試驗機條件設(shè)置對ABS拉伸性能測試的影響

郭 喬，李貴陽，郭玲玲，吳 博

（金發(fā)科技股份有限公司 分析測試中心，塑料改性與加工 國家工程實驗室，廣東 廣州，510663）

0 前言

拉伸性能是材料力學(xué)性能測試中最常見、也是最重要的性能之一［1］，其中拉伸模量、拉伸強度及應(yīng)力-應(yīng)變曲線是塑料拉伸測試的幾個重要指標(biāo)。從試驗角度，拉伸性能測試結(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)試驗機測試條件設(shè)置的一些問題并未引起足夠的重視。因此，本文選用ABS材料進(jìn)行研究，對試驗機夾具、引伸計精度和位置及標(biāo)稱應(yīng)變測試方法對拉伸性能測試結(jié)果的影響進(jìn)行討論。

1 試樣制備和試驗方法

1.1 試驗材料

ABS原材料121。

1.2 儀器及設(shè)備

注塑機CJ830型 中國震德塑料機械有限公司；

電子萬能試驗機 BT2-FR020TEW.A50 德國Zwick／Roell公司；

引伸計 德國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測試。ABS的拉伸速率為50mm／min，拉伸模量測試速率為1mm／min，標(biāo)距為50mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 夾具對測試結(jié)果的影響

拉伸夾具的設(shè)計主要有手動和氣動兩種。由于夾具不同，對試樣的夾持方式及夾持力也會有相應(yīng)的變化。表1為同一臺設(shè)備的氣動夾具和楔形夾具對ABS拉伸性能的影響。

表1 夾具類型對ABS拉伸性能的影響

對設(shè)備進(jìn)行力清零操作后夾持試樣。在相同條件下，氣動夾具水平夾緊試樣，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，沿試樣縱軸方向?qū)ζ涫┘酉鄬D壓作用，表現(xiàn)出較小的預(yù)應(yīng)力。在測試時，氣動夾具需要較長的時間進(jìn)行預(yù)應(yīng)力平衡，但對測試結(jié)果無影響。

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，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，此時試樣因夾持力不夠在夾具內(nèi)打滑；而氣壓為0.50MPa與0.75MPa時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本重合，說明當(dāng)氣壓足以夾緊試樣時，夾持力對測試結(jié)果無影響。

圖2 不同氣壓下ABS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 位移傳感裝置對測試結(jié)果的影響

對于通用的電子萬能試驗機，可根據(jù)實際應(yīng)用選擇橫梁或引伸計作位移傳感器。

2.2.1 引伸計精度

根據(jù)電子萬能試驗機的工作原理，傳感器的電壓模擬信號被不斷地轉(zhuǎn)換成頻率信號，而模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的分辨率則取決于頻率計數(shù)的時間。該時間段即積分時間。在實際測量過程中，分別選擇積分時間為2s，10s，50s進(jìn)行拉伸性能測試，結(jié)果如表2所示。積分時間對拉伸模量、拉伸強度以及斷裂標(biāo)稱應(yīng)變的測試數(shù)據(jù)影響不大。但是計算每組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。這說明隨著積分時間增加，測試數(shù)據(jù)波動明顯增大。

表2 引伸計精度對ABS拉伸性能的影響

2.2.2 引伸計位置

在實際試驗過程中，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)是無效的。于是在試樣平行段調(diào)整引伸計的位置，測試結(jié)果如表3所示。不同引伸計位置下ABS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。

由表3可知：引伸計的位置對拉伸模量和拉伸強度的影響不明顯。當(dāng)引伸計處于中部略偏向近澆口的位置時，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，此時如果引伸計偏近澆口，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)變的測試偏差。

表3 引伸計位置對ABS拉伸性能的影響

圖3 不同引伸計位置下ABS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 軟件計算方法對測試結(jié)果的影響

根據(jù)ISO 527-1，關(guān)于標(biāo)稱應(yīng)變的計算有兩種方法：方法A基于夾具相對于初始位置的位移，而方法B則先采用引伸計精確測得試樣的屈服應(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)指出對于存在屈服（或頸縮）的試樣，推薦使用方法B。不同測試方法下ABS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。方法A與方法B測得的拉伸強度相同（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測得的屈服拉伸應(yīng)變較大。因為試樣在拉伸過程中的變形分布于整個拉伸段而不僅僅在引伸計內(nèi)。

圖4 不同測試方法下ABS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

（1）氣動夾具和楔形夾具對拉伸測試結(jié)果無影響。但是氣動夾具預(yù)應(yīng)力較大，應(yīng)避免錯誤的清零操作導(dǎo)致試驗誤差。

（2）隨著引伸計積分時間的增加，數(shù)據(jù)波動增大。但是對拉伸性能測試結(jié)果影響較小。必要時，引伸計的位置需要進(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）測試標(biāo)稱應(yīng)變時需要對測試方法進(jìn)行確認(rèn)。對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)變會偏大。

［1］ 周維詳.塑料測試技術(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.塑料性能測試中一些問題的探討［J］.工程塑料應(yīng)用，2003，31（7）：39-42.

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