塑料泊松比標準與試驗技術探討

戴　婷，　 張立娟，　 夏雨鑫

（上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海，201714）

塑料泊松比標準與試驗技術探討

戴婷， 張立娟， 夏雨鑫

（上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海，201714）

分析比較了ISO 527:2012和ASTM D638-10中關于塑料泊松比試驗方法的異同，重點討論了兩個標準在測試技術上的不同要求，探討了試驗機性能對試驗結果的影響，并提出了對試驗機測控系統(tǒng)設計的技術要求。

泊松比；測試標準；試驗機；測控系統(tǒng)

泊松比是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。塑料行業(yè)中材料在承受拉力產生縱向形變的同時橫向也會發(fā)生收縮，橫向收縮產生的形變可能會引起制件發(fā)生翹曲。材料模流分析可以預測產品翹曲變形趨勢，而泊松比是材料模流分析所需的重要數(shù)據(jù)，這對提高制品質量具有重要的指導意義[1]。目前在國內塑料制品生產廠家和檢測認證機構中，根據(jù)各自面向的目標客戶不同，在塑料泊松比性能測試中采用不同的標準，如ISO 527和ASTM D638等。

本文主要比較ISO 527:2012和ASTM D638-10標準對塑料制品泊松比性能測試的試驗方法的異同，對泊松比試驗機的技術要求，重點討論了這些標準在測試技術上的不同要求，探討了試驗機性能對試驗結果的影響，并提出了對試驗機測控系統(tǒng)設計的技術要求。

1　兩種標準中泊松比概念的比較

ISO 527:2012[2-3]和ASTM D638-10[4]中對泊松比的定義是一致的。在縱向應變對法向應變關系曲線的線性部分內，垂直于拉伸方向上的兩坐標軸之一的拉伸應變增量Δεn與拉伸方向上的應變增量Δε1之比的負值，用無量綱的比值表示。按式（1）計算。

式中，Δεn為橫向應變變化，Δε1為軸向應變變化。

2　試驗各影響因素的確定

2.1試驗標距的確定

ISO 527:2012中1A型樣條推薦使用試驗標距為75 mm，ISO 527:1993[5-6]中規(guī)定1A拉伸樣條標距為50 mm。假定泊松比的應變區(qū)間為0.05%～0.25%，若標距為50 mm，那標距內的形變增量為100 μm，延伸率的測試精度為≤±1%，那就是要求延伸率的測試精度為≤±1 μm，這對設備來說是很難實現(xiàn)的；而若標距變?yōu)?5 mm，則要求延伸率的測試精度為≤1.5 μm。而ASTM D638-10中Ⅰ型推薦使用的試驗標距為50 mm。標距越小對延伸率的測試精度要求會越高，如圖1所示。過分高的精度要求會使得好多設備都達不到，這樣就會導致測試結果的不準確。

2.2應變截取區(qū)間的確定

圖1　不同標距內的形變增量

泊松比應變截取區(qū)間應該在縱向應變對法向應變關系曲線的線性部分內，這一點ISO 527:2012和 ASTM D638-10中是一致的。但是ISO 527:2012中推≤0.5 μm。而泊松比測定的準確性通常受到橫向應變測試準確性的限制，因為后者的測量誤差通常大于軸向測量誤差。取值區(qū)間不超過屈服應變是因為屈服應變之后，橫向應變與縱向應變曲線不再是線性，材料發(fā)生塑性變形。

ASTM D638-10則是規(guī)定要先確定出現(xiàn)最大應變的曲線是線性的，如果最大應變高于0.25%，泊松比可在應力應變曲線比例極限內的線性部分任何位置確定；如果材料不表現(xiàn)出線性應力―應變關系，則泊松比應當在0.000 5～0.002 5 mm/mm（0.05%～0.25%）的軸向應變區(qū)間測定。但是如果泊松比是以這種方法測得的，報告中應注明應力-應變線性不明顯。

判斷應力應變曲線是否線性的方法，可以通過在不同應變處測定一系列的正割模量。如果在每一處的正割模量相同，則為線性；如果正割模量隨著應變的增加而下降，則為非線性。薦泊松比應變截取區(qū)間為0.3%≤ε＜εy，其中ε代表軸向應變變化，εy代表屈服應變，不推薦使用應變截取區(qū)間為0.05%～0.25%。這是由于0.05%～0.25%對橫向應變的測試精度會要求非常高。假使泊松比為0.4（這是熱塑性塑料典型的泊松比數(shù)據(jù)），標距為75 mm，縱向的形變增量為150 μm，橫向形變變化量為8 μm，這樣對橫向引伸計的測試精度要求為≤0.08 μm，這是一般設備都達不到的。如果應變截取區(qū)間為0.3%～1.5%，則橫向形變變化量為50 μm，橫向引伸計的測試精度要求為

2.3試驗速度的確定

ISO 527:2012中規(guī)定若應變截取區(qū)間為模量測試區(qū)域，則測試速度應盡可能使應變速率接近每分鐘1%標距；若應變截取區(qū)間為模量測試區(qū)域之后，則測試速度可按照模量測試之后的新速度來進行試驗。目前塑料行業(yè)內普遍用的泊松比測試速度為1 mm/min。而ASTM D638-10中泊松比的測試速度為5 mm/min。

3　試驗機性能要求

影響泊松比試驗結果的因素除了樣品本身以及溫度、速度和標距外，試驗機的性能也是很關鍵的因素，這包括夾具、引伸計和測控系統(tǒng)。

3.1夾具

為防止試樣的相對滑動，夾具表面有深的平行排列的刻痕或者間隔2.4 mm（0.09英寸），深1.6 mm（0.06英寸）的鋸齒段，這樣的夾具表面對熱塑性塑料效果較好。對于熱固性塑料需要用更好的鋸齒。鋸齒必須保證干凈和鋒利。當鋸齒很深或試樣表面有磨損，試樣在夾具內斷裂的情況也會發(fā)生，這時應采用別的方法，特別是對于表面光滑的夾具。這些方法包括摩擦試樣在夾具內的表面，試樣與夾具間加入薄的布片、紙片、塑料或者橡膠。80號雙面摩擦紙在多種情況被證明適用。一種網眼織物，表面涂有摩擦細絲也可使用。這一點在ISO 527:2012和ASTM D638-10中要求是一致的。

3.2引伸計

該裝置用來記錄待測試樣標距間規(guī)定兩點伸長的距離。為了測量泊松比，要用到雙軸引伸計或縱向/橫向引伸計，它們可以同時測量縱向和橫向的應變。引伸計記錄應變變化的準確度為相關值的1%或更佳。ISO 527:2012中對最小應變數(shù)據(jù)采集頻率有要求，單位為Hz，按式（2）計算，而ASTM D638-10中最小應變數(shù)據(jù)采集頻率為20 Hz。

式中，v為測試速度（mm/min），L0/L為標距與初始夾具距離之比，r為獲得準確數(shù)據(jù)所需的記錄應變數(shù)值的最小分辨率（mm）。

3.3測控系統(tǒng)

3.3.1力值測量系統(tǒng)

負荷指示裝置應帶有能顯示測試試樣總的拉伸負荷，該裝置在規(guī)定的試驗速度下無慣性滯后，指示負荷的誤差為±1%或更好。

3.3.2測控軟件

測控軟件必須能夠實現(xiàn)測試過程中數(shù)據(jù)的采集、輸出、處理分析。拉伸試驗中對采樣頻率沒有嚴格的要求，但是ASTM D638-10中對引伸計采集頻率要求最少20 Hz，所以采樣頻率不能低于20 Hz，一般采集頻率設為100 Hz。對于延伸率≥100%，且測試速度為1 mm/min的試驗采集頻率應該適當?shù)慕档托?，不然采集的?shù)據(jù)會非常龐大，甚至超出Excel的數(shù)據(jù)容量范圍。

4　總結

不同標準間的細節(jié)各不相同，對測試結果影響也各不相同。實際測試過程中要求實驗者熟悉各標準間的差異，根據(jù)測試目的來選擇合適的測試標準。測試數(shù)據(jù)的精確度、曲線的質量保障除了與測試標準有關外，還取決于試驗機的性能，要求實驗者熟知試驗機的核心技術參數(shù)，同時需要了解所選測試標準對試驗機的要求，選擇滿足測試需求的試驗機。

[1] 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局. JJF 1059.1-2012測量不確定度評定與表示[S]. 北京: 中國質檢出版社, 2012.

[2] 龔曉潔, 李小林. 模流分析技術在汽車塑料制品設計中的應用[C]. 汽車內外飾產品及新材料國際研討會論文集, 2009: 262.

[3] 國際標準委員會. ISO 527-1:2012 塑料 拉伸性能的測定 第1部分: 總則[S]. 瑞士: 國際標準委員會出版, 2012.

[4] 國際標準委員會. ISO 527-2:2012 塑料 拉伸性能的測定 第2部分: 模塑和擠塑塑料的試驗條件[S]. 瑞士: 國際標準委員會出版, 2012.

[5] 美國材料試驗協(xié)會. ASTM D638-2010 塑料抗張性能試驗方法[S]. 紐約: 美國材料試驗協(xié)會出版, 2010.

[6] 國際標準委員會. ISO 527-1:1993. 塑料 拉伸性能的測定 第1部分: 總則[S]. 瑞士: 國際標準委員會出版, 1993.

[7] 國際標準委員會. ISO 527-2:1993 塑料 拉伸性能的測定 第2部分: 模塑和擠塑塑料的試驗條件[S]. 瑞士: 國際標準委員會出版, 1993.

Discussion on Poisson’s Ratio Standard and Testing Technology of Plastic

DAI Ting,ZHANG Li-juan,XIA Yu-xin
（Shanghai Kingfa Sci.& Tech.Co.Ltd, Shanghai 201714, China）

Poisson’s ratio property test of plastic by means of ISO 527:2012 and ASTM D638-10 were compared. The different requirements of these standards on testing technology were discussed especially. The effect of testing machine on testing result was expounded. The technical requirements of measuring system of the testing machine were presented.

Poisson’s ratio; test standard; test machine; measuring system

TQ317.3

A

1009-220X(2016)02-0078-04 DOI: 10.16560/j.cnki.gzhx.20160202

2015-12-23

戴 婷（1987～），女，本科，工程師；主要從事高分子材料檢測的研究。tzdaiting@126.com