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    塑料泊松比測試標準與測試條件的簡要探討

    2014-11-28 10:38:56胡金妮宋蓓蓓
    合成材料老化與應(yīng)用 2014年5期
    關(guān)鍵詞:標距泊松比模量

    胡金妮,郭 喬,宋蓓蓓,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)

    彈性模量和泊松比是用來表征材料力學(xué)行為的兩個重要參數(shù)[1]。泊松比的定義為材料在特定方向上受到拉伸時的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變比值的負值[2],其物理意義為試樣收縮變形時的體積變化。泊松比越小,材料的拉伸體積變化及膨脹越大。對于均質(zhì)材料,在其線性彈性范圍內(nèi),該比值理想上應(yīng)該為恒定值。在所有有關(guān)材料泊松比的研究中,關(guān)鍵的問題是泊松比的準確測定。除了測試本身對設(shè)備的高精度要求,不同的條件設(shè)置也會影響測試結(jié)果。而在通用的ISO 527:2012 標準中,并未明確提出泊松比的測試條件。因此本文將從引伸計間距、測試速率以及取值范圍方面進行探索研究。

    1 試驗部分

    1.1 試驗材料

    ABS 原材料121;PA6 -30GF

    1.2 主要儀器及設(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,型號:BT2-FR020TEW. A50,德國Zwick/Roell 公司;橫向引伸計,德國Zwick/Roell公司,精度等級:1,分辨率:0.01μm;縱向引伸計,德國Zwick/Roell 公司,精度等級:0.5;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 標準規(guī)定的1A 型啞鈴型試樣,在溫度23℃,相對濕度49.8%的條件下調(diào)節(jié)48h 后,參照ISO 327 -2:2012 標準進行不同條件設(shè)置下的測試。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 標距對測試結(jié)果的影響

    根據(jù)泊松比的定義,需要同時監(jiān)控拉伸方向與垂直于拉伸方向的樣條尺寸變化。因此泊松比測定的準確性通常受到縱向橫向應(yīng)變測試準確性的限制[3]。而軸向與縱向的數(shù)據(jù)監(jiān)控是通過引伸計得到的。

    在標準GB/T 1040.2 -2006(等同采用ISO 527 -2:1993)中,要求縱向引伸計的標距為50mm,在更新版的國際標準ISO 527 -2:2012 中,則推薦使用標距為75mm[4]。

    表1 標距對拉伸性能的影響Table 1 The effect of gauge length on tensile properties

    表1 為在1mm/min 的拉伸速率下采用不同標距測試得到的數(shù)據(jù)。當(dāng)縱向引伸計的標距由50mm增加到75mm 時,拉伸模量與泊松比的變化都不大。說明在試樣中間平行段范圍內(nèi),縱向引伸計標距的設(shè)置對其影響不大。

    2.2 不同拉伸速率對測試結(jié)果的影響

    標準GB/T 1040.2 -2006 與ISO 527 -2:2012都未明確提出泊松比的測試速率要求,只是規(guī)定模量測試速率為1mm/min。而在ASTM D638 -2010的附錄A.2 中嚴格規(guī)定了泊松比的測試速率。在移開引伸計前以5mm/min 的速度測試達到0.5%的應(yīng)變,同步測量應(yīng)力和應(yīng)變并記錄數(shù)據(jù),同時建議數(shù)據(jù)收集速率至少為20 點/秒。這對表現(xiàn)出非線性應(yīng)力應(yīng)變曲線的材料尤其重要。因此,我們選擇了1mm/min、5mm/min 以及10mm/min 的速率研究其對拉伸模量和泊松比測試的影響。

    表2 拉伸速率對拉伸性能的影響Table 2 The effect of tensile rate on tensile properties

    從表2 可以看出,對于ABS 和PA-GF30 兩種材料,隨著拉伸速率的增加,拉伸模量隨之增加,而泊松比的結(jié)果則表現(xiàn)出無規(guī)律性。我們進而采用標準方差來表征泊松比測試結(jié)果的離散性。當(dāng)拉伸速率為5mm/min 時,泊松比測試結(jié)果的標準方差最小,說明離散性小。結(jié)果最為滿意。而當(dāng)拉伸速率為10mm/min 時,泊松比的測試結(jié)果標準方差增至最大,說明數(shù)據(jù)波動很大。這可能是由于在速度較大的情況下,引伸計監(jiān)控時間過短,尤其是橫向方向測試會出現(xiàn)一定偏差。

    2.3 不同的取值范圍對測試結(jié)果的影響

    根據(jù)標準ISO 527 -1:2012,建議在拉伸模量的測試范圍外取值,推薦取值起點最好為應(yīng)變≥0.3%。而根據(jù)ASTM D638-2010,要求在應(yīng)變0.5%的范圍內(nèi),同步測量應(yīng)力和應(yīng)變的數(shù)據(jù),如果曲線是線性的,可以在比例極限內(nèi)的線性部分任意段取值,如果曲線為非線性,則在0.05% ~0.25%范圍內(nèi)取值。為了確認較通用的取值區(qū)間,我們分別選擇標距75mm,拉伸速率5mm/min 進行測試,同時考慮到試樣在初始夾持時會發(fā)生微小的滑移導(dǎo)致曲線在應(yīng)變0.3%前出現(xiàn)輕微波動,分別對兩種材料在0.3% ~0.8%應(yīng)變范圍內(nèi)取值,并進行線性擬合,如下圖所示:

    圖1 取值范圍對泊松比測試結(jié)果的影響Fig.1 The effect of value range on Poisson′s ratio

    由圖1 可知,對ABS 試樣的橫縱向應(yīng)變曲線進行線性擬合,擬合度達到0.99987,擬合得到的曲線斜率即泊松比,為0.426,而我們在0.4% ~0.6%應(yīng)變范圍取值得到結(jié)果為0.422。同樣的,對于PA-GF30 試樣,其線性擬合達到0.99999,曲線斜率為0.416,也與測試得到的結(jié)果基本吻合。說明在0.3% ~0.8%的應(yīng)變范圍內(nèi)進行取值可以滿足大部分材料的測試需求。

    3 結(jié)論

    (1)對于ISO 527 -1 標準中的1A 型樣條,按照標準選擇50mm 與75mm 的標距對泊松比測試結(jié)果影響較小。

    (2)隨著拉伸速率的增加,拉伸模量逐漸變大,而泊松比的變化呈現(xiàn)無規(guī)律性。但是采用ASTM D527-2010 推薦的5mm/min 的拉伸速率時,同組樣條的數(shù)據(jù)波動性較小。建議對于ISO 樣條,可優(yōu)先采用5mm/min 的測試速率。

    (3)在應(yīng)力應(yīng)變曲線上不同的取值范圍會得到差異較大的數(shù)據(jù)。但是在其線性范圍內(nèi),數(shù)據(jù)較穩(wěn)定。推薦采用應(yīng)變?nèi)≈捣秶?.3% ~0.8%之間,會得到較理想的測試結(jié)果。

    [1]何曼君. 高分子物理[M]. 復(fù)旦大學(xué)出版社,2000:297.

    [2]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB/T 1040.1 -2006 塑料拉伸性能的測定第1 部分:總則[S].北京:中國標準出版社,2006.

    [3]American Society for Testing and Materials. ASTM D638 -10 Standard test method for tensile properties of plastics[S]. West Conshohocken:ASTM International,2010.

    [4]International Organization for Standardization. ISO 527 -1:2012 Determination of tensile properties Part 1:General principles[S]. Geneva:ISO Central Secretariat,2012.

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