高物实验-应力应变

课程名称：高分子物理实验实验名称：PC材料的应力-应变曲线的测定

一、实验目的和要求 三、主要仪器设备 五、实验数据记录和实验结果

学号： 3110103529 日期： 2013年11月1日 地点：教十-3007 二、实验内容和原理 四、操作方法和实验步骤 六、讨论、心得

一、 实验目的和要求

1、掌握Zwick/Roell Z020万能材料试验机的使用。

2、通过拉伸测定高分子材料拉伸应力-应变曲线及弹性模量，从而求得描述该材料力学行为的基本

装订线物理量。

3、通过对聚合物断裂时的参数的测定得到材料拉伸强度。

二、 实验内容和原理

在较大外力的持续作用或强大外力的短期作用下，材料将发生大形变直至宏观破坏或断裂，对这种破坏或断裂的抵抗能力称为强度。材料断裂的方式与其形变性质有着密切的关系。脆性断裂是缺陷的快速扩展到结果，韧性断裂是屈服后的断裂。高分子材料的屈服实际是材料在外力作用下产生的塑性形变。

为了有效的利用材料或对材料进行改性，需要具体了解材料的各项力学性能指标：杨氏模量、屈服模量、屈服伸长、断裂强度、断裂伸长、断裂能等，还要必须深入研究屈服和断裂过程的物理本质。

1、聚合物的应力-应变行为

应力-应变实验是一种使用最广泛的、非常重要而又实用的力学实验。

实验通常在拉力F的作用下，试样（如图1所示）沿纵轴方向以均匀的速率被拉伸，直到断裂为止。实验时，测量加于试样上的载荷和相应标线间长度的改变（lll0）。如果试样的初始截面积为A0，标距的原长为

l0，那么应力和应变分别由下式表示：

2、非晶态聚合物 F A0l l0图1 拉伸试样示意图 本实验中使用的PVC材料属于非晶态聚合物。非晶态聚合物当温度在Tg以下几十度、以一定速率被单轴拉伸时，其典型的应力-应变曲线如图2所示。

以屈服点为界，曲线分为两个部分：Y点以前是弹性区域，试样呈现虎克弹性行为，除去应力后应

变可恢复；Y点以后为塑性区域，试样呈现塑性行为，除去应力后应变不能恢复。塑性形变只有在Tg以上将试样进行退火处理方能恢复。Y点就是所谓的屈服点。

屈服点以前，试样被均匀拉伸，到达屈服点时，试样截面突然变得不均匀，出现“细颈”，改点对应的应力和应变称为屈服应力和屈服应变。Y点后，应力随应变增加有所降低，称为“应变软化”，随后进入应力

图2 非晶态聚合物典型的拉伸应力-应变曲线示意图 其应变称为断裂伸长率B。

材料的杨氏模量E是指应力-应变曲线起始部分的斜率。

基本不变的“缩颈阶段”；最后，应力急剧增加直至B点，材料发生断裂，相应于B点的应力称为断裂强度B，

Etan/

3、应力-应变曲线的类型

应力-应变曲线大致分为五类，如下图所示：

图3 聚合物的五种类型应力-应变曲线

4、聚合物的断裂与强度

聚合物材料在各种使用条件下所能表现出的强度和对抗破坏的能力是其力学性能的重要方面。当材料所受的外力超过其承受能力时，材料就被破坏。机械强度是材料抵抗外力破坏的能力。拉伸强度是在规定的实验温度、湿度和实验速度下，在标准试样上延轴向施加拉伸载荷直至断裂前试样承受最大载荷P与试样横截面（宽度b和厚度d的乘积）的比值通常用σt表示，即

Ptbd 其单位为牛顿/米2，N/m2或Pa。 拉伸实验的示意图如图4所示。

试样宽度在拉伸过程中是随试样的伸长而逐渐减小的，但在工程上一般采用其实尺寸来计算拉伸强度。有由于整个拉伸过程中，聚合物的应力和应变的关系不是线性的，只有当变形很小时，才可视为虎克弹性体。因此，拉伸模量（即杨氏模量）通常由拉伸初始阶段图4 拉伸实验示意图 的应力与应变比例计算，即

E)bP/(bdl/l

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三、 主要仪器设备

实验的主要仪器是Zwick/Roell Z020万能材料试验机，其主要技术指标如下：

主机最大负荷：20kN. 2.5kN 测试速度：0.0005~1000mm/min 引伸计标距：10~1000mm 测试温度：-70~250℃

其主要附件如下：

带引伸计的拉伸装置 压缩装置 三点弯曲装置 高低温箱

实验材料为六块哑铃型的PC（聚碳酸酯）试样。

四、 操作方法和实验步骤

1、开启计算机和万能材料试验机，设置预载为1N，并设定弹性模量测试速度。 2、量取每个哑铃状试样拉伸区的厚度和宽度，编号并记录。

3、将试样夹持到万能材料试验机上（注意试样中心与夹具中心重合，并先夹上端，对传感器示数清零后再夹下端），输入该试样的厚度和宽度，并在测量原长的两端点作上标记。

4、开始拉伸，直至将试样拉至断裂。 5、重复步骤3和4，将剩余试样测试完毕。

五、 实验数据记录和实验结果

本实验的原始数据附在实验纸上，所做应力-应变曲线如下图：

所得的各参数的统计结果如下表：

得到试样的平均杨氏模量为EB2420N/mm 平均最大载荷（拉伸强度）为t=59.5MPa 平均断裂伸长率为33.9%

2六、 讨论、心得

1、从应力-应变曲线中可以看出，六条曲线都具有一个相同的趋势，且有一个明显的屈服点，说明

此时材料的塑形形变急剧增加。也可以看出，PC属于强而韧的材料。

2、第一次拉伸试验时由于速度过大，材料的伸展速度过小，导致材料直接被拉断，因此在后续实验中调整速度，得到完整的应力曲线。 3、注意事项：

①装夹试样时，要注意使试样中心夹具的中心重合；

②装试样应先从夹紧上端，在使力传感器示数清零，最后在夹紧下端； 4、心得

通过本次实验，我初步掌握了万能材料试验机操作方法；其次，了解了应力-应变曲线的作用和杨氏模量和断裂伸长率的测试方法，了解了各物理量对材料的意义；最后，对刚性材料的认识也有了更深刻的理解。