橡膠材料拉伸試驗及數據分析
來源：天氏庫力 發布日期
2021-01-07 瀏覽：
一、實驗目的
1.進一步熟悉電子萬能實驗機操作以及拉伸實驗的基本操作過程；
2.通過橡膠材料的拉伸實驗，理解高分子材料拉伸時的力學性能，觀察橡膠拉伸時的變形特點，測定橡膠材料的彈性模量E，強度極限σb，伸長率δ和截面收縮率Ψ。
二、實驗設備
1.TSKL-500N型500N電子萬能試驗機；
2.游標卡尺；
3.橡膠材料試件一份。
TSKL-500N型500N電子萬能試驗機
三、實驗原理
拉伸橡膠試件時，萬能試驗機可自動繪出橡膠的拉伸應力-應變曲線。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有滑動及實驗機存在間隙等原因造成的。分析時應將圖中的直線段延長與橫坐標相交于O點，作為其坐標原點。橡膠的拉伸只有彈性階段。拉伸曲線可以直觀而又比較準確地反映出橡膠拉伸時的變形特征及受力和變形間的關系。橡膠拉伸時，基本滿足胡克定律，在應力-應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。為了更準確地計算出彈性模量的值，可以用Matlab對比例極限內的數據進行直線擬合，得到擬合直線的斜率，即為彈性模量的值。
四、實驗過程
1.用游標卡尺測量橡膠試件實驗段的寬度h和厚度b，并標注一個20 mm的標距，并做記錄；
2.打開試驗機主機及計算機等實驗設備，安裝試件；
3.打開計算機上的實驗軟件，進入實驗程序界面，選擇聯機，進行式樣錄入和參數設置，輸入相關數據并保存；
4.再認真檢查試件安裝等實驗準備工作，并對實驗程序界面上的負荷、軸向變形和位移進行清零，確保沒有失誤；
5. 點擊程序界面上的實驗開始按鈕，開始實驗；
6. 試件被拉斷后，根據實驗程序界面的提示，測量相關數據并輸入，點擊實驗結束；
7. 從實驗程序的數據管理選項中，調出相關實驗數據，以備之后處理數據使用。
五、 實驗注意事項
1. 在實驗開始前，必須檢查橫梁移動速度設定，嚴禁設定高速度進行實驗。在實驗進行中禁止在▲、▼方向鍵之間直接切換，需要改變方向時，應先按停止鍵；
2. 安裝試件時，要注意不能把試件直接放在下側夾口處，而是應該用手將試件提起，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. 實驗過程中不能點“停止”，而是“實驗結束”或者等樣品斷裂后試驗機自動停機，否則將不能計算保存已經產生的數據；
5. 安裝試件時橫梁的速度要調整好，不能太快，試件安裝完成后，要確認橫梁是否停止運動，以免造成事故。
六、 實驗數據記錄
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、 數據處理
1. 橡膠材料試件拉伸時的負荷-位移曲線：
圖1：橡膠材料拉伸的負荷-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力與應變，圖像如下：
圖2：橡膠材料拉伸的大致應力-應變曲線
3. 彈性模量。選取應力-應變曲線中部較為接近直線的數據，擬合后得到的直線圖像如下圖所示：
圖3：應力-應變擬合曲線
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. 強度極限約為12.1875MPab。
5. 斷裂前后試件的寬度與厚度沒有發生變化，即橫截面積沒有發生變化，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？
答： 橡膠材料在拉伸時，只有彈性變形階段，沒有屈服階段、強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，負荷-位移曲線、應力-應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. 為了更加準確地利用實驗數據計算材料的彈性模量E ，需要采取哪些措施？
答：數據處理中使用Matlab軟件對彈性階段的數據進行直線擬合，理論上數據越多結果越精確。但橡膠在被拉伸時，彈性階段并不是一直保持正比關系并滿足胡克定律。在彈性階段的初期，應力應變圖像是曲線，將這一階段的數據用到直線擬合中會帶來較大的誤差。所以在選擇數據時，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，一旦把蜷曲分子拉直就會顯示出形變量很大的特點。當外力使蜷曲的分子拉直時，由于分子鏈中各個環節的熱運動，力圖恢復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回復，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生較大的形變，因而彈性模量很小。
九、 實驗經驗教訓總結：
1. 安裝試件時橫梁的速度要調整好，不能太快；試件安裝完成后，要確認橫梁是否停止運動，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，無法完成實驗； 3. 實驗過程中不能輕易地點“停止”，而是“實驗結束”，否則將不能保存已經產生的數據。
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【本文標簽】：橡膠材料拉伸試驗,橡膠材料拉伸數據分析
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