郭 喬，李貴陽(yáng)，郭玲玲，吳 博

（金發(fā)科技股份有限公司 分析測(cè)試中心，塑料改性與加工 國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州，510663）

0 前言

拉伸性能是材料力學(xué)性能測(cè)試中最常見(jiàn)、也是最重要的性能之一［1］，其中拉伸模量、拉伸強(qiáng)度及應(yīng)力-應(yīng)變曲線是塑料拉伸測(cè)試的幾個(gè)重要指標(biāo)。從試驗(yàn)角度，拉伸性能測(cè)試結(jié)果受試樣制備方法、拉伸速率、溫度等外在因素的影響已被廣泛研究［2-4］，然而，有關(guān)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試條件設(shè)置的一些問(wèn)題并未引起足夠的重視。因此，本文選用ABS材料進(jìn)行研究，對(duì)試驗(yàn)機(jī)夾具、引伸計(jì)精度和位置及標(biāo)稱應(yīng)變測(cè)試方法對(duì)拉伸性能測(cè)試結(jié)果的影響進(jìn)行討論。

1 試樣制備和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

ABS原材料121。

1.2 儀器及設(shè)備

注塑機(jī)CJ830型 中國(guó)震德塑料機(jī)械有限公司；

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) BT2-FR020TEW.A50 德國(guó)Zwick／Roell公司；

引伸計(jì) 德國(guó)Zwick／Roell公司；

數(shù)顯千分尺（0～25mm） 桂林廣陸量具廠。

1.3 試樣結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)方法

采用ISO 527-2 2012規(guī)定的試樣結(jié)構(gòu)的尺寸，如圖1所示。

圖1 ISO 527-2試樣結(jié)構(gòu)的尺寸

拉伸性能按ISO 527 2012測(cè)試。ABS的拉伸速率為50mm／min，拉伸模量測(cè)試速率為1mm／min，標(biāo)距為50mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 夾具對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

拉伸夾具的設(shè)計(jì)主要有手動(dòng)和氣動(dòng)兩種。由于夾具不同，對(duì)試樣的夾持方式及夾持力也會(huì)有相應(yīng)的變化。表1為同一臺(tái)設(shè)備的氣動(dòng)夾具和楔形夾具對(duì)ABS拉伸性能的影響。

表1 夾具類型對(duì)ABS拉伸性能的影響

對(duì)設(shè)備進(jìn)行力清零操作后夾持試樣。在相同條件下，氣動(dòng)夾具水平夾緊試樣，在垂直于試樣縱軸方向產(chǎn)生較大的夾持力（達(dá)-240N）。而前伸式楔形夾具在夾緊試樣時(shí)，沿試樣縱軸方向?qū)ζ涫┘酉鄬?duì)擠壓作用，表現(xiàn)出較小的預(yù)應(yīng)力。在測(cè)試時(shí)，氣動(dòng)夾具需要較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行預(yù)應(yīng)力平衡，但對(duì)測(cè)試結(jié)果無(wú)影響。

不同氣壓下ABS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。由圖2可以看出：選擇氣壓為0.20MPa時(shí)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到30MPa后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯波動(dòng)，此時(shí)試樣因夾持力不夠在夾具內(nèi)打滑；而氣壓為0.50MPa與0.75MPa時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本重合，說(shuō)明當(dāng)氣壓足以?shī)A緊試樣時(shí)，夾持力對(duì)測(cè)試結(jié)果無(wú)影響。

圖2 不同氣壓下ABS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 位移傳感裝置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

對(duì)于通用的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇橫梁或引伸計(jì)作位移傳感器。

2.2.1 引伸計(jì)精度

根據(jù)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的工作原理，傳感器的電壓模擬信號(hào)被不斷地轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，而模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的分辨率則取決于頻率計(jì)數(shù)的時(shí)間。該時(shí)間段即積分時(shí)間。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，分別選擇積分時(shí)間為2s，10s，50s進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示。積分時(shí)間對(duì)拉伸模量、拉伸強(qiáng)度以及斷裂標(biāo)稱應(yīng)變的測(cè)試數(shù)據(jù)影響不大。但是計(jì)算每組5根試樣斷裂標(biāo)稱應(yīng)變的標(biāo)準(zhǔn)差依次為0.046，0.311及1.621。這說(shuō)明隨著積分時(shí)間增加，測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)明顯增大。

表2 引伸計(jì)精度對(duì)ABS拉伸性能的影響

2.2.2 引伸計(jì)位置

在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)部分試樣拉伸斷裂發(fā)生在標(biāo)距外偏遠(yuǎn)澆口處。按照ISO 527-2得到的數(shù)據(jù)是無(wú)效的。于是在試樣平行段調(diào)整引伸計(jì)的位置，測(cè)試結(jié)果如表3所示。不同引伸計(jì)位置下ABS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。

由表3可知：引伸計(jì)的位置對(duì)拉伸模量和拉伸強(qiáng)度的影響不明顯。當(dāng)引伸計(jì)處于中部略偏向近澆口的位置時(shí)，斷裂標(biāo)稱應(yīng)變明顯降低。結(jié)合試樣斷裂情況和應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖發(fā)現(xiàn)：試樣屈服后的變形大部分集中在偏遠(yuǎn)澆口處，此時(shí)如果引伸計(jì)偏近澆口，則在標(biāo)距范圍內(nèi)不足以監(jiān)控試樣的變形，造成斷裂標(biāo)稱應(yīng)變的測(cè)試偏差。

表3 引伸計(jì)位置對(duì)ABS拉伸性能的影響

圖3 不同引伸計(jì)位置下ABS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 軟件計(jì)算方法對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

根據(jù)ISO 527-1，關(guān)于標(biāo)稱應(yīng)變的計(jì)算有兩種方法：方法A基于夾具相對(duì)于初始位置的位移，而方法B則先采用引伸計(jì)精確測(cè)得試樣的屈服應(yīng)變，然后與屈服后的應(yīng)變相加得到標(biāo)稱應(yīng)變。標(biāo)準(zhǔn)指出對(duì)于存在屈服（或頸縮）的試樣，推薦使用方法B。不同測(cè)試方法下ABS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。方法A與方法B測(cè)得的拉伸強(qiáng)度相同（44.5MPa），并且屈服后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線差異不大。但是，相比于方法B，方法A測(cè)得的屈服拉伸應(yīng)變較大。因?yàn)樵嚇釉诶爝^(guò)程中的變形分布于整個(gè)拉伸段而不僅僅在引伸計(jì)內(nèi)。

圖4 不同測(cè)試方法下ABS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

（1）氣動(dòng)夾具和楔形夾具對(duì)拉伸測(cè)試結(jié)果無(wú)影響。但是氣動(dòng)夾具預(yù)應(yīng)力較大，應(yīng)避免錯(cuò)誤的清零操作導(dǎo)致試驗(yàn)誤差。

（2）隨著引伸計(jì)積分時(shí)間的增加，數(shù)據(jù)波動(dòng)增大。但是對(duì)拉伸性能測(cè)試結(jié)果影響較小。必要時(shí)，引伸計(jì)的位置需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證試樣斷裂在標(biāo)距內(nèi)得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

（3）測(cè)試標(biāo)稱應(yīng)變時(shí)需要對(duì)測(cè)試方法進(jìn)行確認(rèn)。對(duì)于存在屈服的試樣優(yōu)先采用方法B，否則得到的斷裂標(biāo)稱應(yīng)變會(huì)偏大。

［1］ 周維詳.塑料測(cè)試技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1987：46-52.

［2］ 張懷志，閻功臣，景麗榮，等.影響塑料拉伸試驗(yàn)結(jié)果的因素［J］.工程塑料應(yīng)用，2005，33（10）：51-53.

［3］ 周彥豪，陳福林，童速玲，等.塑料性能測(cè)試中一些問(wèn)題的探討［J］.工程塑料應(yīng)用，2003，31（7）：39-42.

［4］ 張伍斌，都佩華，蔣冠森，等.拉伸速率對(duì)工程塑料力學(xué)性能的影響［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2008（2）：93-94.