橡胶材料拉伸试验及数据分析
来源：天氏库力 发布日期
2021-01-07 浏览：
一、实验目的
1.进一步熟悉电子万能实验机操作以及拉伸实验的基本操作过程；
2.通过橡胶材料的拉伸实验，理解高分子材料拉伸时的力学性能，观察橡胶拉伸时的变形特点，测定橡胶材料的弹性模量E，强度极限σb，伸长率δ和截面收缩率Ψ。
二、实验设备
1.TSKL-500N型500N电子万能试验机；
2.游标卡尺；
3.橡胶材料试件一份。
TSKL-500N型500N电子万能试验机
三、实验原理
拉伸橡胶试件时，万能试验机可自动绘出橡胶的拉伸应力-应变曲线。图中曲线的最初阶段会呈弯曲线状，这是由于试样头部在夹具内有滑动及实验机存在间隙等原因造成的。分析时应将图中的直线段延长与横坐标相交于O点，作为其坐标原点。橡胶的拉伸只有弹性阶段。拉伸曲线可以直观而又比较准确地反映出橡胶拉伸时的变形特征及受力和变形间的关系。橡胶拉伸时，基本满足胡克定律，在应力-应变曲线上大致为一段直线，因此可以用这一段直线的斜率tanα来表示弹性模量E。为了更准确地计算出弹性模量的值，可以用Matlab对比例极限内的数据进行直线拟合，得到拟合直线的斜率，即为弹性模量的值。
四、实验过程
1.用游标卡尺测量橡胶试件实验段的宽度h和厚度b，并标注一个20 mm的标距，并做记录；
2.打开试验机主机及计算机等实验设备，安装试件；
3.打开计算机上的实验软件，进入实验程序界面，选择联机，进行式样录入和参数设置，输入相关数据并保存；
4.再认真检查试件安装等实验准备工作，并对实验程序界面上的负荷、轴向变形和位移进行清零，确保没有失误；
5. 点击程序界面上的实验开始按钮，开始实验；
6. 试件被拉断后，根据实验程序界面的提示，测量相关数据并输入，点击实验结束；
7. 从实验程序的数据管理选项中，调出相关实验数据，以备之后处理数据使用。
五、 实验注意事项
1. 在实验开始前，必须检查横梁移动速度设定，严禁设定高速度进行实验。在实验进行中禁止在▲、▼方向键之间直接切换，需要改变方向时，应先按停止键；
2. 安装试件时，要注意不能把试件直接放在下侧夹口处，而是应该用手将试件提起，观察夹口下降的高度是否合适，之后再将试件夹紧、固定；
3. 横梁速度v=500mm/min，最大载荷为500N，最大位移400mm；
4. 实验过程中不能点“停止”，而是“实验结束”或者等样品断裂后试验机自动停机，否则将不能计算保存已经产生的数据；
5. 安装试件时横梁的速度要调整好，不能太快，试件安装完成后，要确认横梁是否停止运动，以免造成事故。
六、 实验数据记录
橡胶试件尺寸如下表：
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试验前 |
试验后 |
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标距长度 |
l0=20 mm |
l1=101.18 mm |
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宽度 |
h0=6 mm |
h1=6 mm |
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厚度 |
b0=2 mm |
b1=2 mm |
七、 数据处理
1. 橡胶材料试件拉伸时的负荷-位移曲线：
图1：橡胶材料拉伸的负荷-位移曲线
2. 由于橡胶材料试件的厚度与宽度在不断变化，这里只能用试件的初始横截面积来大致计算应力与应变，图像如下：
图2：橡胶材料拉伸的大致应力-应变曲线
3. 弹性模量。选取应力-应变曲线中部较为接近直线的数据，拟合后得到的直线图像如下图所示：
图3：应力-应变拟合曲线
由直线的斜率可得到橡胶材料的大致弹性模量E =7.906 MPa。
4. 强度极限约为12.1875MPab。
5. 断裂前后试件的宽度与厚度没有发生变化，即横截面积没有发生变化，故断裂伸长率和截面伸缩率均为0。
八、试验思考分析：
1. 说明橡胶拉伸有什么特点？
答： 橡胶材料在拉伸时，只有弹性变形阶段，没有屈服阶段、强化阶段和局部收缩阶段。在弹性变形阶段中，除拉伸刚开始的部分外，负荷-位移曲线、应力-应变曲线基本为一条直线。橡胶材料被拉断后，断口截面均匀，没有较为明显的特征。
2. 为了更加准确地利用实验数据计算材料的弹性模量E ，需要采取哪些措施？
答：数据处理中使用Matlab软件对弹性阶段的数据进行直线拟合，理论上数据越多结果越精确。但橡胶在被拉伸时，弹性阶段并不是一直保持正比关系并满足胡克定律。在弹性阶段的初期，应力应变图像是曲线，将这一阶段的数据用到直线拟合中会带来较大的误差。所以在选择数据时，选用拉伸曲线中部较为接近直线的部分。
3. 橡胶的弹性模量很小，为什么会有很大的变形量？
答：橡胶是由线型的长链分子组成的。由于热运动，这种长链分子在不断地改变着形状，因此在常温下橡胶的长链分子处于蜷曲状态，一旦把蜷曲分子拉直就会显示出形变量很大的特点。当外力使蜷曲的分子拉直时，由于分子链中各个环节的热运动，力图恢复原来比较自然的蜷曲，形成了对抗外力的回缩力。正是这种力促使像胶形变的自发回复，造成形变的可逆性。但是这种回缩力毕竟是不大的，所以橡胶在外力不大时就可以发生较大的形变，因而弹性模量很小。
九、 实验经验教训总结：
1. 安装试件时横梁的速度要调整好，不能太快；试件安装完成后，要确认横梁是否停止运动，以免造成事故；
2. 确保将试件夹紧、固定，以免在拉伸过程中试件滑出夹口，无法完成实验； 3. 实验过程中不能轻易地点“停止”，而是“实验结束”，否则将不能保存已经产生的数据。
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