材料科学实验讲义(一级实验指导书）250f5y00东华大学材料科学与工程中心实验室汇编
0 (一级实验指导书) 东华大学材料科学与工程中心实验室 汇 编
2009年7月一、实验目的1、掌握塑料、玻璃纤维增强塑料的拉伸试验方法，观察塑料、复合材料拉伸破坏的形式。2、熟悉高聚物材料在一定试验条件下的应力一应变性质。二、实验原理拉伸试验是最基本的一种力学性能试验方法。拉伸试验是指在规定的温度、湿度和拉伸速率下，在试样上沿纵轴方向施加拉伸负荷使其破坏，一般用下列几个方面表示材料的拉伸性能。1、拉伸强度P(1)9,=b.d式中，S：拉伸强度，MPa；P：最大破坏载荷，N；b：试样宽度，mm；d：试样厚度，mm。2、断裂伸长率L-LoALx100%×100%(2)6.=LoLo式中，：断裂伸长率，%：AL：试样断裂时标线间的伸长量，mm；Lo：试样的有效长度，mm。3、拉伸弹性模量E, =_AP/bd(3)AL/L式中，E：拉伸弹性模量，MPa:AP：载荷一变形曲线上初始直线段的载荷增量，N：AL：与载荷增量△P对应的标距LO内的变形增量，mm；G:应力一应变曲线上初始直线段的应力，MPa;6：应力一应变曲线上初始直线段的应变，%。4、泊松比1
1 2009 年 7 月 一、实验目的 1、掌握塑料、玻璃纤维增强塑料的拉伸试验方法，观察塑料、复合材料拉伸破坏 的形式。 2、熟悉高聚物材料在一定试验条件下的应力—应变性质。 二、实验原理 拉伸试验是最基本的一种力学性能试验方法。拉伸试验是指在规定的温度、湿度 和拉伸速率下，在试样上沿纵轴方向施加拉伸负荷使其破坏，一般用下列几个方面表 示材料的拉伸性能。 1、拉伸强度 b d P t = (1) 式中，t：拉伸强度，MPa； P：最大破坏载荷，N； b：试样宽度，mm； d：试样厚度，mm。 2、断裂伸长率 100% 100% 0 0 0 = − = L L L L L t (2) 式中，t：断裂伸长率，%； L：试样断裂时标线间的伸长量，mm； L0：试样的有效长度，mm。 3、拉伸弹性模量 L L0 P bd Et = = (3) 式中，Et：拉伸弹性模量，MPa； P：载荷—变形曲线上初始直线段的载荷增量，N； L：与载荷增量△P 对应的标距 L0 内的变形增量，mm； ：应力—应变曲线上初始直线段的应力，MPa； ：应力—应变曲线上初始直线段的应变，%。 4、泊松比
Y=-22(4)61式中，：泊松比：1、82：分别是载荷增量AP对应的纵向应变和横向应变。NLAL26=LL2式中，L1、L2：分别是纵向和横向的测量标距，mm；ALi、AL2：分别是与载荷增量△P对应的标距Li和L2的变形增量，mm。5、拉伸应力-应变曲线不同高聚物具有不同的应力一应变曲线，典型的应力一应变曲线如图1所示。整条曲线以屈服点A为界分成两部分，A点以前是弹性区域，除去应力，材料能恢复原样，不留任何永久变形，A点过后，材料呈现塑性行为，此时若除去应力，材料不再恢复原样，而留有永久变形，A点即为屈服点，它所对应的应力、应变为屈服应力（或屈服强度）和屈服应变αv。A点以后，材料表现出的总趋势是载荷增加不多或几乎不增加，而形变却增加很多。其中AB段称为应变软化，应变增加应力反而下降，由B点到C点是高聚物特有的颈缩阶段。C点以后应力急剧增加，称为取向硬化。最后在D点断裂，相应于D点的应力称为断裂强度GB。OBTD6A0CBE图1高聚物材料典型的应力-应变曲线由于高聚物材料的品种繁多，它们的应力一应变曲线呈现出复杂情况。若按在拉伸过程中屈服点的表现、伸长率大小及其断裂情况，大致可以分为五种类型。它们是：(1)硬而脆，如聚苯乙烯、有机玻璃和酚醛树脂；(2)硬而韧，如尼龙、聚碳酸酯；(3)硬而强，如不同配方的硬聚氯乙烯和聚苯乙烯的共混物：（4)软而韧，如橡胶、增塑聚氯乙烯：（5)软而弱，如柔软的凝胶，很少用作材料来使用（如图2所示）。2
2 1 2 = − (4) 式中，γ：泊松比； 1、2：分别是载荷增量P 对应的纵向应变和横向应变。 1 1 1 L L = ， 2 2 1 L L = 式中，L1、L2：分别是纵向和横向的测量标距，mm； L1、L2：分别是与载荷增量P 对应的标距 L1 和 L2 的变形增量，mm。 5、拉伸应力-应变曲线 不同高聚物具有不同的应力—应变曲线，典型的应力—应变曲线如图 1 所示。整 条曲线以屈服点 A 为界分成两部分，A 点以前是弹性区域，除去应力，材料能恢复原 样，不留任何永久变形，A 点过后，材料呈现塑性行为，此时若除去应力，材料不再恢 复原样，而留有永久变形，A 点即为屈服点，它所对应的应力、应变为屈服应力 σy(或 屈服强度)和屈服应变 εy。A 点以后，材料表现出的总趋势是载荷增加不多或几乎不增 加，而形变却增加很多。其中 AB 段称为应变软化，应变增加应力反而下降，由 B 点 到 C 点是高聚物特有的颈缩阶段。C 点以后应力急剧增加，称为取向硬化。最后在 D 点断裂，相应于 D 点的应力称为断裂强度 σB。 图1 高聚物材料典型的应力-应变曲线 由于高聚物材料的品种繁多，它们的应力—应变曲线呈现出复杂情况。若按在拉 伸过程中屈服点的表现、伸长率大小及其断裂情况，大致可以分为五种类型。它们是： (1)硬而脆，如聚苯乙烯、有机玻璃和酚醛树脂；(2)硬而韧，如尼龙、聚碳酸酯；(3)硬 而强，如不同配方的硬聚氯乙烯和聚苯乙烯的共混物；(4)软而韧，如橡胶、增塑聚氯 乙烯；(5)软而弱，如柔软的凝胶，很少用作材料来使用(如图 2 所示)
23不车4×5X×5应变图2五种类型的应力一应变曲线1-硬而脆，2-硬而韧，3-硬而强，4-软而韧，5-软而弱由于高聚物材料的粘弹本质，其应力一应变行为明显地受外界条件如试验温度和速率的影响。当试验温度和试验速率改变时，应力一应变曲线可以改变它的类型。所以必须了解高聚物材料在拉伸过程中应力一应变曲线随各种因素变化而变化的情况，再根据使用环境的要求，才能选出合适的材料来进行设计和应用，单一温度或单一速率测得的应力一应变曲线是不能作为设计依据的。三、实验仪器WDW系列微机控制电子万能试验机(长春科新试验仪器有限公司)：最大负荷1~30KN;四、实验步骤1、按国标GB/T1040-92、GB2918-82制备试样和对试样调节试验环境，试样的制作见附录，对样品进行编号，划线，测量试样标距之间三处的宽度和厚度，取算术平均值。2、开机，先打开电脑，再打开万能试验机。3、点击桌面上“Pmain”图标，启动测试系统，出现如图3界面：试验软件基本操作步骤：试样录入一参数设置一→联机一开始试验一→试验结束。4、试样录入：录入部分是试验开始前的准备工作，准确填写试验信息，以便日后查询。点击“试样录入”按钮，弹出如图4对话框。如果要和已有的试验编号内追加试样，可双击“试验编号”编辑框“编导，之后根据弹出的查询窗体进行查询已有的试验编号。5、输入试样参数：单击输入试样参数区域，试样序号不需录入，直接在下一栏输入，无尺寸用0代替。按“回车”键确认，试样序号自动生成。在最后一栏按“回车”键或向下键增加一条新的试样信息。3
3 图2 五种类型的应力—应变曲线 1-硬而脆，2-硬而韧，3-硬而强，4-软而韧，5-软而弱 由于高聚物材料的粘弹本质，其应力—应变行为明显地受外界条件如试验温度和 速率的影响。当试验温度和试验速率改变时，应力—应变曲线可以改变它的类型。所 以必须了解高聚物材料在拉伸过程中应力—应变曲线随各种因素变化而变化的情况， 再根据使用环境的要求，才能选出合适的材料来进行设计和应用，单一温度或单一速 率测得的应力—应变曲线是不能作为设计依据的。 三、实验仪器 WDW 系列微机控制电子万能试验机(长春科新试验仪器有限公司)；最大负荷 1～ 30KN； 四、实验步骤 1、按国标 GB/T1040-92、GB2918-82 制备试样和对试样调节试验环境，试样的制 作见附录，对样品进行编号，划线，测量试样标距之间三处的宽度和厚度，取算术平均 值。 2、开机，先打开电脑，再打开万能试验机。 3、点击桌面上“P_main”图标，启动测试系统，出现如图 3 界面： 试验软件基本操作步骤：试样录入→参数设置→联机→开始试验→试验结束。 4、试样录入：录入部分是试验开始前的准备工作，准确填写试验信息，以便日后 查询。点击“试样录入”按钮，弹出如图 4 对话框。如果要和已有的试验编号内追加 试样，可双击“试验编号”编辑框 ，之后根据弹出的查询窗 体进行查询已有的试验编号。 5、输入试样参数：单击输入试样参数区域，试样序号不需录入，直接在下一栏输 入，无尺寸用 0 代替。按“回车”键确认，试样序号自动生成。在最后一栏按“回车” 键或向下键增加一条新的试样信息
试验程序5区操作设置（）承统工具禁助CH2口品关闭联机电开梦数设置试样录入数据管理围试参力(KN）富零轴司变形（mm）清季精向变形（mm）落琴位移（mm）清零时间（s)力峰值（KN）酸染速度（mm/mim）0.000.000.000.000.000.000.00现聚状态：x轴 7.344 mm V怕 25.95 MPs+试验编号211应力轴内充形曲线1,000A选择曲线应力-轴向变形900800当前试样序号：4试验材料：金属700验方法：拉伸武全编号：a111停止600试样形状：墨形开环/闭环：开环500录入时间：2008-11-28试验员：非金属400H设备名称：WDW电子万能试验机300质爱速度（mm/min）2002.00铺定100oe重草选顶1.0002.0003.0004.0005.0006.0007.0008.0009.00010.000m别除试样试样序号最大力N抗拉强度（MPa）上层服力N上星服强度（MPa）下屈腺力N下层服强度MPa）非比例伸长力N非比例应力用户信息结果信息订祥信惠图3参放录入诚验信息试验材料：便合材-来试验力法：三点宽曲2本过9编号深试样形状：形规格代号：aK试验员：非全属录入时：2009-06-25-设备名称WDW电子万能试验机备注开环闭环开环-*就入试样步款保存家消关闲注释：可双击试验编号编领框选率以前的试验编号图4单击“保存”按扭，完成试样录入工作。见图5。S
4 图 3 图 4 单击“保存”按扭，完成试样录入工作。见图 5