单丝强度和弹性模量的测定实验

1.实验目的

（1）了解单丝强力仪的工作原理和操作方法。

（2）掌握单丝强度和弹性模量的测试方法。

2.实验原理

与材料力学实验的试样相比，单丝试样的尺寸较小，因此，其测试设备也较小，但两者的拉伸过程极为相似，计算拉伸强度和弹性模量的方法也相似。

在拉伸实验中，从开始拉伸到拉伸结束过程中试样所受的最大拉伸应力为拉伸强度。

材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比，即符合胡克定律，此比例系数为材料的弹性模量E：

单丝拉伸强度σb和弹性模量E的计算公式分别为

式中，D为断裂载荷（N）；d为单丝直径（mm）。

式中，σa和εa分别为单丝弹性变形阶段结束时a点的应力和应变；P为该点处的载荷（N）；L 0为拉伸前单丝的伸直长度（mm）；ΔL=L a-L 0，为该点单丝的伸长量（mm）。

3.实验仪器与设备

单丝强力仪、带微米刻度的显微镜或杠杆千分尺、秒表、镊子。其中，单丝强力仪是一台小型电子万能实验机，由主机、控制器和记录仪三部分组成，单丝负荷和伸长量均可显示在仪器上。它的主要技术参数有7个：负荷量程为0～0.98 N；最小伸长读数为0.01 mm；下夹持器下降速度为2～60 mm／min，有级变速11档；最大行程为100 mm；最小负荷感应量为10-4 N；走纸速度误差不大于1%；工业电源电压为220 V，频率为50 Hz。

4.实验步骤

（1）将单丝强力仪的主机、控制器和记录仪用19芯和5芯连线连接，通电预热30 min。

（2）检查强力仪的“上升”和“下降”开关工作是否正常，看下夹持器运动是否正常。用100 g砝码调满负荷（0.98 N），然后去砝码将负荷调零，再用50 g砝码校验负荷显示数是否为中间值（0.49 N）。如有误差可反复调零和调满，同时调好记录仪纵向零位和满格位。

（3）将纤维单丝放在显微镜物台上测量单丝的直径d，或用杠杆千分表测d值。

（4）将拉伸速度设置为2 mm／min。(www.xing528.com)

（5）按图2-1所示将单根碳纤维或玻璃纤维放在纸框中位粘好。至少选择10个试样，并编号。

图2-1　单丝试样制作纸框图

1—单丝；2—折叠处；3—纸框；4—上夹头夹处；5—剪短处；6—下夹头夹处。

（6）依编号将纸框夹在主机上夹头处。慢慢上升下夹持器，使之正好夹住纸框下端。小心地剪断纸框两边，记录上下夹持器的距离L 0。

（7）放下记录笔和走纸阀，同时按下“下降”按钮进行拉伸。用秒表校核记录仪的走纸速度，一般要求在20 s之内将纤维拉断。数码管自动显示最大负荷数和断裂伸长值。记录仪记录负荷-伸长曲线。

（8）依编号拉伸单丝，并记录每根单丝的直径、拉伸前单丝的伸直长度、断裂载荷，弹性变形阶段某点的载荷以及该点的拉伸长度。

5.实验结果

（1）将每根单丝的直径、拉伸前单丝长度、断裂载荷、弹性变形阶段载荷以及该点的拉伸长度记录在表2-1中。

（2）依据式（2-1）和式（2-2）计算单丝拉伸强度σb和弹性模量E。

（3）计算单丝拉伸强度和弹性模量的算术平均值、标准差和离散系数，并记录在表2-1中。

6.思考题

拉伸实验前后测量单丝直径有何差别？