实验1 高分子材料拉伸强度及断裂伸长率测定
一、实验目的
通过实验了解聚合物材料应力—应变曲线特点、试验速度对应力—应变曲线的影响、拉伸强度及断裂伸长率的意义，熟悉它们的测试方法；并通过测试应力—应变曲线来判断不同聚合物的力学性能。
二、实验原理
为了评价聚合物材料的力学性能，通常用等速施力下所获得的应力—应变曲线来进行描述。所谓应力是指拉伸力引起的在试样内部单位截面上产生的内力；而应变是指试样在外力作用下发生形变时，相对其原尺寸的相对形变量。不同种类聚合物有不同的应力—应变曲线。
等速条件下，无定形聚合物典型的应力—应变曲线如图1所示。图中的α点为弹性极限，σα为弹性（比例）极限强度，εα为弹性极限伸长。在α点前，应力—应变服从虎克定律：
σ=Έε
式中
σ——应力，MPa；
ε——应变，%；
Ε——弹性（杨氏）模量（曲线的斜率），MP 。
曲线斜率E反映材料的硬性。Y称屈服点，对应的σy和εy称屈服强度和屈服伸长。材
料屈服后，可在t点处，也可在t′点处断裂。因而视情况，材料断裂强度可大于或小于屈服强度。εt（或εt′）称断裂伸长率，反映材料的延伸性。
从曲线的形状以及σt和εt的大小，可以看出材料的性能，并借以判断它的应用范围。如从σt的大小，可以判断材料的强与弱；而从εt的大小，更正确地讲是从曲线下的面积大
小，可判断材料的脆性与韧性。从微观结构看，在外力的作用下，聚合物产生大分子链的运动，包括分子内的键长、键角变化，分子链段的运动，以及分子间的相对位移。沿力方向的整体运动（伸长）是通过上述各种运动来达到的。由键长、键角产生的形变较小（普弹形变），而链段运动和分子间的相对位移（塑性流动）产生的形变较大。材料在拉伸到破坏时，链段运动或分子位移基本上仍不能发生，或只是很小，此时材料就脆。若达到一定负荷，可以克服链段运动及分子位移所需要的能量，这些运动就能发生，形变就大，材料就韧。如果要使材料产生链段运动用分子位移所需要的负荷较大，材料就较强及硬。
图1 无定形聚合物的应力—应变曲线图2 结晶型聚合物的应力—应变曲线
结晶性高聚物的应力—应变曲线分三个区域，如图2所示。
（1）OC段曲线的起始部分，近似直线，属普弹性变形，是由于分子的键长、键角以及原子间的距离改变所引起的，其形变是可逆的，应力与应变之间服从胡克定律。。
（2）微晶在c点以后将出现取向或熔解，然后沿力场方向进行重排或重结晶，故σc称
重结晶强度，它同时也是材料“屈服”的反映。从宏观上看，材料在c点将出现细颈，出现细颈现象的本质是分子在该处发生取向结晶，使该处强度增大。随着拉伸的进行，细颈不断发展，至d点细颈发展完全，此阶段应力几乎不变，而变形增加很大。
（3）dt段被均匀拉细后的试样，分子进一步取向，应力随应变的增大而增大，直到断裂点t，试样被拉断，t点的应力称为强度极限，即抗拉强度或断裂强度σ，是材料重要的质量指标，其计算公式为：
σ=P/（b×d） (MPa)
式中P——最大破坏载荷，N；
b——试样宽度，mm；
d——试样厚度，mm；
断裂伸长率ε是试样断裂时的相对伸长率，ε按下式计算：
ε=（F-G）/G×100%
式中G——试样标线间的距离，mm；
F——试样断裂时标线间的距离，mm。
对于结晶聚合物，当结晶度非常高时（尤其当晶相为大的球晶时），会出现聚合物脆性断裂的特征。总之，当聚合物的结晶度增加时，模量将增加，屈服强度和断裂强度也增加，但屈服形变和断裂形变却减小。
聚合物晶相的形态和尺寸对材料的性能影响也很大。同样的结晶度，如果晶相是由很大的球晶组成，则材料表现出低强度、高脆性倾向。如果晶相是由很多的微晶组成，则材料的性能有相反的特征。
另外，聚合物分子链间的化学交联对材料的力学性能也有很大的影响。这是因为有化学交联时，聚合物分子链之间不可能发生滑移，粘流态消失。当交联密度增加时，对于T g以上的橡胶态聚合物来说，其抗张强度增加，模量增加，断裂伸长率下降。交联度很高时，聚合物成为三维网状链的刚硬结构。因此，只有在适当的交联度时抗张强度才有最大值。
综上所述，材料的组成、化学结构及聚集态结构都会对应力与应变产生影响。即使是同一品种，由于它们的交联度、结晶度、增塑剂含量及分子量的大小不同而表现出不同的结果。另，不同的测定条件（试验温度和试验速度）对聚合物应力—应变曲线也有很大的影响。塑料属于粘弹性材料，它的力学松弛过程不仅与试验温度有关，且与时间即试验速度有关。当升高温度时，分子链段的热运动增加，松弛过程进行得较快，在拉伸试验中就表现出较大的变形和较低的强度。而当减慢拉伸速度时，使外力作用时间延长，即松弛过程进行得较快，在拉伸试验中就表现出较大的变形和较低的强度。但不同的塑料其影响程度不同。
归纳各种不同类聚合物的应力—应变曲线，主要有以下5种类型，如图3所示。
应力—应变实验所得的数据也与温度、湿度、拉伸速度有关。因此，应规定一定的测试条件。
图3 5种类型聚合物的应力—应变曲线
（a）软而弱；（b）硬而脆；（c）硬而强；（d）软而韧；（e）硬而韧
三、实验仪器、用具及试样
1、采用承德精密试验机有限公司生产的WDT-20KN电子式万能材料试验机。电子式万能材料试验机整机示意图见图4。
2、游标卡尺一把。
3、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）、无定形聚苯乙烯（PS）标准试样，拉伸样条的形状（双铲型）如图5所示。试样表面应平整，无气泡、裂纹、分层及机械加工损伤等缺陷。
L——总长度（最小），150mm；
b——试样中间平行部分宽度，10±0.2mm；
C——夹具间距离，115mm；
d——试样厚度，2~10mm；
G——试样有效距离，50±0.5mm；
h——试样端部宽度，20±0.2mm；
R——半径，60mm。
