橡膠材料拉伸試驗及數(shù)據(jù)分析
來源：天氏庫力 發(fā)布日期
2021-01-07 瀏覽：
一、實(shí)驗?zāi)康?/span>
1.進(jìn)一步熟悉電子萬能實(shí)驗機(jī)操作以及拉伸實(shí)驗的基本操作過程；
2.通過橡膠材料的拉伸實(shí)驗，理解高分子材料拉伸時的力學(xué)性能，觀察橡膠拉伸時的變形特點(diǎn)，測定橡膠材料的彈性模量E，強(qiáng)度極限σb，伸長率δ和截面收縮率Ψ。
二、實(shí)驗設(shè)備
1.TSKL-500N型500N電子萬能試驗機(jī)；
2.游標(biāo)卡尺；
3.橡膠材料試件一份。
TSKL-500N型500N電子萬能試驗機(jī)
三、實(shí)驗原理
拉伸橡膠試件時，萬能試驗機(jī)可自動繪出橡膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖中曲線的最初階段會呈彎曲線狀，這是由于試樣頭部在夾具內(nèi)有滑動及實(shí)驗機(jī)存在間隙等原因造成的。分析時應(yīng)將圖中的直線段延長與橫坐標(biāo)相交于O點(diǎn)，作為其坐標(biāo)原點(diǎn)。橡膠的拉伸只有彈性階段。拉伸曲線可以直觀而又比較準(zhǔn)確地反映出橡膠拉伸時的變形特征及受力和變形間的關(guān)系。橡膠拉伸時，基本滿足胡克定律，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上大致為一段直線，因此可以用這一段直線的斜率tanα來表示彈性模量E。為了更準(zhǔn)確地計算出彈性模量的值，可以用Matlab對比例極限內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，得到擬合直線的斜率，即為彈性模量的值。
四、實(shí)驗過程
1.用游標(biāo)卡尺測量橡膠試件實(shí)驗段的寬度h和厚度b，并標(biāo)注一個20 mm的標(biāo)距，并做記錄；
2.打開試驗機(jī)主機(jī)及計算機(jī)等實(shí)驗設(shè)備，安裝試件；
3.打開計算機(jī)上的實(shí)驗軟件，進(jìn)入實(shí)驗程序界面，選擇聯(lián)機(jī)，進(jìn)行式樣錄入和參數(shù)設(shè)置，輸入相關(guān)數(shù)據(jù)并保存；
4.再認(rèn)真檢查試件安裝等實(shí)驗準(zhǔn)備工作，并對實(shí)驗程序界面上的負(fù)荷、軸向變形和位移進(jìn)行清零，確保沒有失誤；
5. 點(diǎn)擊程序界面上的實(shí)驗開始按鈕，開始實(shí)驗；
6. 試件被拉斷后，根據(jù)實(shí)驗程序界面的提示，測量相關(guān)數(shù)據(jù)并輸入，點(diǎn)擊實(shí)驗結(jié)束；
7. 從實(shí)驗程序的數(shù)據(jù)管理選項中，調(diào)出相關(guān)實(shí)驗數(shù)據(jù)，以備之后處理數(shù)據(jù)使用。
五、 實(shí)驗注意事項
1. 在實(shí)驗開始前，必須檢查橫梁移動速度設(shè)定，嚴(yán)禁設(shè)定高速度進(jìn)行實(shí)驗。在實(shí)驗進(jìn)行中禁止在▲、▼方向鍵之間直接切換，需要改變方向時，應(yīng)先按停止鍵；
2. 安裝試件時，要注意不能把試件直接放在下側(cè)夾口處，而是應(yīng)該用手將試件提起，觀察夾口下降的高度是否合適，之后再將試件夾緊、固定；
3. 橫梁速度v=500mm/min，最大載荷為500N，最大位移400mm；
4. 實(shí)驗過程中不能點(diǎn)“停止”，而是“實(shí)驗結(jié)束”或者等樣品斷裂后試驗機(jī)自動停機(jī)，否則將不能計算保存已經(jīng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；
5. 安裝試件時橫梁的速度要調(diào)整好，不能太快，試件安裝完成后，要確認(rèn)橫梁是否停止運(yùn)動，以免造成事故。
六、 實(shí)驗數(shù)據(jù)記錄
橡膠試件尺寸如下表：
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試驗前 |
試驗后 |
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標(biāo)距長度 |
l0=20 mm |
l1=101.18 mm |
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寬度 |
h0=6 mm |
h1=6 mm |
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厚度 |
b0=2 mm |
b1=2 mm |
七、 數(shù)據(jù)處理
1. 橡膠材料試件拉伸時的負(fù)荷-位移曲線：
圖1：橡膠材料拉伸的負(fù)荷-位移曲線
2. 由于橡膠材料試件的厚度與寬度在不斷變化，這里只能用試件的初始橫截面積來大致計算應(yīng)力與應(yīng)變，圖像如下：
圖2：橡膠材料拉伸的大致應(yīng)力-應(yīng)變曲線
3. 彈性模量。選取應(yīng)力-應(yīng)變曲線中部較為接近直線的數(shù)據(jù)，擬合后得到的直線圖像如下圖所示：
圖3：應(yīng)力-應(yīng)變擬合曲線
由直線的斜率可得到橡膠材料的大致彈性模量E =7.906 MPa。
4. 強(qiáng)度極限約為12.1875MPab。
5. 斷裂前后試件的寬度與厚度沒有發(fā)生變化，即橫截面積沒有發(fā)生變化，故斷裂伸長率和截面伸縮率均為0。
八、試驗思考分析：
1. 說明橡膠拉伸有什么特點(diǎn)？
答： 橡膠材料在拉伸時，只有彈性變形階段，沒有屈服階段、強(qiáng)化階段和局部收縮階段。在彈性變形階段中，除拉伸剛開始的部分外，負(fù)荷-位移曲線、應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本為一條直線。橡膠材料被拉斷后，斷口截面均勻，沒有較為明顯的特征。
2. 為了更加準(zhǔn)確地利用實(shí)驗數(shù)據(jù)計算材料的彈性模量E ，需要采取哪些措施？
答：數(shù)據(jù)處理中使用Matlab軟件對彈性階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，理論上數(shù)據(jù)越多結(jié)果越精確。但橡膠在被拉伸時，彈性階段并不是一直保持正比關(guān)系并滿足胡克定律。在彈性階段的初期，應(yīng)力應(yīng)變圖像是曲線，將這一階段的數(shù)據(jù)用到直線擬合中會帶來較大的誤差。所以在選擇數(shù)據(jù)時，選用拉伸曲線中部較為接近直線的部分。
3. 橡膠的彈性模量很小，為什么會有很大的變形量？
答：橡膠是由線型的長鏈分子組成的。由于熱運(yùn)動，這種長鏈分子在不斷地改變著形狀，因此在常溫下橡膠的長鏈分子處于蜷曲狀態(tài)，一旦把蜷曲分子拉直就會顯示出形變量很大的特點(diǎn)。當(dāng)外力使蜷曲的分子拉直時，由于分子鏈中各個環(huán)節(jié)的熱運(yùn)動，力圖恢復(fù)原來比較自然的蜷曲，形成了對抗外力的回縮力。正是這種力促使像膠形變的自發(fā)回復(fù)，造成形變的可逆性。但是這種回縮力畢竟是不大的，所以橡膠在外力不大時就可以發(fā)生較大的形變，因而彈性模量很小。
九、 實(shí)驗經(jīng)驗教訓(xùn)總結(jié)：
1. 安裝試件時橫梁的速度要調(diào)整好，不能太快；試件安裝完成后，要確認(rèn)橫梁是否停止運(yùn)動，以免造成事故；
2. 確保將試件夾緊、固定，以免在拉伸過程中試件滑出夾口，無法完成實(shí)驗； 3. 實(shí)驗過程中不能輕易地點(diǎn)“停止”，而是“實(shí)驗結(jié)束”，否則將不能保存已經(jīng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
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