材料科学基础实验讲义温州大学化学与材料工程学院
材料科学基础 实验讲义 温州大学 化学与材料工程学院
目录实验一塑料拉伸强度的测定3.10实验二塑料冲击强度的测定实验三塑料弯曲强度实验14...21实验四有机玻璃透光率和雾度的测定...26实验五陶瓷显微硬度的测定..30.实验六PVC人造革透湿度的测定..32实验七陶瓷热稳定性的测定..实验八塑料软化点（维卡）的测定.3537..38实验九材料氧指数测试...42实验十材料耐磨性能测试.实验十一平板法测定材料导热系数..48实验十二、材料的介电强度测试.542
2 目录 实验 一 塑料拉伸强度的测定.3 实验二 塑料冲击强度的测定.10 实验 三 塑料弯曲强度实验.14 实验四 有机玻璃透光率和雾度的测定.21 实验 五 陶瓷显微硬度的测定.26 实验六 PVC 人造革透湿度的测定.30 实验七 陶瓷热稳定性的测定.32 实验八 塑料软化点（维卡）的测定.35 37 实验九 材料氧指数测试.38 实验十 材料耐磨性能测试.42 实验十一 平板法测定材料导热系数 .48 实验十二、材料的介电强度测试.54
实验一塑料拉伸强度的测定【实验目的】（1）掌握塑料拉伸强度的测定方法。(2）学会由被测试材料的应力-应变曲线判断材料的类型。【实验原理】塑料的拉伸性能是塑料力学性能中最重要、最基本的性能之一。几乎所有的塑料都要考核拉伸性能的各项指标，这些指标的高低很大程度地决定该种塑料的使用场合。拉伸性能的好坏，可以通过拉伸试验进行检验。如拉伸强度、拉伸断裂应力、拉伸屈服应力、偏置屈服应力、拉伸弹性模量、断裂伸长率等。从这些测试值的高低，可对塑料的拉伸性能作出评价。拉伸试验测出的应力、应变对应值，可绘制应力一应变曲线。从曲线上可得到材料的各项拉伸性能指标值。曲线下方所包括的面积代表材料的拉伸破坏能。它与材料的强度和韧性相关。强而韧的材料，拉伸破坏能大，使用性能也佳。拉伸试验可为质量控制，按技术要求验收或拒收产品。研究、开发与工程设计及其他目的提供数据。所以说，拉伸性能测试是非常重要的一项试验。（1）定义1.拉伸应力一一试样在计量标距范围内，单位初始横截面上承受的拉伸负荷。2.拉伸强度一在拉伸试验中，试样直到断裂为止，所承受的最大拉伸应力。3．拉伸断裂应力一一在拉伸应力一应变曲线上，断裂时的应力4．拉伸屈服应力一一在拉伸应力-应变曲线上，屈服点处的应力。5.偏置屈服应力一一应力一应变曲线偏离直线性达规定应变百分数（偏置）时的应力。3
3 实验 一 塑料拉伸强度的测定 【实验目的】 (1) 掌握塑料拉伸强度的测定方法。 (2) 学会由被测试材料的应力 -应变曲线判断材料的类型。 【实验原理】 塑料的拉伸性能是塑料力学性能中最重要、最基本的性能之一。几乎所有的 塑料都要考 核拉伸性能的各项指标 , 这些指标的高低很大程度地决定该种塑料的使用场合。 拉伸性能的好坏 , 可以通过拉伸试验进行检验。如拉伸强度、拉伸断裂应 力、拉伸屈服 应力、偏置屈服应力、拉伸弹性模量、断裂伸长率等。从这些测 试值的高低 , 可对塑料的拉 伸性能作出评价。 拉伸试验测出的应力、应变对应值 , 可绘制应力一应变曲线。从曲线上可 得到材料的各 项拉伸性能指标值。曲线下方所包括的面积代表材料的拉伸破坏 能。它与材料的强度和韧性 相关。强而韧的材料 , 拉伸破坏能大 , 使用性能 也佳。 拉伸试验可为质量控制 , 按技术要求验收或拒收产品。研究、开发与工程 设计及其他目 的提供数据。所以说 , 拉伸性能测试是非常重要的一项试验。 （1）定义 1. 拉伸应力——试样在计量标距范围内 , 单位初始横截面上承受的拉伸负荷。 2. 拉伸强度——在拉伸试验中 , 试样直到断裂为止 , 所承受的最大拉伸应 力。 3. 拉伸断裂应力——在拉伸应力一应变曲线上 , 断裂时的应力。 4. 拉伸屈服应力——在拉伸应力 -应变曲线上 , 屈服点处的应力。 5. 偏置屈服应力——应力一应变曲线偏离直线性达规定应变百分数 ( 偏置 ) 时的应力
6．断裂伸长率一一在拉力作用下，试样断裂时，标线间距离的增加量与初始标距之比的百分率。7.弹性模量一在比例极限内，材料所受应力（拉、压、弯、扭、剪等）与产生的相应应变之比。8．屈服点。应力-应变曲线上，应力不随应变增加的初始点。9．应变。材料在应力作用下，产生的尺寸变化与原始尺寸之比。（2）高分子材料应力-应变的五种类型A.特点是软而弱一一拉伸强度低，弹性模量小，且伸长率也不大，如溶胀的凝胶等。B.特点是硬而脆一拉伸强度和弹性模量较大。断裂伸长率小，如聚苯乙C.特点是硬而强。拉伸强度和弹性模量大，且有适当的伸长率，如硬聚氯乙D.的特点是软而韧。断裂伸长率大，拉伸强度也较高，但弹性模量低，如天然橡胶、顺丁橡胶等。E.特点是硬而韧。弹性模量大、拉伸强度和断裂伸长率也大，如聚对苯二甲酸乙二醇醋、尼龙等。由以上5种类型的应力-应变曲线，可以看出不同的高分子材料的断裂过程
4 6. 断裂伸长率——在拉力作用下 , 试样断裂时 , 标线间距离的增加量与初 始标距之比的百分率。 7. 弹性模量——在比例极限内 , 材料所受应力 ( 拉、压、弯、扭、剪等 ) 与 产生的相应应变之比。 8. 屈服点。应力 -应变曲线上 , 应力不随应变增加的初始点。 9. 应变。材料在应力作用下 , 产生的尺寸变化与原始尺寸之比。 （2）高分子材料应力-应变的五种类型 A. 特点是软而弱——拉伸强度低 , 弹性模量小 , 且伸长率也不大 , 如溶胀 的凝胶等。 B. 特点是硬而脆——拉伸强度和弹性模量较大 , 断裂伸长率小 , 如聚苯乙 C. 特点是硬而强。拉伸强度和弹性模量大 , 且有适当的伸长率 , 如硬聚氯乙 D. 的特点是软而韧。断裂伸长率大 , 拉伸强度也较高 , 但弹性模量低 , 如天 然橡胶、顺丁橡胶等。 E. 特点是硬而韧。弹性模量大、拉伸强度和断裂伸长率也大 , 如聚对苯二甲 酸乙二醇醋、尼龙等。 由以上 5 种类型的应力 -应变曲线 , 可以看出不同的高分子材料的断裂过 程
F1e2r%6脆性材料曲线a有购服点的绑件材料曲线h和曲线d无屈服点的韧性材料曲线d上(e=0.00051=0.0025）仅表示通过016,）和(02+e），按3.3计算拉模量E，时所用的两个点。图1典型应力/应变曲线（3）实验试样与设备a.试样形状：拉伸试验共有4种类型的试样：1型试样（双铲型），见图2-3；II型试样（哑铃型），见图2-4;I型试样（8字型），见图2-5；IV型试样（长条型），见图2-6
5 （3）实验试样与设备 a. 试样形状:拉伸试验共有 4 种类型的试样 : I 型试样 ( 双铲型 ), 见图 2-3；Ⅱ 型试样( 哑铃型 ), 见图 2-4; Ⅲ型试样 (8 字型 ), 见图 2-5；Ⅳ型试样 ( 长条型 ), 见图 2-6
H2-31型试样[图]24■型试样表2-1|型试样尺寸及公差守号名称尺寸，mm公考.mm符号名称尺寸.mn公差，mmI总长（最小）150W联部宽度20±0.2H夹共距高115原度+5.0d4中间平行部分长度60±0.5中间平行部分宽度10± 0. 2G标距（或有效部分50±0.5R半径（最小）60表2-2型试样尺寸及公差守号名称尺寸，mm公差，mm符号名称尺寸.mm公，mimL总长（最小）115厚度d2-n火H间离80±5n中间平行部分宽度6±0.4中间平行部分长度C33±2小半径14±1RoG标距（或有效部分）25±1人半径25±225W端部宽度±1表2-3■型试样尺寸及公差尺寸，mm符号名称符号名称尺寸，mm110h251.总长中间平行部分宽度c9.5Ro6.5中间乎行部分长段瑞部十径do3.2Ri75中间乎行部分原度装雨半径di瑞部原度6.5R2侧面半径75W端部宽度45--表2-4V型试样尺寸及公差符号行号名称尺十.mm公差，mm名称R.nm公差，nm150+5L总长（最小）250T.a加强片间长度If170±3厚度2~~10具向距肉doGo标距（成有效部分）100+0.5di加强片厚度3~10w宽度25或50+0.56加强片角度5~301加嘴片最小长度50d加强片B-R2EN34EL[图2-5型试伴图2-6N型试样6
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b.实验仪器设备。拉伸机（瑞格尔万能电子拉伸试验机）、游标卡尺、直尺、千分尺、记号笔。c.拉伸时的速度设定：塑料属粘弹性材料，它的应力松弛过程与变形速率紧密相关，应力松弛需要一个时间过当低速拉伸时，分子链来得及位移、重排，呈现韧性行为。表现为拉伸强度减小，而断裂伸长率增大。高速拉伸时，高分子链段的运动跟不上外力作用速度，呈现脆性行为。表现为拉伸强度增大，断裂伸长率减小。由于塑料品种繁多，不同品种的塑料对拉伸速度的敏感不同。硬而脆的塑料对拉伸速度比较敏感，一般采用较低的拉伸速度。韧性塑料对拉伸速度的敏感性小一般采用较高的拉伸速度，以缩短试验周期，提高效率。拉伸试验方法国家标准规定的试验速度范围为1~500mm/min，分为9种速度速度AInm/min+50%速度F50mm/min-10%速度B2mm/min±20%速度G100mm/min±10%速度C5mm/min=20%速度H200mm/min110%速度D10mm/min二20%速度】500mm/min=10%速度E20mm/min±10%不同品种的塑料可在此范围内选择适合的拉伸速度进行试验。表2-5不向塑料优选的试样类型及相关柔件试样制备试样最佳厚度试验速度试样材料试祥类型方法mm注塑硬质热塑性塑料4B.C.DE、F模压热塑性增强塑料1硬质热塑性塑料板AB、C、D、型2机械加工热周性塑料板E.FG（包括层压板）7
7 b. 实验仪器设备。 拉伸机 ( 瑞格尔万能电子拉伸试验机) 、游标卡尺、直尺、千分 尺、记号 笔。 c. 拉伸时的速度设定： 塑料属粘弹性材料 , 它的应力松弛过程与变形速率紧密相关 , 应力松弛需 要一个时间过当低速拉伸时 , 分子链来得及位移、重排 , 呈现韧性行为。表 现 为拉伸强度减小 , 而断裂伸长率增大。高速拉伸时 , 高分子链段的运动跟不上 外力作用速 度 , 呈现脆性行为。表现为拉伸强度增大 , 断裂伸长率减小。由于 塑料品种繁多 , 不同品种 的塑料对拉伸速度的敏感不同。硬而脆的塑料对拉伸 速度比较敏感 , 一般采用较低的拉伸速 度。韧性塑料对拉伸速度的敏感性小 , 一般采用较高的拉伸速度 , 以缩短试验周期 , 提高效率。 拉伸试验方法国家标准规定的试验速度范围为 1~500mm/min, 分为 9 种速度 不同品种的塑料可在此范围内选择适合的拉伸速度进行试验
衣试样制备试样最佳厚度试验速度试样材料试样类型方法mm注塑I软质热塑性塑料模压2F、G、H、1板材机械加.门软质热型作塑料板型板材冲切加工热固性塑料1注塑C（包括填充、增强塑型模压料)N型机械加工B.C.D热固增强塑料板【实验步骤】(1）在试样中间平行部分坐标线，示明标距Go，(2）游标卡尺、千分尺测量标线间试样的厚度和宽度，每个试样测量3点，取算术斗均值。(3）试验速度应根据受试材料和试样类型进行选择。（4）夹具夹持试样时，要使试样纵轴与上、下夹具中心连线重合，且松紧要适宜。防」试样滑脱或断在夹具内。5）根据材料强度的高低选用不同吨位的试验机，使示值在表盘满刻度的10%~90%范围内，示值误差应在土1%之内。并及时进行校准。(6）试祥断裂在中间平行部分之外时，此试验作废，应另取试样补做。(7)记录。【实验结果计算】(1）拉伸强度或拉伸断裂应力、拉伸屈服应力、偏置屈服应力按下式计算：P×10-:（公式3.1）b-d式中：ot-一拉伸强度或拉伸断裂应力、拉伸屈服应力、偏置屈服应力,MPaP一一最大负荷或断裂负荷、屈服负荷、偏置屈服负荷,N;B——试样宽度,m;d—一试样厚度,m。(2）断裂伸长率按下式计算：G-Gox100%（公式3.2）6.G
8 【实验步骤】 (1) 在试样中间平行部分坐标线 , 示明标距 Go 。 (2) 游标卡尺、千分尺测量标线间试样的厚度和宽度 , 每个试样测量 3 点 , 取 算术斗均值。 (3) 试验速度应根据受试材料和试样类型进行选择。 (4) 夹具夹持试样时 , 要使试样纵轴与上、下夹具中心连线重合 , 且松紧要适 宜。防』 试样滑脱或断在夹具内。 (5) 根据材料强度的高低选用不同吨位的试验机 , 使示值在表盘满刻度的 10%~90%范围内 , 示值误差应在± 1% 之内。并及时进行校准。 (6) 试祥断裂在中间平行部分之外时 , 此试验作废 , 应另取试样补做。 (7) 记录。 【实验结果计算】 (1) 拉伸强度或拉伸断裂应力、拉伸屈服应力、偏置屈服应力按下式计算 : 6 t 10 P b d .（公式3.1） 式中： σt ——拉伸强度或拉伸断裂应力、拉伸屈服应力、偏置屈服应力 ,MPa; P ——最大负荷或断裂负荷、屈服负荷、偏置屈服负荷 ,N; B——试样宽度 ,m; d ——试样厚度 ,m 。 (2) 断裂伸长率按下式计算 : 0 0 t 100% G G G .（. 公式3.2）
式中t一一断裂伸长率%Go一一试样原始标距,mG一一试样断裂时标线间距离，m。(3）弹性模量按下式计算E, = 0, -01（公式3.3）62-6j式中：Er-拉伸弹性模量，单位为兆帕(MPa);0I—应变值c/=0.0005时测量的应力，单位为兆帕(MPa)；62—应变值c2=0.0025时测量的应力，单位为兆帕(MPa)。(4）标准偏差值按下式计算Z(x - x)S:（公式3.4）n-1式中S—一标准偏差值：xi—一单个测定值R一一组测定值的算术平均值；n一一测定个数。计算结果以算术平均值表示，8t取3位有效数字；εt、S取2位有效数字。【影响因素】温度的影响，高分子材料的力学性能表现出对温度的依赖性，随着温度的升高，拉伸强度降低，而断裂伸长率则随温度升高而升高。因此试验要求在规定的温度下进行。【思考题】(1）请说出不同材质的塑料应力一应变曲线有何不同？(2）请说出实验室温度对试样测试结果有何影响？
9 式中εt ——断裂伸长率 ,%； Go ——试样原始标距 ,m G ——试样断裂时标线间距离 ,m 。 (3) 弹性模量按下式计算 2 1 2 1 Et .（公式3.3） 式中：Et – 拉伸弹性模量，单位为兆帕(MPa)； σ1—应变值ε1=0.0005时测量的应力，单位为兆帕(MPa)； σ2—应变值ε2=0.0025时测量的应力，单位为兆帕(MPa)。 (4) 标准偏差值按下式计算 : ( ) 1 i x x S n .（公式3.4） 式中 S——标准偏差值 ；xi——单个测定值 R——组测定值的算术平均值 ； n ——测定个数。 计算结果以算术平均值表示 , δ t 取 3 位有效数字 ; ε t 、 S 取 2 位 有效数字。 【影晌因素】 温度的影响 , 高分子材料的力学性能表现出对温度的依赖性 , 随着温度的 升高 , 拉伸强 度降低 , 而断裂伸长率则随温度升高而升高。因此试验要求在规 定的温度下进行。 【思考题】 (1) 请说出不同材质的塑料应力一应变曲线有何不同 ? (2) 请说出实验室温度对 试样测试结果有何影响 ?
实验二塑料冲击强度的测定【实验目的】1掌握塑料冲击性能的试样原理2.掌握简支梁、悬臂梁冲击实验方法；3.认识冲击试样的选择原则和数据处理方法。【实验原理】冲击实验是测定塑料材料和制品在高速冲击状态下的韧性或对断裂的抵抗能力。这一实验对研究塑料在经受冲击载荷时的力学行为有一定的实际意义。塑料制品在使用的过程中，经常受到外力冲击作用致使受到破坏。因此，在塑料材料的力学性能测试中，只进行静力实验是不能满足材料使用要求的。所以必须对塑料材料进行动载荷实验，这一点在其工程设计中尤其重要。冲击强度是塑料韧度的主要指标。测量冲击强度有两种试验方法：一种是摆锤式冲击试验，另一种是落球式冲击试验，最常用的是摆锤式冲击实验d摆锤式冲击实验又分两种：悬臂梁式和简支梁式冲击实验。试样类型长度L/rnm宽度MIRIII厚度h/mII1180.0±210.0±0.24.0±0.2H12.7±0.2血63.5±212.7±0.26.4±0.2凹3.2±0.2缺口底部剩余宽度缺口类型缺口底部半径r/mmbn/mIII无缺口A0.25±0.058.0 ±0.2B1.0±0.058.0±0.210
10 实验二 塑料冲击强度的测定 【实验目的】 1. 掌握塑料冲击性能的试样原理 2. 掌握简支梁、悬臂梁冲击实验方法； 3. 认识冲击试样的选择原则和数据处理方法。 【实验原理】 冲击实验是测定塑料材料和制品在高速冲击状态下的韧性或对断裂的抵抗 能力。这一实验对研究塑料在经受冲击载荷时的力学行为有一定的实际意义。塑 料制品在使用的过程中 , 经常受到外力冲击作用致使受到破坏。因此 , 在塑料 材料的力学性能测试中 , 只进行静力实 验是不能满足材料使用要求的。所以必 须对塑料材料进行动载荷实验 , 这一点在其工程设计 中尤其重要。 冲击强度是塑料韧度的主要指标。测量冲击强度有两种试验方法 : 一种是 摆锤式冲击试 验 , 另一种是落球式冲击试验 , 最常用的是摆锤式冲击实验 d 摆锤式冲击实验又分两种 : 悬 臂梁式和简支梁式冲击实验。 试样类型 长度L/rnm 宽度MIRIII 厚度h/mII1 I 80.O 土2 10.O士0.2 4.O ±0.2 H 12.7土0.2 皿 63.5士2 12.7土0.2 6.4士0.2 凹 3.2±0.2 缺口类型 缺口底部半径r/mm 缺口底部剩余宽度 bn/mIII 无缺口 A 0.25士0.05 8.O ±0.2 B 1.O土0.05 8.0士0.2