塑料泊松比測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試條件的簡(jiǎn)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(cè)試中心，塑料改性與加工國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510663)

彈性模量和泊松比是用來(lái)表征材料力學(xué)行為的兩個(gè)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(shí)的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變比值的負(fù)值［2］，其物理意義為試樣收縮變形時(shí)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(duì)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(wèn)題是泊松比的準(zhǔn)確測(cè)定。除了測(cè)試本身對(duì)設(shè)備的高精度要求，不同的條件設(shè)置也會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。而在通用的ISO 527:2012 標(biāo)準(zhǔn)中，并未明確提出泊松比的測(cè)試條件。因此本文將從引伸計(jì)間距、測(cè)試速率以及取值范圍方面進(jìn)行探索研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

ABS 原材料121;PA6 -30GF

1.2 主要儀器及設(shè)備

注塑機(jī)，CJ830 型，中國(guó)震德塑料機(jī)械有限公司;電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào):BT2-FR020TEW. A50，德國(guó)Zwick/Roell 公司;橫向引伸計(jì)，德國(guó)Zwick/Roell公司，精度等級(jí):1，分辨率:0.01μm;縱向引伸計(jì)，德國(guó)Zwick/Roell 公司，精度等級(jí):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(yàn)方法

采用ISO 527 -2:2012 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1A 型啞鈴型試樣，在溫度23℃，相對(duì)濕度49.8%的條件下調(diào)節(jié)48h 后，參照ISO 327 -2:2012 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不同條件設(shè)置下的測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)距對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

根據(jù)泊松比的定義，需要同時(shí)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(cè)定的準(zhǔn)確性通常受到縱向橫向應(yīng)變測(cè)試準(zhǔn)確性的限制［3］。而軸向與縱向的數(shù)據(jù)監(jiān)控是通過(guò)引伸計(jì)得到的。

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

表1 標(biāo)距對(duì)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(biāo)距測(cè)試得到的數(shù)據(jù)。當(dāng)縱向引伸計(jì)的標(biāo)距由50mm增加到75mm 時(shí)，拉伸模量與泊松比的變化都不大。說(shuō)明在試樣中間平行段范圍內(nèi)，縱向引伸計(jì)標(biāo)距的設(shè)置對(duì)其影響不大。

2.2 不同拉伸速率對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040.2 -2006 與ISO 527 -2:2012都未明確提出泊松比的測(cè)試速率要求，只是規(guī)定模量測(cè)試速率為1mm/min。而在ASTM D638 -2010的附錄A.2 中嚴(yán)格規(guī)定了泊松比的測(cè)試速率。在移開(kāi)引伸計(jì)前以5mm/min 的速度測(cè)試達(dá)到0.5%的應(yīng)變，同步測(cè)量應(yīng)力和應(yīng)變并記錄數(shù)據(jù)，同時(shí)建議數(shù)據(jù)收集速率至少為20 點(diǎn)/秒。這對(duì)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(duì)拉伸模量和泊松比測(cè)試的影響。

表2 拉伸速率對(duì)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(duì)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(wú)規(guī)律性。我們進(jìn)而采用標(biāo)準(zhǔn)方差來(lái)表征泊松比測(cè)試結(jié)果的離散性。當(dāng)拉伸速率為5mm/min 時(shí)，泊松比測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)方差最小，說(shuō)明離散性小。結(jié)果最為滿意。而當(dāng)拉伸速率為10mm/min 時(shí)，泊松比的測(cè)試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)方差增至最大，說(shuō)明數(shù)據(jù)波動(dòng)很大。這可能是由于在速度較大的情況下，引伸計(jì)監(jiān)控時(shí)間過(guò)短，尤其是橫向方向測(cè)試會(huì)出現(xiàn)一定偏差。

2.3 不同的取值范圍對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 527 -1:2012，建議在拉伸模量的測(cè)試范圍外取值，推薦取值起點(diǎn)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(cè)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(rèn)較通用的取值區(qū)間，我們分別選擇標(biāo)距75mm，拉伸速率5mm/min 進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)考慮到試樣在初始夾持時(shí)會(huì)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(dòng)，分別對(duì)兩種材料在0.3% ～0.8%應(yīng)變范圍內(nèi)取值，并進(jìn)行線性擬合，如下圖所示:

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

由圖1 可知，對(duì)ABS 試樣的橫縱向應(yīng)變曲線進(jìn)行線性擬合，擬合度達(dá)到0.99987，擬合得到的曲線斜率即泊松比，為0.426，而我們?cè)?.4% ～0.6%應(yīng)變范圍取值得到結(jié)果為0.422。同樣的，對(duì)于PA-GF30 試樣，其線性擬合達(dá)到0.99999，曲線斜率為0.416，也與測(cè)試得到的結(jié)果基本吻合。說(shuō)明在0.3% ～0.8%的應(yīng)變范圍內(nèi)進(jìn)行取值可以滿足大部分材料的測(cè)試需求。

3 結(jié)論

(1)對(duì)于ISO 527 -1 標(biāo)準(zhǔn)中的1A 型樣條，按照標(biāo)準(zhǔn)選擇50mm 與75mm 的標(biāo)距對(duì)泊松比測(cè)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(wú)規(guī)律性。但是采用ASTM D527-2010 推薦的5mm/min 的拉伸速率時(shí)，同組樣條的數(shù)據(jù)波動(dòng)性較小。建議對(duì)于ISO 樣條，可優(yōu)先采用5mm/min 的測(cè)試速率。

(3)在應(yīng)力應(yīng)變曲線上不同的取值范圍會(huì)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(huì)得到較理想的測(cè)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(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 1040.1 -2006 塑料拉伸性能的測(cè)定第1 部分:總則［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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.