下進行，以便比較。
注意：選擇的試樣表面應光滑平整，無氣泡，雜質，機械損傷等。
三、實驗結果分析
cy聚丙烯拉伸試驗資料
從記錄的資料和圖形可得：
抗張強度為18.578mpa，從抗張強度知道此材料是強性材料。
斷裂伸長率為262.83%，從斷裂伸長率的值可以知道材料是屬於韌性的。
彈性模量e=18.57/0.0356=521.63彈性模量較大，所以材料較硬。
由此可見，材料強而韌且硬，具有高模量和抗張強度，斷裂伸長率較大，材料受力時，屬於韌性斷裂。
四、思考題
1、 拉伸速度對實驗結果有何影響？
答：拉伸速度過快將不能真實地測出材料的力學效能；拉伸速度過慢，測量時間將會很長。拉伸曲線的形貌也是會有影響的。
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