国家高技术材料分析测试中心高速拉伸试验机
对于塑料制品而言，由于其种类繁多，含量成分不同，结构差异导致其性能各异，为保证塑料材料及其制品安全可靠的使用，对其开展性能检测十分必要，其中力学性能检测是其中最重要的检测之一。
常用塑料的力学性能测试如下：
1. 密度和比重
塑料的比重是试样的重量与一定温度下同体积水的重量之比，单位为g/cm3，通常用液体浮力法测定。
塑料密度测定仪
在同等质量条件下，密度越轻，根据ρ=m/V，比重越小。在同等体积和价格条件下，比重较小的材料可以生产出更多的产品，单个产品的材料成本会更低。还可以减轻产品的重量，节省运输成本。所以比重是一个非常重要的性质。当塑料取代金属等材料时，这是一个特别大的优势。
2.拉伸性能测试
基本概念：在拉伸试验中，此应力状态维持直至材料断裂，此时的最大拉应力称为拉伸强度。
实验原理：拉伸试验是沿材料纵轴方向对材料施加静态拉伸载荷，使其断裂，通过测量试样的屈服力和材料标距间的伸长率，得到材料的屈服强度、拉伸强度和伸长率。
基本定义：
拉伸应力：在测量规程范围内，试样每单位初始横截面积的拉伸载荷。
拉伸强度：拉伸试验过程中试样断裂前所能承受的最大拉伸应力。
拉伸断裂应力：拉伸应力-应变曲线上断裂时的应力。
拉伸屈服应力：拉伸应力-应变曲线上屈服点处的应力。
断裂伸长率：试样在拉伸作用下断裂时，标记间距离的增加量与初始标记长度的比值，以百分比表示。
弹性模量：在比例限度内，材料所受的应力与其响应的应变之比。
应力-应变曲线
将应力-应变对应值绘制成曲线，通常以应力值为纵坐标，应变值为横坐标。应力-应变曲线一般分为弹性变形区和塑性变形区两部分。在弹性变形区，材料发生可充分恢复的弹性变形，应力与应变成正比。曲线直线部分的斜率即为拉伸弹性模量值，代表材料的刚性，弹性模量越大，刚性越好。在塑性变形区，应力与应变的增加不再成正比，最终发生断裂。
常见拉伸试样形状
聚合物的应力-应变曲线
实验步骤：
①样品的状态调整及试验环境应符合国家标准的规定。
② 在试样中部平行处做标记线，指示标距长度。
③测量试件中部平行部分的厚度和宽度，精度为0.01mm，测量Ⅱ型试件中部平行部分的宽度，精度为0.05mm，测量3点，取算术平均值。
④夹具夹紧试样时，试样纵轴线应与上下夹具中心线重合，松紧度应适当。
⑤选择测试速度，进行测试。
⑥记录屈服荷载，或断裂荷载及标距间的伸长量，若试样断裂于中间平行处以外，则应丢弃该试样并另取一试样进行补正。
实验影响因素
（1）成型条件：由样品本身的微观缺陷和微观差异引起
（2）温度和湿度：
（3）拉伸速度：塑料是粘弹性材料，其应力松弛过程与变形速率密切相关，需要一段时间。
（4）预处理：材料在加工过程中，由于加热和冷却的时间及速度不同，容易产生局部应力集中。经一定温度进行热处理或退火，可消除内应力，提高强度。
（5）材料特性：结晶度、取向度、分子量及其分布、交联度
（6）老化：老化后强度明显下降
3. 压缩性能测试
基本概念：试样破坏时的最大压缩荷载除以试样的横截面积称为极限抗压强度或抗压强度。压缩试验是在轴向静压力下测定材料力学性能的试验，是测试材料力学性能的基本方法之一。与拉伸试验类似，通过压缩试验可以绘制压缩曲线。
实验原理：
压缩实验室中最常见的力学试验是将钯试样放在万能试验机的两个压板之间，沿试样两端的主轴以恒定的速率施加大小相等、方向相反的可测量力，使试样在轴向缩短，在径向增加，产生压缩变形，直到试样断裂或变形达到规定值（如 25%）。施加的载荷直接从试验机上读取，压缩应力根据以下公式计算。
σ = P / F
式中：σ-压应力，MPa；P-压缩荷载，N；F-试件原始横截面积，mm2。
试件在压缩载荷作用下的高度变化称为压缩变形，计算如下：
ΔH=H0-H
式中：ΔH--试样压缩变形量，mm；H0--试样原始高度，mm；H--试样在压缩过程中任意时刻的高度，mm。
ε=ΔH/H0
式中：ε-试样压缩应变；ΔH-试样压缩变形，mm；H0-试样原始高度，mm；H-试样在压缩过程中任意时刻的高度，mm。
E = (σ2-σ1) / (ε2-ε1)
式中：E--试样的压缩模量，MPa。
基本定义：
压缩屈服应力：指应力-应变曲线上应变首次增加，但应力不再增加的转折点（屈服点）所对应的应力，以MPa表示。
抗压强度：指压缩试验时，试样所能承受的最大压缩应力，以MPa表示。它不一定是试样破坏瞬间所承受的压缩应力。
恒应变压应力：指在某一特定应变下的压应力，即应变25%所对应的应力值，以MPa表示。
压缩模量：指应力-应变曲线线性范围内压缩应力与压缩应变的比值，以MPa表示，是应力-应变曲线上两点之间的应力差与所对应的应变之比。
影响因素：
（1）试件的长细比：（试件高度与试件截面最小回转半径之比）是最大的影响因素。试件受压时钢材的弹性模量，其上下端面与试验机压板之间产生很大的摩擦力，阻碍试件上下端面的侧向变形。试件高度越小，影响越大。
（2）试验速度：一般来说，随着试验速度的提高，抗压强度和压缩应变值都增大。试验速度在1-5mm/min时变化不大。压缩试验中同一试样必须用相同的试验速度进行试验，最好采用较低的试验速度。
4.弯曲性能试验
方法原理
试验时，将规定形状和尺寸的试样放在两个支撑件上，在两个支撑件的中点处施加集中载荷，使试样产生弯曲应力和变形。这种方法称为静态三点弯曲试验。（另一种加载方法是四点法，这里就不介绍了。）
弯曲试验设备
基本定义
挠度：弯曲试验时，试样中心固定面或底面偏离原始位置的距离。
弯曲应力：弯曲过程中任一时刻试样中段外层纤维的最大正应力。
弯曲强度：在达到规定挠度值时或之前，载荷达到最大值时的弯曲应力。
恒定弯曲应力：挠度等于试样厚度的1.5倍时的弯曲应力。
弯曲屈服强度：载荷-挠度曲线上，在不增加载荷的情况下，挠度突然增加的点处的应力。
实验步骤
①用游标卡尺测量试样中部宽度和厚度，测量三点，取平均值，精确至0.02mm。
②电子万能材料试验机使用前应预热30分钟。
③调整跨度，将试样放置在支架上，上压头与试样宽度方向的接触线必须垂直于试样长度方向，且试样两端紧靠支架两端。
④按下下降键，试验机按设定的参数开始工作，当压头接触试件时，计算机自动记录作用在试件上的荷载及产生的位移数据，当试件达到屈服点或断裂时，机器立即停止。
⑤保存数据，并根据数据制作弯曲载荷-位移曲线并保存。根据曲线图分析试样的弯曲力学行为。
实验影响因素
（1）试样尺寸及加工试样的厚度、宽度与弯曲强度、挠度有关。
（2）加载头半径与支撑面半径 加载头半径过小，易对试件造成较大的剪切力，影响弯曲强度；支撑面半径会影响试件跨度的准确性。
（3）应变速率 抗弯强度与应变速率有关，应变速率低时，抗弯强度也低。
（4）试验跨度当跨度与厚度比增加时，所有材料都表现出剪应力的下降。这说明增加跨度与厚度比可以减小剪应力，使三点弯曲试验更接近纯弯曲。
（5）温度对于同一种材料来说，屈服强度受温度的影响比脆性强度大。现行的塑性弯曲性能试验的国家标准是GB/T9341-2008。
5. 冲击强度的测定
冲击试验用于测量材料在高速冲击下的韧性或抵抗断裂的能力。
一般冲击试验方法有三种：
（1）摆锤式：试验装置形式有简支梁式（）——试样两端支撑，冲击中间；悬臂梁式（Izod）——试样一端固定，冲击自由端。
（2）落球式。
（3）高速拉伸法。此法虽然比较理想，可直接换算成应力-应变曲线，通过计算曲线下面积即可求得冲击强度，也可定性判断是脆性断裂还是延性断裂，但对拉伸机要求较高。
简支梁冲击试验较为常见，其原理如下：
实验影响因素
（1）冲击过程的能量消耗
① 试件发生弹性变形和塑性变形所需要的能量。
② 使试件产生裂纹和裂纹扩展至断裂所需的能量。
③试件破裂膨胀并飞出所需的能量。
④摆锤与支撑轴、摆锤叶片与试件之间因摩擦而损失的能量。
⑤ 摆锤运动时试验机固有的能量损失。
（2）温度与适用性 被测材料的冲击性能依赖于温度。
（3）试样大小 用同样的配方、同样的成型条件，但不同的厚度的材料做冲击试验时，所得的冲击强度是不同的。
（4）冲击速度 摆锤的冲击速度较高时，冲击强度的值下降。
6. 蠕变和应力松弛
高分子材料具有大分子链结构和独特的热运动，决定了其具有不同于低分子材料的物理性质。高分子材料力学行为的最大特点是具有较高的弹性和粘弹性，在外力和能量作用下，受温度、时间等因素的影响比金属材料更强烈，力学性能变化很大。
聚合物在应力作用下发生变形是通过调整内部分子构象来实现的。由于分子链构象的改变需要时间，除一般的弹性变形外，聚合物受应力后的变形与时间有很强的相关性，表现为应变滞后于应力。聚合物除了瞬时的一般弹性变形外，还具有慢性粘性流变性，通常称为粘弹性。聚合物的粘弹性可分为静态粘弹性和动态粘弹性。
静态粘弹性是指蠕变和松弛现象，与大多数金属材料不同，聚合物在室温下具有明显的蠕变和松弛现象。
高分子材料的蠕变是高分子材料在一定的温度和较小恒定的外力(拉、压或扭等)作用下，材料变形随时间逐渐增大的现象。
蠕变过程及原理
下图蠕变曲线中，t1为加载时间，t2为释放时间。从分子运动变化的角度看，蠕变过程包括以下三种变形：聚合物材料受到外力作用时，分子链内部的键长和键角立即发生变化，这种变形很小，称为一般弹性变形。分子链通过链段运动逐渐伸长而产生的变形称为超弹性变形。如果分子间没有化学交联，线性聚合物之间就会产生相对滑移，这种现象称为粘性流动，这种流动与材料的体积粘度有关。在玻璃化温度以下，链段运动的弛豫时间很长，分子间的内摩擦阻力很大，因此主要发生一般弹性变形。在玻璃化温度以上，主要发生一般弹性变形和超弹性变形。当温度升至材料的粘性流动温度以上时，这三种变形更为显著。 由于粘流不可恢复，对于线性聚合物而言，当外力撤去后，还会残留一部分无法恢复的变形，这部分变形称为永久变形。
线性聚合物的蠕变曲线
蠕变与温度、外力有关。温度过低，外力过小，蠕变就很小很慢，短时间内不易察觉。温度过高，外力过大，变形发展过快，感觉不到蠕变现象。在适当的外力作用下，通常不远高于聚合物的玻璃化转变温度，链段在外力作用下虽然能移动，但它们受到的内摩擦力比较大，所以只能缓慢移动，可以观察到比较明显的蠕变现象。
蠕变是材料的弹性与黏度相互作用的结果，如果材料弹性好，其蠕变应力就大，蠕变温度就高，如果黏度大于弹性，则相反。这样我们才能掌握实际可能的情况。所以一般来说，特别是塑料或压敏胶，材料加工要求蠕变好（流动性好），而材料应用要求蠕变差（材料稳定，蠕变就是材料发生变化）。蠕变涉及到材料结构、分子量、分子链等因素。要避免蠕变，就要想办法让材料稳定，比如增加弹性提高临界应力，加抗氧剂让耐老化性好，分子结构稳定等。
7. 缓解压力
应力松弛是聚合物在一定温度和形变条件下，其内部应力随时间逐渐衰减的现象。这种现象在日常生活中也可以观察到，例如橡胶松紧带刚开始使用时感觉很紧，但使用一段时间后就会变松。也就是说，要达到同样的形变量，需要的力越来越小。非交联橡胶的应力松弛速度更快，应力可以完全松弛到零，而交联橡胶则不能完全松弛到零。
线性聚合物应力松弛的分子机理如图所示。拉伸时，张力迅速作用，使缠结的分子链伸长，但这种拉直的构象是不平衡的。由于热运动，分子链会再次卷曲，但变形是固定的，因此链可能解开并进入新的随机卷曲平衡状态，因此应力松弛为零。交联聚合物无法解开，因此应力无法松弛到零。
线性聚合物应力松弛的分子机制
杠杆式拉伸应力松弛仪
8. 洛氏/肖氏硬度
定义：材料抵抗较硬的物体压入其表面的能力。
目的：测量材料的适用性，间接了解材料的摩擦性能、拉伸性能、固化程度等力学性能
常用的硬度测试方法：肖氏硬度、洛氏硬度。硬度反映产品的硬度，是测量一个硬圆球在受力下下沉时抵抗力的实验。如果塑料中含有较多的胶水，冲击强度会提高，但硬度会下降。
布氏硬度
布氏硬度试验起源于1900年，是最早被广泛接受的测试方法。它的原理是利用球压头D以一定的压力F在材料表面产生压痕，然后利用光学系统测量压痕直径d，最后通过经验公式计算出布氏硬度值，如图所示。
关于测试过程
①选择试验力和合适的球压头D
② 必要时处理样品表面
③固定样品，使其平整钢材的弹性模量，上下表面平行
④ 对样品表面施加力F（必须缓慢增加并适当保持以确保塑性变形）
⑤测量施加力后留下的压痕直径d
⑥计算最终布氏硬度值
计算如下：
关于压头的材质
布氏硬度试验早期的压头材料为硬化钢（符号HBS），这种材料不适用于很硬的材料（>450HB），而且容易变形，最终会导致试验结果出现较大的误差。ISO和ASTM标准先后推荐所有布氏硬度试验均采用WC（碳化钨，符号HBW）球，这种球可适用于高达650HB的试验范围，而且更加耐用。
关于压痕大小
压痕太小，难以准确测量，压头损坏的风险也增大；压痕太大，硬度试验的灵敏度会下降。因此，标准规定了压痕尺寸的上限和下限，压痕直径与压头直径之比d/D应在0.24~0.6之间。试验时，选择合适的球压头直径和载荷大小与被测材料相匹配很重要。
关于缩进位置
硬度试验中压痕产生过程会产生残余应力和加工硬化，太靠近边缘会导致材料不足以限制压痕周围的变形区，因此如果压痕位置不合适，测试结果容易出现误差。
布氏硬度压痕位置选择
关于尺度选择
布氏硬度试验需要良好的标尺（载荷大小和球压头直径的组合）。布氏硬度标尺通常采用压痕相似原理设计。
压痕相似原则：对于压头直径与载荷的不同组合，只有压痕角度相同时，材料的硬度值才具有可比性。对于同一种材料，当载荷与压头直径平方的比值（K=F/D²）相同，压痕角度相同，所得的硬度值也相同。
布氏硬度压痕相似原理示意图
压痕角度在28°和74°之间，硬度值变化不大，44°（d/D=0.375）为最合理条件。对于同一种材料，/500约相当于/3000。因此，不同比例下的测量结果不具有可比性。如表2所示，HB30、HB10、HB5标尺下测得的硬度值不能进行比较。
表2.布氏硬度的常见K值
K值的选取有一定的要求，通常硬度高的材料采用较大的K值，硬度低的材料采用较小的K值，常用的K值选取如表3所示。
表3 K值选取
最小样品厚度
布氏硬度试验时，试验力极易使试样发生扭曲、变形和移动，造成误差。因此，ASTM试样厚度须为压痕深度的10倍。不同尺度所要求的最小试样厚度如表4所示。
表4 最小厚度与硬度值对照表
关于硬度值的表达
关于测试的优点和局限性
① 优点
相对较宽的测试范围8~；可以在不同的试验力之间比较硬度值（对于相同的F/D2）；压痕较大；对样品表面状况不敏感；可测试大块材料的硬度；对光学测量误差不敏感；非常适合测试大晶粒材料；与拉伸强度有很好的对应性。
② 局限性
压痕较大则无法辨别局部区域的硬度值变化；不适合测试涂层、薄样品；不适合高硬度材料的硬度测试；通过光学显微镜测量压痕时，不同的操作者对测量的影响较大；不建议测试曲面。
关于应用程序
适用于铸铁、锻件、各种退火和回火钢、有色金属、硬质合金、陶瓷、不锈钢等。广泛应用于汽车、航空工业、实验室和车间的样品检测和质量控制。它可以测量扁平和圆柱形的工件，但不适用于测量太硬、太小、太薄或不允许在表面留下较大压痕的样品或工件。
洛氏硬度
洛氏硬度起源于20世纪初，是洛氏（SP）提出的一个学术概念。洛氏硬度试验的原理是通过压痕塑性变形的深度来确定硬度值。
洛氏硬度原理图
（1-1为加上初试验力后压头的位置；
2-2加上初试验力+主试验力后压头的位置；
3-3 撤去主试验力后压头的位置；
主试验力撤除后弹性恢复率)
关于测试过程
根据材料选择一定的标尺（HRA、HRB、HRC等）
适当的材料表面处理
对材料表面施加初始试验力，得到压痕深度h1
将主试验力施加于材料表面
除去主试验力，得到压痕深度h2
计算深度差h=h2-h1，通过公式计算洛氏硬度值
关于样品处理
采用洛氏硬度试验方法时，需要根据不同的尺度和试样情况对试样表面进行处理。
常规洛氏硬度：表面精抛光即可满足要求
表面洛氏硬度：建议采用抛光面（≤3um）
关于压头的类型
关于缩进位置
与洛氏硬度类似，压痕与边缘之间的距离至少为压痕直径的2.5倍（且要求与边缘的距离不小于1毫米），两个压痕之间的距离至少为压痕直径的3倍。
关于样品厚度
洛氏硬度试验对试样尺寸有要求，试样厚度不能小于残余压痕深度的10倍，且背面不应有明显的变形痕迹。试样的厚度决定了载荷的选择，载荷必须保证其引起的变形小于试样的最小厚度。每一种硬度试验都有一个最小可测厚度，根据压头类型不同，有：
使用金刚石压头时，最小样品厚度是压痕深度的10倍。
球压头试样的最小厚度至少为压痕深度的15倍。
关于硬度值的表达
错误的主要来源
压头尖端破裂（通常导致硬度读数偏高）；被测材料或夹具轨道变形（通常导致硬度读数偏低）；振动过大（通常导致硬度读数偏低）；表面准备不良（注意准备工作还包括测试部件底部和测试台）；压头与样品表面之间的压痕角度（偏差不超过2度）
关于测试的优点和局限性
优势：
不需光学测量即可获得硬度值，快速、简单，不同操作者对结果影响较小，表面粗糙度对结果影响较小。
局限性：
量表种类太多，压头和试验力的组合也不同。
关于应用程序
洛氏硬度试验有30种不同的标度，涵盖了几乎所有材料的硬度测试。以下是其一些典型的应用：
常规洛氏：端面淬火试验、齿轮、钢筋、紧固件、汽车部件、轴承、热处理工件、硬质合金等。
地面岩石：细钢板，电线，小直径杆，罐装钢板，涂料，硬化层。
有些材料来自互联网
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