纖維增強塑料拉伸性能試驗方法
纖維增強塑料拉伸性能試驗具有重要意義，它為評估材料性能提供了科學有效的方法。通過該試驗可以準確測定拉伸應力、彈性模量、泊松比、斷裂伸長率等關鍵性能參數，這些參數對于材料的評估和應用至關重要。
（一）試驗目的及意義
拉伸應力反映了材料在拉伸狀態(tài)下的承載能力，彈性模量則體現了材料的剛度。通過試驗測定這些參數，可以了解材料的力學性能，為材料的設計、制造和使用提供依據。例如，在建筑領域，準確掌握纖維增強塑料的拉伸性能，可以確保建筑結構的安全性和穩(wěn)定性；在交通領域，如鐵路交通，了解材料的拉伸性能有助于設計更輕、更強的車輛部件。
（二）應用領域展示
纖維增強塑料在建筑領域應用廣泛。如在土木工程中，可作為新型結構材料，用于建造橋梁、房屋等。例如，FRP 和混凝土構件混合結構梁材，將拱形混凝土構件放置在浴缸形 FRP 梁框體內，充分發(fā)揮了 FRP 的抗拉強度和混凝土的抗壓強度，降低了制造成本。在交通領域，玻璃纖維增強塑料在鐵路交通領域具有諸多優(yōu)勢。其強度和剛度與鋼材相當，但密度僅為鋼材的五分之一，可減輕車輛重量，降低能耗。同時，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，能夠承受各種惡劣環(huán)境的腐蝕，延長車輛的使用壽命。在汽車等交通運輸領域，短纖維增強熱塑性塑料作為一種新型材料，具有質量輕、抗刮、耐腐蝕、電絕緣等優(yōu)點，與普通塑料相比，具有更好的剛性、拉伸強度、彎曲模量、尺寸穩(wěn)定性等特點，被廣泛應用。
（一）測試原理詳解
纖維增強塑料拉伸性能試驗的原理是沿試樣軸向勻速施加靜態(tài)拉伸載荷，直到試樣斷裂或達到預定的伸長。在這個過程中，測量施加在試樣上的載荷和試樣的伸長，從而測定拉伸應力（拉伸屈服應力、拉伸斷裂應力或拉伸強度）、拉伸彈性模量、泊松比、斷裂伸長率和繪制應力 - 應變曲線等性能參數。例如，在測定拉伸應力時，通過不斷增加載荷，觀察試樣在不同應力下的變形情況，當試樣達到屈服點、斷裂點或最大載荷時，記錄相應的載荷值，根據試樣的橫截面積計算出拉伸應力。對于拉伸彈性模量的測定，是在加載過程中測量試樣的變形量，根據應力與應變的關系計算得出。泊松比則是通過測量試樣在軸向拉伸時的橫向收縮與軸向伸長的比值來確定。
（二）試驗儀器介紹
電子拉力試驗機是纖維增強塑料拉伸性能試驗中常用的設備之一。它具有諸多特點和功能，如采用高精度、全數字調速系統(tǒng)及精密減速系統(tǒng)，驅動精密絲杠副進行試驗，實現試驗速度的大范圍調節(jié)，試驗過程噪音低、運行平穩(wěn)。可選用萬向節(jié)十字插銷結構，便于試樣夾持，保證試驗同心度，同時消除不規(guī)則試樣對傳感器的影響。采用 Windows 操作系統(tǒng)，人性化操作界面，可顯示試驗方法選擇界面、試驗參數選擇界面、試驗操作及結果顯示界面和曲線顯示界面，并可實時顯示各參數曲線，便于試驗數據分析和過程監(jiān)控。還具有過流、過壓、過載等保護裝置，配置打印機，可直接實現試驗過程的控制及數據的存儲、打印。此外，試驗機的軟件功能強大，提供使用者設定所需應用的測試標準設定，范圍涵蓋 GB、ASTM、DIN、JIS、BS 等測試標準規(guī)范；可輸入試品資料，一次輸入數據重復使用，并可自行增修公式以提高測試數據契合性；開放式使用者編輯報表，供測試者選擇自己喜好的報表格式；各長度、力量單位、顯示位數采用動態(tài)互換方式；可實現圖形曲線尺度自動化，具有荷重 - 位移、荷重 - 時間、位移 - 時間、應力 - 應變荷重 - 2 點延伸圖，以及多曲線對比等功能；測試結果可以 WORD、EXCEL 格式的數據形式輸出；測試結束可自動存檔、手動存檔，測試完畢自動求算多種力學性能參數；數據備份方便，軟件具有歷史測試數據演示功能。
（三）加載速度規(guī)定
在纖維增強塑料拉伸性能試驗中，加載速度的規(guī)定因試驗階段和試樣類型的不同而有所區(qū)別。測定拉伸彈性模量、泊松比、斷裂伸長率和繪制應力 - 應變曲線時，加載速度一般為 2mm/min。測定拉伸應力（拉伸屈服應力、拉伸斷裂應力或拉伸強度）時，常規(guī)試驗中，I 型試樣的加載速度為 10mm/min；Ⅱ、Ⅲ 型試樣的加載速度為 5mm/min；仲裁試驗中，I、Ⅱ 和 Ⅲ 型試樣的加載速度均為 2mm/min。這樣的加載速度規(guī)定是為了確保試驗結果的準確性和可靠性，不同的加載速度可能會對材料的性能參數產生影響，因此需要根據具體情況進行選擇。
（一）試樣型式與尺寸
測定拉伸應力、拉伸彈性模量、斷裂伸長率和應力 - 應變曲線的試樣型式和尺寸多樣。其中，I 型試樣適用于纖維增強熱塑性和熱固性塑料板材；Ⅱ 型試樣適用于纖維增強熱固性塑料板材。I、Ⅱ 型仲裁試樣的厚度為 4mm。Ⅲ 型試樣只適用于測定模壓短切纖維增強塑料的拉伸強度，其厚度分為 3mm 和 6mm 兩種，仲裁試樣的厚度為 3mm。
測定泊松比的試樣型式和尺寸也有特定要求，具體見圖 4。
對于纖維織物增強塑料，缺口方向與布層垂直的試樣型式和尺寸見圖 1；缺口方向與布層平行的試樣型式和尺寸見圖 2。短切纖維增強塑料的試樣型式和尺寸見圖 3。試樣寬度 b 為板的厚度，一般取 6 - 10mm，仲裁試樣的寬度為 10mm。當板厚大于 10mm 時，單面加工至 10mm，缺口開在加工面上。
（二）試樣制備方法
機械加工法：
試樣的取位區(qū)，一般宜距板材邊緣（已切除工藝毛邊）30mm 以上，最小不得小于 20mm。若取位區(qū)有氣泡、分層、樹脂淤積、皺褶、翹曲、錯誤鋪層等缺陷，則應避開。
纖維增強塑料一般為各向異性，應按各向異性材料的兩個主方向或預先規(guī)定的方向（例如板的縱向和橫向）切割試樣，且嚴格保證纖維方向和鋪層方向與試驗要求相符。
纖維增強塑料試樣應采用硬質合金刃具或砂輪片等加工。加工時要防止試樣產生分層、刻痕和局部擠壓等機械損傷。
加工試樣時，可采用水冷卻（禁止用油）。加工后，應在適宜的條件下對試樣及時進行干燥處理。
對試樣的成型表面不宜加工。當需要加工時，一般單面加工，并在試驗報告中注明。
模塑法：模塑成型的試樣按產品標準或技術規(guī)范的規(guī)定進行制備。在試驗報告中注明制備試樣的工藝條件及成型時受壓的方向。
（三）試樣數量規(guī)定
力學性能試樣每組不少于 5 個，并保證同批有 5 個有效試樣。當離散系數小于 5% 時，試樣的數量按照 GB/T1446—2005 中 4.3 的規(guī)定。當離散系數大于 5% 時，試樣的數量不得少于 10 個，并保證每組有 10 個有效試樣。物理性能試樣按相應標準的規(guī)定。
四、試驗步驟
（一）外觀檢查
試樣外觀檢查需嚴格按照 GB/T1446—2005 中 4.2 的規(guī)定進行。檢查內容主要包括觀察試樣表面是否有明顯的劃痕、裂紋、氣泡、分層等缺陷。這一步驟至關重要，因為外觀有缺陷的試樣可能會影響試驗結果的準確性。例如，如果試樣表面存在嚴重的劃痕，在拉伸過程中可能會從劃痕處提前斷裂，導致測得的拉伸性能參數偏低。
（二）狀態(tài)調節(jié)
試樣狀態(tài)調節(jié)按照 GB/T1446—2005 中 4.4 的規(guī)定執(zhí)行。通常是將試樣放置在特定的環(huán)境條件下，如一定的溫度和濕度環(huán)境中，進行一段時間的處理。這樣做的意義在于使試樣達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，消除由于加工、運輸等過程中可能產生的內應力，確保試驗結果能夠真實反映材料的性能。例如，在不同的溫度和濕度條件下，纖維增強塑料的性能可能會有所變化，通過狀態(tài)調節(jié)可以使試樣在統(tǒng)一的條件下進行試驗，提高結果的可比性。
（三）測量與編號
對試樣進行編號是為了便于識別和記錄。測量試樣工作段任意三處的寬度和厚度，并取算術平均值。測量精度需按照 GB/T1446—2005 中 4.5.1 的規(guī)定執(zhí)行。具體操作時，可使用精度較高的量具，如千分尺等，確保測量結果的準確性。測量寬度和厚度的平均值可以為后續(xù)計算拉伸應力等參數提供準確的數據基礎。
（四）夾持試樣
夾持試樣時，要確保試樣的中心線與上、下夾具的對準中心線一致。這一步驟的操作要點在于小心調整夾具的位置，使試樣能夠均勻受力。如果試樣與夾具不對準，在拉伸過程中可能會出現偏載現象，導致試樣在非預期的位置斷裂，影響試驗結果的準確性。
（五）加載與測量
根據不同的試驗要求進行加載。當測定拉伸應力時，按照規(guī)定的加載速度連續(xù)加載直至試樣破壞。在試樣工作段安裝測量變形的儀表時，需施加初載（約為破壞載荷的 5%），然后檢查并調整試樣及變形測量儀表，使整個系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。對于測定拉伸彈性模量、泊松比等參數時，若無自動記錄裝置可采用分級加載，級差為破壞載荷的 5%～10%，至少分五級加載，施加載荷不宜超過破壞載荷的 50%。一般至少重復測定三次，取其兩次穩(wěn)定的變形增量，記錄各級載荷和相應的變形值。有自動記錄裝置時，可連續(xù)加載，以便更準確地繪制應力 - 應變曲線等。
（六）記錄與分析
在試驗過程中，要記錄試樣的屈服載荷、破壞載荷或最大載荷及試樣破壞形式。對于不同的破壞形式，如在明顯內部缺陷處破壞、在夾具內或圓弧處破壞等，需要進行分析，判斷是否符合試驗要求。同時，根據記錄的數據，可以計算出拉伸應力、拉伸彈性模量、泊松比等性能參數，并結合應力 - 應變曲線進行綜合分析，了解材料在拉伸過程中的力學行為。
（七）作廢情況處理
若試樣出現以下情況應予作廢：試樣破壞在明顯內部缺陷處；I 型試樣破壞在夾具內或圓弧處；Ⅱ 型試樣破壞在夾具內或試樣斷裂處離夾緊處的距離小于 10mm。當出現作廢試樣時，應及時記錄并標記，以便后續(xù)分析原因。同時，同批有效試樣不足五個時，應重作試驗。
（八）重作試驗條件
當同批有效試樣不足五個時，必須重作試驗。這是為了確保試驗結果的可靠性和代表性。在重作試驗時，應嚴格按照試驗步驟進行操作，注意避免之前出現的問題，以獲得準確的試驗結果。
五、計算方式
（一）拉伸應力計算
拉伸應力（拉伸屈服應力、拉伸斷裂應力或拉伸強度）按式（1）計算。拉伸應力反映了材料在拉伸狀態(tài)下的承載能力，其計算公式為：拉伸應力 = 試樣破壞時的最大載荷 /（試樣寬度 × 試樣厚度）。其中，試樣破壞時的最大載荷是指在拉伸試驗過程中，試樣斷裂或達到預定伸長時所承受的最大力；試樣寬度和厚度則是在試驗前測量得到的試樣工作段的尺寸參數。通過這個公式計算出的拉伸應力可以直觀地反映材料抵抗拉伸破壞的能力。
（二）斷裂伸長率計算
試樣斷裂伸長率按式（2）計算。斷裂伸長率表示纖維承受最大負荷時的伸長變形能力，計算公式如式 (1): 。式中： 為纖維斷裂伸長率 (%)； 為纖維預加張力伸直后的長度 (mm)； 為纖維斷裂時的長度 (mm)。斷裂伸長率反映了材料在拉伸過程中的變形能力，是衡量材料柔韌性的重要指標。
（三）拉伸彈性模量計算
采用分級加載時按式（3）計算。在分級加載過程中，施加載荷不宜超過破壞載荷的 50%，一般至少重復測定三次，取其兩次穩(wěn)定的變形增量，記錄各級載荷和相應的變形值。拉伸彈性模量反映了材料的剛度，即材料在受力時抵抗變形的能力。分級加載時，通過測量不同載荷下的變形量，根據應力與應變的關系計算拉伸彈性模量。
采用自動記錄裝置測定時，對于給定的應變 和 ，拉伸彈性模量按式（4）計算。自動記錄裝置可以連續(xù)記錄加載過程中的載荷和變形數據，更加準確地繪制應力 - 應變曲線。在給定特定應變值的情況下，通過自動記錄裝置的數據計算拉伸彈性模量，可以提高計算的精度和可靠性。
（四）泊松比計算
泊松比按式（5）計算。泊松比是指材料在單向受拉或受壓時，橫向正應變與軸向正應變的絕對值的比值，也叫橫向變形系數，它是反映材料橫向變形的彈性常數。材料沿載荷方向產生伸長 (或縮短) 變形的同時，在垂直于載荷的方向會產生縮短 (或伸長) 變形。垂直方向上的應變 與載荷方向上的應變 之比的負值稱為材料的泊松比。
（五）繪制應力 - 應變曲線
繪制應力 - 應變曲線需要在試驗過程中記錄施加在試樣上的載荷和試樣的伸長數據。有自動記錄裝置時，可連續(xù)加載并直接繪制應力 - 應變曲線；若無自動記錄裝置，可在分級加載過程中記錄各級載荷和相應的變形值，然后根據這些數據繪制曲線。應力 - 應變曲線可以直觀地反映材料在拉伸過程中的力學行為，包括彈性階段、屈服階段、強化階段和斷裂階段。通過分析曲線的形狀和特征，可以了解材料的拉伸性能參數，如拉伸彈性模量、拉伸強度、斷裂伸長率等。同時，應力 - 應變曲線還可以用于評估材料的質量和性能穩(wěn)定性，為材料的設計和應用提供參考依據。
（一）報告內容組成
試驗報告的內容應包括以下各項全部或部分：
試驗項目名稱及執(zhí)行標準號：明確試驗的具體名稱以及所依據的標準編號，以便于查閱和參考。
試樣來源及制備情況，材料品種及規(guī)格：詳細說明試樣的來源，如生產廠家、批次等，以及試樣的制備方法和過程。同時，列出材料的品種和規(guī)格，如纖維增強塑料的類型、纖維種類、塑料基體等。
試樣編號、形狀、尺寸、外觀質量及數量：記錄每個試樣的編號，便于識別和追蹤。描述試樣的形狀和尺寸，確保試驗結果的可重復性。檢查試樣的外觀質量，如是否有劃痕、裂紋、氣泡等缺陷，并記錄試樣的數量。
試驗溫度、相對濕度及試樣狀態(tài)調節(jié)：注明試驗時的環(huán)境溫度和相對濕度，因為這些因素可能會影響材料的性能。同時，說明試樣在試驗前的狀態(tài)調節(jié)過程，包括調節(jié)的時間、溫度和濕度等條件。
試驗設備及儀器儀表的型號、量程及使用情況等：列出試驗所使用的設備和儀器儀表的型號、量程等技術參數，以及在試驗過程中的使用情況和校準狀態(tài)。
試驗結果：報告試驗得到的各項性能參數，如拉伸應力、拉伸彈性模量、泊松比、斷裂伸長率等。同時，附上應力 - 應變曲線，直觀地展示材料在拉伸過程中的力學行為。
試驗人員、日期及其他：記錄參與試驗的人員名單、試驗日期等信息，以便于追溯和查詢。如有其他需要說明的事項，也可在報告中一并列出。
（二）報告的重要性
試驗報告對纖維增強塑料的性能評估和應用具有重要的指導作用。首先，試驗報告提供了詳細的試驗數據和結果，使材料的使用者能夠了解材料的力學性能和特點。通過分析試驗報告中的數據，可以評估材料是否滿足特定的應用要求，如在建筑、交通等領域的使用需求。其次，試驗報告為材料的設計和制造提供了依據。根據試驗結果，可以優(yōu)化材料的配方和工藝，提高材料的性能和質量。此外，試驗報告還可以作為質量控制的重要手段。通過對不同批次材料的試驗報告進行比較，可以監(jiān)控材料的性能穩(wěn)定性，確保產品的質量一致性。最后，試驗報告在學術研究和工程實踐中也具有重要的參考價值。它為研究人員提供了數據支持，有助于深入了解纖維增強塑料的性能和行為，推動材料科學的發(fā)展。同時，在工程實踐中，試驗報告可以為設計人員提供可靠的設計參數，確保工程結構的安全性和可靠性。
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