纤维增强塑料拉伸性能试验方法
纤维增强塑料拉伸性能试验具有重要意义，它为评估材料性能提供了科学有效的方法。通过该试验可以准确测定拉伸应力、弹性模量、泊松比、断裂伸长率等关键性能参数，这些参数对于材料的评估和应用至关重要。
（一）试验目的及意义
拉伸应力反映了材料在拉伸状态下的承载能力，弹性模量则体现了材料的刚度。通过试验测定这些参数，可以了解材料的力学性能，为材料的设计、制造和使用提供依据。例如，在建筑领域，准确掌握纤维增强塑料的拉伸性能，可以确保建筑结构的安全性和稳定性；在交通领域，如铁路交通，了解材料的拉伸性能有助于设计更轻、更强的车辆部件。
（二）应用领域展示
纤维增强塑料在建筑领域应用广泛。如在土木工程中，可作为新型结构材料，用于建造桥梁、房屋等。例如，FRP 和混凝土构件混合结构梁材，将拱形混凝土构件放置在浴缸形 FRP 梁框体内，充分发挥了 FRP 的抗拉强度和混凝土的抗压强度，降低了制造成本。在交通领域，玻璃纤维增强塑料在铁路交通领域具有诸多优势。其强度和刚度与钢材相当，但密度仅为钢材的五分之一，可减轻车辆重量，降低能耗。同时，具有优异的耐腐蚀性能，能够承受各种恶劣环境的腐蚀，延长车辆的使用寿命。在汽车等交通运输领域，短纤维增强热塑性塑料作为一种新型材料，具有质量轻、抗刮、耐腐蚀、电绝缘等优点，与普通塑料相比，具有更好的刚性、拉伸强度、弯曲模量、尺寸稳定性等特点，被广泛应用。
（一）测试原理详解
纤维增强塑料拉伸性能试验的原理是沿试样轴向匀速施加静态拉伸载荷，直到试样断裂或达到预定的伸长。在这个过程中，测量施加在试样上的载荷和试样的伸长，从而测定拉伸应力（拉伸屈服应力、拉伸断裂应力或拉伸强度）、拉伸弹性模量、泊松比、断裂伸长率和绘制应力 - 应变曲线等性能参数。例如，在测定拉伸应力时，通过不断增加载荷，观察试样在不同应力下的变形情况，当试样达到屈服点、断裂点或最大载荷时，记录相应的载荷值，根据试样的横截面积计算出拉伸应力。对于拉伸弹性模量的测定，是在加载过程中测量试样的变形量，根据应力与应变的关系计算得出。泊松比则是通过测量试样在轴向拉伸时的横向收缩与轴向伸长的比值来确定。
（二）试验仪器介绍
电子拉力试验机是纤维增强塑料拉伸性能试验中常用的设备之一。它具有诸多特点和功能，如采用高精度、全数字调速系统及精密减速系统，驱动精密丝杠副进行试验，实现试验速度的大范围调节，试验过程噪音低、运行平稳。可选用万向节十字插销结构，便于试样夹持，保证试验同心度，同时消除不规则试样对传感器的影响。采用 Windows 操作系统，人性化操作界面，可显示试验方法选择界面、试验参数选择界面、试验操作及结果显示界面和曲线显示界面，并可实时显示各参数曲线，便于试验数据分析和过程监控。还具有过流、过压、过载等保护装置，配置打印机，可直接实现试验过程的控制及数据的存储、打印。此外，试验机的软件功能强大，提供使用者设定所需应用的测试标准设定，范围涵盖 GB、ASTM、DIN、JIS、BS 等测试标准规范；可输入试品资料，一次输入数据重复使用，并可自行增修公式以提高测试数据契合性；开放式使用者编辑报表，供测试者选择自己喜好的报表格式；各长度、力量单位、显示位数采用动态互换方式；可实现图形曲线尺度自动化，具有荷重 - 位移、荷重 - 时间、位移 - 时间、应力 - 应变荷重 - 2 点延伸图，以及多曲线对比等功能；测试结果可以 WORD、EXCEL 格式的数据形式输出；测试结束可自动存档、手动存档，测试完毕自动求算多种力学性能参数；数据备份方便，软件具有历史测试数据演示功能。
（三）加载速度规定
在纤维增强塑料拉伸性能试验中，加载速度的规定因试验阶段和试样类型的不同而有所区别。测定拉伸弹性模量、泊松比、断裂伸长率和绘制应力 - 应变曲线时，加载速度一般为 2mm/min。测定拉伸应力（拉伸屈服应力、拉伸断裂应力或拉伸强度）时，常规试验中，I 型试样的加载速度为 10mm/min；Ⅱ、Ⅲ 型试样的加载速度为 5mm/min；仲裁试验中，I、Ⅱ 和 Ⅲ 型试样的加载速度均为 2mm/min。这样的加载速度规定是为了确保试验结果的准确性和可靠性，不同的加载速度可能会对材料的性能参数产生影响，因此需要根据具体情况进行选择。
（一）试样型式与尺寸
测定拉伸应力、拉伸弹性模量、断裂伸长率和应力 - 应变曲线的试样型式和尺寸多样。其中，I 型试样适用于纤维增强热塑性和热固性塑料板材；Ⅱ 型试样适用于纤维增强热固性塑料板材。I、Ⅱ 型仲裁试样的厚度为 4mm。Ⅲ 型试样只适用于测定模压短切纤维增强塑料的拉伸强度，其厚度分为 3mm 和 6mm 两种，仲裁试样的厚度为 3mm。
测定泊松比的试样型式和尺寸也有特定要求，具体见图 4。
对于纤维织物增强塑料，缺口方向与布层垂直的试样型式和尺寸见图 1；缺口方向与布层平行的试样型式和尺寸见图 2。短切纤维增强塑料的试样型式和尺寸见图 3。试样宽度 b 为板的厚度，一般取 6 - 10mm，仲裁试样的宽度为 10mm。当板厚大于 10mm 时，单面加工至 10mm，缺口开在加工面上。
（二）试样制备方法
机械加工法：
试样的取位区，一般宜距板材边缘（已切除工艺毛边）30mm 以上，最小不得小于 20mm。若取位区有气泡、分层、树脂淤积、皱褶、翘曲、错误铺层等缺陷，则应避开。
纤维增强塑料一般为各向异性，应按各向异性材料的两个主方向或预先规定的方向（例如板的纵向和横向）切割试样，且严格保证纤维方向和铺层方向与试验要求相符。
纤维增强塑料试样应采用硬质合金刃具或砂轮片等加工。加工时要防止试样产生分层、刻痕和局部挤压等机械损伤。
加工试样时，可采用水冷却（禁止用油）。加工后，应在适宜的条件下对试样及时进行干燥处理。
对试样的成型表面不宜加工。当需要加工时，一般单面加工，并在试验报告中注明。
模塑法：模塑成型的试样按产品标准或技术规范的规定进行制备。在试验报告中注明制备试样的工艺条件及成型时受压的方向。
（三）试样数量规定
力学性能试样每组不少于 5 个，并保证同批有 5 个有效试样。当离散系数小于 5% 时，试样的数量按照 GB/T1446—2005 中 4.3 的规定。当离散系数大于 5% 时，试样的数量不得少于 10 个，并保证每组有 10 个有效试样。物理性能试样按相应标准的规定。
四、试验步骤
（一）外观检查
试样外观检查需严格按照 GB/T1446—2005 中 4.2 的规定进行。检查内容主要包括观察试样表面是否有明显的划痕、裂纹、气泡、分层等缺陷。这一步骤至关重要，因为外观有缺陷的试样可能会影响试验结果的准确性。例如，如果试样表面存在严重的划痕，在拉伸过程中可能会从划痕处提前断裂，导致测得的拉伸性能参数偏低。
（二）状态调节
试样状态调节按照 GB/T1446—2005 中 4.4 的规定执行。通常是将试样放置在特定的环境条件下，如一定的温度和湿度环境中，进行一段时间的处理。这样做的意义在于使试样达到一个稳定的状态，消除由于加工、运输等过程中可能产生的内应力，确保试验结果能够真实反映材料的性能。例如，在不同的温度和湿度条件下，纤维增强塑料的性能可能会有所变化，通过状态调节可以使试样在统一的条件下进行试验，提高结果的可比性。
（三）测量与编号
对试样进行编号是为了便于识别和记录。测量试样工作段任意三处的宽度和厚度，并取算术平均值。测量精度需按照 GB/T1446—2005 中 4.5.1 的规定执行。具体操作时，可使用精度较高的量具，如千分尺等，确保测量结果的准确性。测量宽度和厚度的平均值可以为后续计算拉伸应力等参数提供准确的数据基础。
（四）夹持试样
夹持试样时，要确保试样的中心线与上、下夹具的对准中心线一致。这一步骤的操作要点在于小心调整夹具的位置，使试样能够均匀受力。如果试样与夹具不对准，在拉伸过程中可能会出现偏载现象，导致试样在非预期的位置断裂，影响试验结果的准确性。
（五）加载与测量
根据不同的试验要求进行加载。当测定拉伸应力时，按照规定的加载速度连续加载直至试样破坏。在试样工作段安装测量变形的仪表时，需施加初载（约为破坏载荷的 5%），然后检查并调整试样及变形测量仪表，使整个系统处于正常工作状态。对于测定拉伸弹性模量、泊松比等参数时，若无自动记录装置可采用分级加载，级差为破坏载荷的 5%～10%，至少分五级加载，施加载荷不宜超过破坏载荷的 50%。一般至少重复测定三次，取其两次稳定的变形增量，记录各级载荷和相应的变形值。有自动记录装置时，可连续加载，以便更准确地绘制应力 - 应变曲线等。
（六）记录与分析
在试验过程中，要记录试样的屈服载荷、破坏载荷或最大载荷及试样破坏形式。对于不同的破坏形式，如在明显内部缺陷处破坏、在夹具内或圆弧处破坏等，需要进行分析，判断是否符合试验要求。同时，根据记录的数据，可以计算出拉伸应力、拉伸弹性模量、泊松比等性能参数，并结合应力 - 应变曲线进行综合分析，了解材料在拉伸过程中的力学行为。
（七）作废情况处理
若试样出现以下情况应予作废：试样破坏在明显内部缺陷处；I 型试样破坏在夹具内或圆弧处；Ⅱ 型试样破坏在夹具内或试样断裂处离夹紧处的距离小于 10mm。当出现作废试样时，应及时记录并标记，以便后续分析原因。同时，同批有效试样不足五个时，应重作试验。
（八）重作试验条件
当同批有效试样不足五个时，必须重作试验。这是为了确保试验结果的可靠性和代表性。在重作试验时，应严格按照试验步骤进行操作，注意避免之前出现的问题，以获得准确的试验结果。
五、计算方式
（一）拉伸应力计算
拉伸应力（拉伸屈服应力、拉伸断裂应力或拉伸强度）按式（1）计算。拉伸应力反映了材料在拉伸状态下的承载能力，其计算公式为：拉伸应力 = 试样破坏时的最大载荷 /（试样宽度 × 试样厚度）。其中，试样破坏时的最大载荷是指在拉伸试验过程中，试样断裂或达到预定伸长时所承受的最大力；试样宽度和厚度则是在试验前测量得到的试样工作段的尺寸参数。通过这个公式计算出的拉伸应力可以直观地反映材料抵抗拉伸破坏的能力。
（二）断裂伸长率计算
试样断裂伸长率按式（2）计算。断裂伸长率表示纤维承受最大负荷时的伸长变形能力，计算公式如式 (1): 。式中： 为纤维断裂伸长率 (%)； 为纤维预加张力伸直后的长度 (mm)； 为纤维断裂时的长度 (mm)。断裂伸长率反映了材料在拉伸过程中的变形能力，是衡量材料柔韧性的重要指标。
（三）拉伸弹性模量计算
采用分级加载时按式（3）计算。在分级加载过程中，施加载荷不宜超过破坏载荷的 50%，一般至少重复测定三次，取其两次稳定的变形增量，记录各级载荷和相应的变形值。拉伸弹性模量反映了材料的刚度，即材料在受力时抵抗变形的能力。分级加载时，通过测量不同载荷下的变形量，根据应力与应变的关系计算拉伸弹性模量。
采用自动记录装置测定时，对于给定的应变 和 ，拉伸弹性模量按式（4）计算。自动记录装置可以连续记录加载过程中的载荷和变形数据，更加准确地绘制应力 - 应变曲线。在给定特定应变值的情况下，通过自动记录装置的数据计算拉伸弹性模量，可以提高计算的精度和可靠性。
（四）泊松比计算
泊松比按式（5）计算。泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。材料沿载荷方向产生伸长 (或缩短) 变形的同时，在垂直于载荷的方向会产生缩短 (或伸长) 变形。垂直方向上的应变 与载荷方向上的应变 之比的负值称为材料的泊松比。
（五）绘制应力 - 应变曲线
绘制应力 - 应变曲线需要在试验过程中记录施加在试样上的载荷和试样的伸长数据。有自动记录装置时，可连续加载并直接绘制应力 - 应变曲线；若无自动记录装置，可在分级加载过程中记录各级载荷和相应的变形值，然后根据这些数据绘制曲线。应力 - 应变曲线可以直观地反映材料在拉伸过程中的力学行为，包括弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和断裂阶段。通过分析曲线的形状和特征，可以了解材料的拉伸性能参数，如拉伸弹性模量、拉伸强度、断裂伸长率等。同时，应力 - 应变曲线还可以用于评估材料的质量和性能稳定性，为材料的设计和应用提供参考依据。
（一）报告内容组成
试验报告的内容应包括以下各项全部或部分：
试验项目名称及执行标准号：明确试验的具体名称以及所依据的标准编号，以便于查阅和参考。
试样来源及制备情况，材料品种及规格：详细说明试样的来源，如生产厂家、批次等，以及试样的制备方法和过程。同时，列出材料的品种和规格，如纤维增强塑料的类型、纤维种类、塑料基体等。
试样编号、形状、尺寸、外观质量及数量：记录每个试样的编号，便于识别和追踪。描述试样的形状和尺寸，确保试验结果的可重复性。检查试样的外观质量，如是否有划痕、裂纹、气泡等缺陷，并记录试样的数量。
试验温度、相对湿度及试样状态调节：注明试验时的环境温度和相对湿度，因为这些因素可能会影响材料的性能。同时，说明试样在试验前的状态调节过程，包括调节的时间、温度和湿度等条件。
试验设备及仪器仪表的型号、量程及使用情况等：列出试验所使用的设备和仪器仪表的型号、量程等技术参数，以及在试验过程中的使用情况和校准状态。
试验结果：报告试验得到的各项性能参数，如拉伸应力、拉伸弹性模量、泊松比、断裂伸长率等。同时，附上应力 - 应变曲线，直观地展示材料在拉伸过程中的力学行为。
试验人员、日期及其他：记录参与试验的人员名单、试验日期等信息，以便于追溯和查询。如有其他需要说明的事项，也可在报告中一并列出。
（二）报告的重要性
试验报告对纤维增强塑料的性能评估和应用具有重要的指导作用。首先，试验报告提供了详细的试验数据和结果，使材料的使用者能够了解材料的力学性能和特点。通过分析试验报告中的数据，可以评估材料是否满足特定的应用要求，如在建筑、交通等领域的使用需求。其次，试验报告为材料的设计和制造提供了依据。根据试验结果，可以优化材料的配方和工艺，提高材料的性能和质量。此外，试验报告还可以作为质量控制的重要手段。通过对不同批次材料的试验报告进行比较，可以监控材料的性能稳定性，确保产品的质量一致性。最后，试验报告在学术研究和工程实践中也具有重要的参考价值。它为研究人员提供了数据支持，有助于深入了解纤维增强塑料的性能和行为，推动材料科学的发展。同时，在工程实践中，试验报告可以为设计人员提供可靠的设计参数，确保工程结构的安全性和可靠性。
扫一扫关注:检卓测试
