CN101762682B - 一种塑胶拉伸应力应变测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种塑胶拉伸应力应变测试方法及装置，属物理性能及仪表自动化测量技术领域。该装置由压紧系统、拉伸系统、测量系统、温控系统和数据处理系统组成。本发明通过拉伸系统，使试样产生均匀的拉伸变形；温控系统能保证测试在恒温的条件下进行，考虑了温度对塑料橡胶性能的影响；测量系统采用非接触式的测量装置，测试精准，而且不会引起试样破坏；测试结果能够更真实地反映材料在实际使用中的力学状态。

Description

一种塑胶拉伸应力应变测试方法及装置

技术领域

本发明涉及一种塑料橡胶力学性能测试器械，用于橡胶塑料片材拉伸应力应变测试，属于物理性能及仪表自动化测量技术领域。

背景技术

应力应变关系是材料的一项重要的性能。目前对塑料橡胶的拉伸力学试验，大都采用单向拉伸测试机来进行，单向拉伸测试技术已经发展得非常成熟。但是，单向拉伸时，在与受力方向相垂直的方向上会产生严重的收缩，而且塑料橡胶的实际应用的受力状态是复杂的，因此，单向拉伸应力测试的实际意义有限。

双轴拉伸是使材料在X与Y方向上同时受到均匀的拉力，关于拉伸应力应变测试的器械也有很多，其主要差别主要体现在所使用的试样形状上，如十字形，方形和圆形。十字形试样是根据单轴拉伸发展起来的，但在X、Y方向进行拉伸时，在圆角处会出现很大的应力集中；方形和圆形试样虽然能克服此缺点，但所使用的施力机构复杂，施力效果不尽理想，因此给测试带来一定的误差。

K.Easterbrook和R.J.Grieve于1985年提出的测试装置(结构见于二钧，李素梅.双向拉伸应力-应变曲线的测定原理和方法[J].试验技术与试验机.1989，5：11-18)，能均匀地测试金属薄片的拉伸应力应变特性。装置中所采用的充压介质为液体，在试样破裂时会引起液体飞溅和额外的清理工作。由于塑料橡胶薄片较柔软，如果采用这套装置中的接触式测量势必会引起测量误差。另外，塑料橡胶对温度变化敏感，在进行应力应变测试时也要考虑温度的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服以上缺点，提供一种拉伸应力应变的测试方法及装置，能方便、准确、清洁地测试塑胶片材的应力应变关系。

本发明一种塑胶拉伸应力应变的测试方法，采用了包括压紧系统、拉伸系统、测量系统、温控系统和数据处理系统的测试装置，测试采用了非接触式的测量方法，还考虑了温度的影响，具体的测量步骤如下：

(1)在圆片形试样的中心与以中心为圆心、测量标距为直径的圆周的任意一点分别粘贴一个标记物或做一个标记，将处理好的试样通过压紧系统装在测试仪上；

(2)设定温度值，开启温控系统的加热装置开关，等待温度维持恒定；

(3)打开拉伸系统的气压调节控制装置开关，使试样变形；

(4)通过测量系统的快速拍照系统和压力传感器采集不同变形下圆片形试样标记物或标记的位置来得到标距圆直径、拱高和内部压力；

(5)将测量系统采集到的数据和图形进行处理和转换，输入至微机处理系统进行计算，得到被测试样的应力应变曲线。

本发明提出采用一种塑胶拉伸应力应变的测试方法的塑胶拉伸应力应变测试装置，包括有压紧系统、拉伸系统、测量系统、温控系统和数据处理系统，拉伸系统由高压气杯、气泵、气压调节控制装置、通气管、卸压阀、仪器罩与可视化玻璃组成，气泵通过通气管与高压气杯相连，通气管上设置有气压调节控制装置，高压气杯的一侧设置卸压阀，仪器罩扣在高压气杯上，平面的可视化玻璃镶嵌在仪器罩上；温控系统包括保温层、加热装置、温度传感器，仪器罩内和高压气杯内都设置有温控系统；测量系统由具有跟踪功能的快速拍照系统与压力传感器组成，快速拍照系统设置于仪器罩外与可视化玻璃对应处，压力传感器设置于通气管或高压气杯上；气压调节控制装置可手动和自动控制。

压紧装置包括压具支架、支架螺母、支架垫片、压紧螺钉、手柄和压紧圈，均匀分布于高压气杯的边缘，可以是四个或以上，支架通过支架螺母和支架垫片与高压气杯的边缘固结，压紧螺钉与支架通过螺纹连接，螺钉头与压紧圈相接触；压紧圈接触试样变形的一侧的倒角为圆角。

温控系统的加热装置可以是电加热、远红外加热或者是微波加热。

温控系统的温度传感器可以是热电偶或红外线测温器。

温控系统的保温层可以在高压气杯与仪器罩里侧或外侧。

实验用高压气体可以是空气、氮气、二氧化碳或惰性气体，常温时可以直接采用空气作为实验介质，非常温下根据测试样品的特点选用其它气体。

工作时，首先对圆片形试样进行先处理。在试样的中心与以中心为圆心、测量标距为直径的圆周的任意一点分别粘贴一个标记物或做一个标记。然后将处理好的圆片形试样通过压紧装置固定于高压气杯杯口上，放置试样时应注意通过可视化玻璃要保证试样标记物可见。打开温控系统，将温度调节至某一值，稳定一段时间，以使试样温度均匀。通过温度传感器检测实时温度来反馈控制加热装置的通断来控制圆片形试样的温度状态。待圆片形试样的温度均一后，打开气泵，调节压力调节控制装置，通过一定的方式向高压气杯里充入与试样等温度的高压气体。当高压气杯中压力达到一定值时，圆片形试样就会向上鼓起，在标距范围内，圆片形试样的变形接近于等曲率球面。此时，快速拍照系统透过可视化玻璃跟踪标记物或标记的位置，经过图像处理，就可得到变形后标距圆直径与拱高；通过压力传感器可记录高压气杯中的压力值，最后将得到的数据输入至微机处理系统，通过计算，就可得到即时的应力应变值。通过记录不同时刻的应力应变，就可得到材料的应力应变曲线。当试验结束时，通过卸压阀即可将高压杯里的压力卸尽，保证安全。

高分子材料薄片拉伸时，应力与应变的关系式如下：

$\mathrm{\σ}=\frac{p(d_0^2+H^2)}{{4t}_0\mathrm{Hexp}\left[2\ln (\frac{d_0^2+H^2}{d_{0}H}\·\arcsin \frac{\mathrm{dH}}{d_0^2+H^2})\right]}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ϵ}=2\ln (\frac{d_0^2+H^2}{d_{0}H}\·\arcsin \frac{\mathrm{dH}}{d_0^2+H^2})---\left(2\right)$

式中P——高压气杯的压力；

H——标距圆范围内变形的拱高；

t₀——测试试样的原始厚度；

d₀——标距圆的原始直径；

d——变形后标距圆的直径；

测出标距圆范围内变形的拱高、变形后标距圆的直径与高压气杯的压力，根据式(1)、式(2)，即可求出材料的应力应变关系。

本发明的主要优点如下：(1)考虑了温度对试样力学性能的影响，测试范围更宽；(2)应用于轮胎、压力容器、输送管道等情况时，测量方法与实际受力状态更接近，由此得到的数据使模拟分析变得更加准确；(3)施力机构简单，施力均匀，所充的高压气体可以是空气，简便易得；(4)由于所充的是气体，相比液体来说，安全方便，不会造成试件及环境的污染；(5)测量系统为非接触式测量，不会影响试样的受力状态，测试也不会产生误差。

附图说明

图1本实用新型一种塑胶拉伸应力应变测试装置的主视图。

图2本实用新型一种塑胶拉伸应力应变测试装置的俯视图。

图中：1-高压气杯，2-加热装置，3-通气管，4-压力调节控制装置，5-气泵，6-压力传感器，7-温度传感器，8-支架螺母，9-支架垫片，10-压具支架，11-手柄，12-压紧螺钉，13-压紧圈，14-圆片形试样，15-可视化玻璃；16-保温层，17-仪器罩，18-卸压阀，19-快速拍照系统

具体实施方法

如图1、图2所示，一种塑胶拉伸应力应变测试装置，包括有压紧系统、拉伸系统、测量系统、温控系统和数据处理系统，拉伸系统由高压气杯1、气泵5、气压调节控制装置4、通气管3、卸压阀18、仪器罩17与可视化玻璃15组成，气泵5通过通气管3与高压气杯1相连，通气管3上设置有气压调节控制装置4，高压气杯1的一侧设置卸压阀18，仪器罩17扣在高压气杯1上，平面的可视化玻璃15镶嵌在仪器罩17上；温控系统包括保温层16、加热装置2、温度传感器7，仪器罩17内和高压气杯1内都设置有温控系统；测量系统由具有跟踪功能的快速拍照系统19(图2)与压力传感器6组成，压力传感器6设置于通气管3或高压气杯1上；气压调节控制装置4可手动和自动控制。

压紧装置包括压具支架10、支架螺母8、支架垫片9、压紧螺钉12、手柄11和压紧圈13，均匀分布于高压气杯1的边缘，可以是四个或以上，支架10通过支架螺母8和支架垫片9与高压气杯1的边缘固结，压紧螺钉12与支架10通过螺纹连接，螺钉头与压紧圈13相接触；压紧圈13接触试样14变形的一侧的倒角为圆角。

温控系统的加热装置2可以是电加热、远红外加热或者是微波加热。

温控系统的温度传感器7可以是热电偶或红外线测温器。

温控系统的保温层16可以在高压气杯1与仪器罩17里侧或外侧。

实验用高压气体可以是空气、氮气、二氧化碳或惰性气体。

如图2所示，快速拍照系统19设置于仪器罩17外与可视化玻璃15对应处，透过可视化玻璃15，快速拍照系统19就可以跟踪圆片形试样14上标记物的位置，得到变形后标距圆的直径与拱高。

本发明一种塑胶拉伸应力应变的测试方法，采用了由压紧系统、拉伸系统、测量系统、温控系统和数据处理系统组成了测试装置，测试采用了非接触式的测量方法，还考虑了温度的影响，具体的测量步骤如下：

(1)在圆片形试样14的中心与以中心为圆心、测量标距为直径的圆周的任意一点分别粘贴一个标记物或做一个标记，将处理好的试样通过压紧系统装在测试仪上；

(2)设定温度值，开启温控系统的加热装置2开关，等待温度维持恒定；

(3)打开拉伸系统的气压调节控制装置4开关，使试样14变形；

(4)通过测量系统的快速拍照系统19和压力传感器6采集不同变形下圆片形试样标记物或标记的位置来得到标距圆直径、拱高和内部压力；

(5)将测量系统采集到的数据和图形进行处理和转换，输入至微机处理系统进行计算，得到被测试样的应力应变曲线。

工作时，首先对圆片形试样14进行先处理。在试样14的中心与以中心为圆心、测量标距为直径的圆周的任意一点分别粘贴一个标记物或做一个标记。然后将处理好的圆片形试样14通过压紧装置固定于高压气杯1杯口上，放置试样14时应注意通过可视化玻璃15要保证试样标记物可见。打开温控系统，将温度调节至某一值，稳定一段时间，以使试样14温度均匀。通过温度传感器7检测实时温度来反馈控制加热装置2的通断来控制圆片形试样14的温度状态。待圆片形试样14的温度均一后，打开气泵5，调节压力调节控制装置4，通过一定的方式向高压气杯1里充入与试样14等温度的高压气体。当高压气杯1中压力达到一定值时，圆片形试样14就会向上鼓起，在标距范围内，圆片形试样14的变形接近于等曲率球面。此时，快速拍照系统19透过可视化玻璃15跟踪标记物或标记的位置，经过图像处理，就可得到变形后标距圆直径与拱高；通过压力传感器6可记录高压气杯1中的压力值，最后将得到的数据输入至微机处理系统，通过计算，就可得到即时的应力应变值。通过记录不同时刻的应力应变，就可得到材料的应力应变曲线。当试验结束时，通过卸压阀18即可将高压杯1里的压力卸尽，保证安全。

Claims (7)

1.一种塑胶拉伸应力应变测试装置，其特征在于：包括有压紧系统、拉伸系统、测量系统、温控系统和数据处理系统，拉伸系统由高压气杯、气泵、气压调节控制装置、通气管、卸压阀、仪器罩与可视化玻璃组成，气泵通过通气管与高压气杯相连，通气管上设置有气压调节控制装置，高压气杯的一侧设置卸压阀，仪器罩扣在高压气杯上，平面的可视化玻璃镶嵌在仪器罩上；温控系统包括保温层、加热装置、热传感器，仪器罩内和高压气杯内都设置有温控系统；测量系统由具有跟踪功能的快速拍照系统与压力传感器组成，快速拍照系统设置于仪器罩外与可视化玻璃对应处，压力传感器设置于通气管或高压气杯上；气压调节控制装置采用手动或自动控制。

2.根据权利要求1所述的一种塑胶拉伸应力应变测试装置，其特征在于：压紧装置包括压具支架、支架螺母、支架垫片、旋紧螺钉、手柄和压紧圈，均匀分布于高压气杯的边缘，数量是四个或以上，支架通过支架螺母和支架垫片与高压气杯的边缘固结，旋紧螺钉与支架通过螺纹连接，螺钉头与压紧圈相接触；压紧圈接触试样变形的一侧的倒角为圆角。

3.根据权利要求1所述的一种塑胶拉伸应力应变测试装置，其特征在于：温控系统的加热装置是电加热、远红外加热或者是微波加热。

4.根据权利要求1所述的一种塑胶拉伸应力应变测试装置，其特征在于：温控系统的温度传感器是热电偶或红外线测温器。

5.根据权利要求1所述的一种塑胶拉伸应力应变测试装置，其特征在于：温控系统的保温层在高压气杯与仪器罩里侧或外侧。

6.根据权利要求1所述的一种塑胶拉伸应力应变测试装置，其特征在于：实验用高压气体是空气、氮气、二氧化碳或惰性气体。

7.根据权利要求1所述的一种塑胶拉伸应力应变测试装置进行测试的方法，其特征在于：测试采用了非接触式的测量方法，具体的测量步骤如下：

(1)在圆片形试样的中心与以中心为圆心、测量标距为直径的圆周的任意一点分别粘贴一个标记物或做一个标记，将处理好的试样通过压紧系统装在测试仪上；

(2)设定温度值，开启温控系统的加热装置开关，等待温度维持恒定；

(3)打开拉伸系统的气压调节控制装置开关，使试样变形；

(4)通过测量系统的快速拍照系统和压力传感器采集不同变形下圆片形试样标记物的位置来得到标距圆直径、拱高和内部压力；

(5)将测量系统采集到的数据和图形进行处理和转换，输入至微机处理系统进行计算，得到被测试样的应力应变曲线。

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