拉伸性能测试实验：方法与结果解析

1.实验目的

（1）了解电子万能试验机的使用方法。

（2）掌握复合材料的拉伸实验方法。

（3）掌握根据测试曲线对复合材料力学性能进行分析的方法。

2.实验原理

拉伸实验是复合材料最基本的力学性能实验，它可用来测定纤维增强材料的拉伸性能。实验时对试样轴向匀速施加静态拉伸载荷，直到试样断裂或达到预定的伸长，测量在整个过程中施加在试样上的载荷和试样的伸长量，测定拉伸应力（拉伸屈服应力、拉伸断裂应力或拉伸强度）、拉伸弹性模量、泊松比、断裂伸长率并绘制应力-应变曲线等。

拉伸应力指在试样的标距范围内，拉伸载荷与初始横截面积之比。拉伸屈服应力指在拉伸实验过程中，试样出现应变增加而应力不增加时的初始应力，该应力可能低于试样能达到的最大应力。拉伸断裂应力指在拉伸试验中，试样断裂时的拉伸应力。拉伸强度指材料拉伸断裂之前所承受的最大应力。（注：当最大应力发生在屈服点时称为屈服拉伸强度，当最大应力发生在断裂时称为断裂拉伸强度。）拉伸应变指在拉伸载荷的作用下，试样在标距范围内产生的长度变化率。拉伸屈服应变指在拉伸实验中出现屈服现象的试样在屈服点处的拉伸应变。拉伸断裂应变指试样在拉伸载荷作用下出现断裂时的拉伸应变。拉伸弹性模量指在弹性范围内拉伸应力与拉伸应变之比。（注：使用电脑控制设备时，可以将线性回归方程应用于屈服点以下的应力-应变点间的曲线并测量其斜率，来计算弹性模量。）泊松比指在材料的比例极限范围内，由均匀分布的轴向应力引起的横向应变与相应的轴向应变之比的绝对值。（注：对于各向异性材料，泊松比随应力的施加方向不同而改变。若超过比例极限，该比值随应力变化但不是泊松比。如果仍报告此比值，则应说明测定时的应力值。）应力-应变曲线指由应力与应变的关系图。（注：通常以应力值为纵坐标，应变值为横坐标。）断裂伸长率指在拉力作用下，试样断裂时标距范围内的伸长量与初始长度的比值。

（1）拉伸应力（拉伸屈服应力、拉伸断裂应力或拉伸强度）计算式

式中，σt为拉伸应力（拉伸屈服应力、拉伸断裂应力或拉伸强度）（MPa）；F为破坏载荷（或最大载荷）（N）；b为试样宽度（mm）；d为试样厚度（mm）。

（2）断裂伸长率计算式

式中，εt为试样断裂伸长率（%）；ΔL b为试样拉伸断裂时标距L 0内的伸长量（mm）；L 0为测量的标距（mm）。

（3）拉伸弹性模量计算式

式中，E t为拉伸弹性模量（MPa）；σ″为应变ε″=0.002 5时测得的拉伸应力值（MPa）；σ′为应变ε′=0.000 5时测得的拉伸应力值（MPa）。

（4）泊松比计算式

式中，μ为泊松比；ε1、ε2分别为载荷增量ΔF对应的轴向应变和横向应变。

式中，L 1、L 2分别为轴向与横向的测量标距（mm）；ΔL 1、ΔL 2分别为与载荷增量ΔF对应标距L 1和L 2的变形增量（mm）。

3.仪器设备及材料

微控电子万能实验机、游标卡尺、复合材料试样。

测定拉伸应力、拉伸弹性模量、断裂伸长率和应力-应变曲线试样的型式和尺寸如图5-1～图5-3以及表5-1所示。

图5-1　Ⅰ型试样型式

图5-2　Ⅱ型试样型式

图5-3　Ⅲ型实验型式

注：当试样厚度设定为6 mm时，实际拉伸段厚度d为（6±0.5）mm，夹具处厚度d 1为（10±0.5）mm；当试样厚度设定为3 mm时，实际拉伸段厚度d为（3±0.2）mm，夹具处厚度d 1为（6±0.2）mm。

表5-1　Ⅰ型、Ⅱ型试样尺寸　单位：mm

（续表）

Ⅰ型试样适用于纤维增强热塑性和热固性塑料板材；Ⅱ型试样适用于纤维增强热固性塑料板材。Ⅰ、Ⅱ型仲裁试样的厚度为4 mm。

Ⅲ型试样只适用于测定模压短切纤维增强塑料的拉伸强度，其厚度为3 mm或6 mm。仲裁试样的厚度为3 mm。测定短切纤维增强塑料的其他拉伸性能可以采用Ⅰ型和Ⅱ型试样。

测定泊松比的试样型式和尺寸如图5-4所示。

图5-4　泊松比试验

Ⅰ、Ⅱ型及泊松比试样采用机械加工法制备，Ⅲ型试样采用模塑法制备。Ⅱ型试样加强片材料、尺寸的要求及黏结工艺如下。

加强片采用与试样相同的材料或比试样弹性模量低的材料。

加强片的厚度为1～3 mm；若用单根试样黏结则加强片宽度为试样的宽度，若采用整个黏结再加工成单根试样时，则加强片宽度要满足所要加工试样数量的要求。(www.xing528.com)

在黏结加强片前，先用砂纸打磨黏结表面，注意不要损伤材料强度；再用溶剂（如丙酮）清洗黏结表面；然后用韧性较好的室温固化黏结剂（如环氧胶黏剂）黏结；最后对试样黏结部位施加压力并保持一定时间直至完成固化。

4.实验步骤

（1）试验准备。将合格试样进行编号、测量和划线，用游标卡尺测量试样工作段任意三处的宽度b、厚度h和标距L 0，取算术平均值，精确到0.01 mm。

（2）夹持试样。使试样的中心线与实验机上下夹具的对准中心线一致，夹紧。（注：Ⅲ型试样选择对应夹具。）

（3）准备加载。测定拉伸弹性模量、泊松比、断裂伸长率并绘制应力-应变曲线时，加载速度一般为2 mm／min。测定拉伸应力（拉伸屈服应力、拉伸断裂应力或拉伸强度）时，可分以下两种情况：①常规试验中，Ⅰ型试样的加载速度为10 mm／min；Ⅱ、Ⅲ型试样的加载速度为5 mm／min；②仲裁试验中，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型试样的加载速度均为2 mm／min。

（4）在试样工作段安装测量变形的仪表。施加初载（约为破坏载荷的5%），检查并调整试样及变形测量仪表，使整个系统处于正常工作状态。

（5）测定拉伸应力时连续加载直至试样破坏，记录试样的屈服载荷、破坏载荷或最大载荷及试样破坏形式。

5.实验结果

（1）将测得的原材料的宽度、厚度、标距等记录在表5-2中，并进行数据处理。

（2）利用计算机画出各个复合材料试样的应力-应变曲线。

（3）按照式（5-1）～式（5-6）计算各试样力学性能，并记录在表5-2中。

（4）比较不同复合材料的拉伸力学性能差别，并解释说明其原因。

表5-2　拉伸性能数据记录及处理

6.注意事项

（1）若试样出现以下情况应予作废：①试样在有明显内部缺陷处破坏；②Ⅰ型试样在夹具内或圆弧处破坏；③Ⅱ型试样在夹具内破坏或试样断裂处离夹紧处的距离小于10 mm。

（2）同批有效试样不足5个时，应重做实验。

（3）Ⅲ型试样在非工作段破坏时，仍用工作段横截面积来计算拉伸强度，且应记录试样断裂位置。

7.思考题

拉伸试样的中心线为什么要与实验机上下夹具的对准中心线一致？