塑料泊松比測試標準與測試條件的簡要探討

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.