塑料材料的拉力测试

一、概述

塑料材料拉力测试是一种重要的材料力学性能测试方法。它主要用于评估塑料在拉伸载荷作用下的行为，包括材料的强度、弹性模量、伸长率等关键性能指标。这些指标对于塑料在各种实际应用中的设计和质量控制至关重要，例如在塑料制品的生产、包装材料的选用等领域。

二、测试设备

1. 拉力试验机

• 这是进行塑料拉力测试的核心设备。它能够对塑料试样施加精石角 的拉伸力，并记录下力与变形的数据。拉力试验机通常有不同的量程，根据塑料材料的预期强度来选择合适的量程。例如，对于一些强度较低的通用塑料，如聚氯乙烯（PVC）软质材料，可选用较小量程（如1kN - 5kN）的拉力试验机；而对于强度较高的工程塑料，像聚醚醚酮（PEEK），可能需要较大量程（如 10kN -50kN）的试验机。

• 试验机的精度也很重要，一般要求其力值精度在 ±1% 以内，位移精度在 ±0.5% 以内，以确保测试数据的准确性。

2. 夹具

• 夹具用于固定塑料试样，确保在拉伸过程中试样能够正确地传递力。夹具的类型有很多种，常见的有平口夹具和楔形夹具。平口夹具适用于形状规则、厚度均匀的塑料板材或片材试样，能够提供较为均匀的夹持力。楔形夹具则更适合棒状或圆柱状的塑料试样，它通过楔形结构将试样紧紧夹住，防止在拉伸过程中试样滑落。夹具的材质一般为硬度较高的金属，如合金钢，以保证足够的夹持力和耐用性。

三、试样准备

1. 试样形状和尺寸

• 根据不同的测试标准（如 ISO 527 或 ASTMD638），塑料试样的形状和尺寸有明确规定。蕞常见的是哑铃状试样，它中间部分较窄，两端较宽。例如，在ISO 527 标准中，对于 1A 型哑铃状试样，其总长为 150mm，窄部分的宽度为 10mm，厚度一般为 4mm左右。这种形状的试样能够保证在拉伸过程中，应力集中在中间窄的部分，从而更准确地测量材料的拉伸性能。

• 对于薄膜类塑料材料，也可以采用矩形试样。矩形试样的长度和宽度也有相应标准，例如长度为 100mm - 200mm，宽度为10mm - 25mm，厚度通常在 0.01mm - 0.5mm 之间。

2. 试样制备方法

• 对于注塑成型的塑料材料，可以直接在注塑模具中设计出符合测试要求的试样形状。如果是从塑料制品上切割试样，要使用合适的切割工具，如电锯、冲床等。在切割过程中，要注意避免对试样产生额外的损伤，如过热、裂纹等。对于热塑性塑料，可以采用热切割的方式，利用热刀将材料切割成所需形状，这样可以减少切割过程中的应力。对于热固性塑料，由于其不能通过加热再成型，通常采用机械切割的方式，并且在切割后要对试样边缘进行打磨，以去除毛刺和不平整部分。

四、测试过程

1. 安装试样

• 将准备好的塑料试样正确地安装在拉力试验机的夹具上。对于哑铃状试样，要确保试样的轴线与拉力方向一致，并且夹具要夹紧试样的两端，避免在测试过程中出现滑动。在夹紧试样后，可以适当检查一下试样的安装情况，例如轻轻拉动一下夹具，看试样是否牢固。

2. 设置测试参数

• 在拉力试验机的操作界面上设置测试速度。测试速度根据不同的材料和测试标准有所不同。一般来说，对于塑料材料，测试速度可以在1mm/min - 500mm/min 之间。例如，在测试软质 PVC 塑料时，测试速度可以设置为 50mm/min左右；而对于硬质工程塑料，如聚碳酸酯（PC），测试速度可以为5mm/min。还要设置测试的终止条件，常见的终止条件包括试样断裂、达到一定的伸长率（如100     %伸长率）或者达到设定的蕞大拉力。

3. 开始测试

• 启动拉力试验机，试验机开始对试样施加拉伸力。在测试过程中，试验机的传感器会实时记录下力和位移的数据，并将这些数据传输到计算机控制系统中。操作人员可以在计算机屏幕上观察到力-位移曲线的变化情况。随着拉伸力的增加，塑料试样会逐渐发生变形。对于弹性较好的塑料，如热塑性弹性体（TPE），在初始阶段，力与位移呈现线性关系，这一阶段材料表现出弹性行为；当拉力继续增加，材料会进入屈服阶段，此时力- 位移曲线的斜率会发生变化，材料开始出现不可逆的塑性变形。

4. 记录数据和观察现象

• 在测试过程中，要记录下关键的数据，如屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率等。屈服强度是指材料开始产生明显塑性变形时的应力，抗拉强度是材料在断裂前所能承受的蕞大应力。断裂伸长率是试样断裂时的伸长量与原始长度的百分比。还要观察试样在拉伸过程中的现象，例如是否出现裂纹、白化现象（在某些半结晶塑料拉伸时会出现）等。这些现象对于分析塑料材料的性能和质量也非常重要。

五、数据处理和结果分析

1. 计算关键性能指标

• 根据测试过程中记录的数据，可以计算出塑料材料的多个性能指标。

• 弹性模量（E）：通过力 -位移曲线的初始线性阶段来计算。弹性模量等于应力（力除以试样的横截面积）与应变（位移除以试样的原始长度）的比值。例如，如果在力 -位移曲线的线性阶段，力为 F，位移为 ΔL，试样的原始长度为 L，横截面积为 A，则弹性模量 E =(F/A)/(ΔL/L)。

• 屈服强度（σy）：当力 - 位移曲线出现屈服点时，根据此时的力和试样的横截面积计算屈服强度。屈服强度 σy = Fy/A，其中Fy 是屈服点对应的力，A 是试样的横截面积。

• 抗拉强度（σb）：取试样断裂前的蕞大力Fb，抗拉强度 σb = Fb/A。

• 断裂伸长率（εb）：用试样断裂时的伸长量 ΔLb 与原始长度 L 的百分比来表示，即 εb=(ΔLb/L)×100   %。

2. 结果分析和应用

• 将计算得到的性能指标与材料的标准值或预期值进行比较。如果测试得到的强度指标低于标准值，可能说明材料的质量存在问题，如在生产过程中存在配方不当、加工工艺不合理等情况。而如果伸长率等指标不符合要求，可能会影响塑料在一些需要良好柔韧性应用中的性能，如塑料薄膜在包装过程中的拉伸性能。这些测试结果可以用于指导塑料材料的生产、改进加工工艺，也可以作为塑料制品设计的依据，例如在设计塑料结构件时，根据材料的抗拉强度来确定其能够承受的蕞大载荷。