ASTM D412 弹性体拉伸测试权威指南

如何按照 ASTM D412 执行弹性体抗拉强度测试

作者:Kayla Thackeray

ASTM D412 是用于测定硫化(热固性)橡胶和热塑性弹性体拉伸性能的最常见的标准。此类化合物可用于制造各种消费品,如轮胎、足球和橡皮筋。此类化合物也可以生产高度专业化材料,如航天飞机上的 O 形环,其必须在极端环境条件下可靠运行。

 

本指南旨在向您介绍 ASTM D412 拉伸测试的基本要素,并概述所需的材料测试设备、软件和试样。但是,计划进行 ASTM D412 测试的任何人员都不应认为参阅本指南后便不必再阅读完整标准


该标准测量什么?

ASTM D412 测量材料在拉伸应变下的弹性,以及材料在测试结束后不再受压时的行为特性。ASTM D412 采用通用测试机(又称拉伸测试机)以 500 ± 50 mm/min 的速度执行,直至试样失效。ASTM D412 可以测量多种不同的拉伸性能,以下几种最为常见:

  • 抗拉强度 – 将试样拉伸至断裂所用的最大拉伸应力。
  • 给定伸长率下的拉伸应力 – 将试样的等截面拉伸至给定伸长率所需的应力。
  • 极限伸长率 – 连续施加拉伸应力期间发生断裂时的伸长率。
  • 拉伸形变 – 试样完成拉伸后且能够以指定方法缩回时保持的延伸长度,表示为原始长度的百分比。

基于 Instron 通用测试系统的 ASTM D412 测试

请注意,ASTM D412 不适用于测试硬质低伸长率弹性体,如硬橡胶。如需测试硬橡胶和硬塑料,请参考 ASTM D638

 ASTM D412 测试报告

拉伸测试系统

大多数 ASTM D412 测试采用带各种配件的台式通用测试机执行,可通过配置按照 ASTM D412 标准正确执行弹性体和橡胶抗拉强度测试。

标准包中包含 3400 系列测试系统、XL 长行程引伸计和一对手动辊夹具。此系统非常适合中小型弹性体制造企业,以及首次购买 D412 系统的企业。6800 系列测试系统带有 AVE 2 非接触式视频引伸计和一对 2712 系列气动侧动夹具及高级散热套件,是一种更先进、更高效的系统。此系统是轮胎制造商和大型跨国弹性体制造商采用的国际标准。对于需要高测试量的客户,Instron 的多工位测试系统可满足这一需求,它能够同时测试多达五种试样。下图为 ASTM D412 测试设置示例。

ASTM D412 测试设置

ASTM D412 测试设置

1. Instron 6800

2. Bluehill Universal 仪表板 (2490-696)

3. 2580 系列载荷传感器

4. 5 kN 气动侧动夹具 (2712-045)

5. 2603-080 长行程引伸计

 

 

 

软件

Bluehill Universal 在购买时随附一个免费的应用模块。在每个应用模块内都有预先配置的测试方法和支持文档,以帮助按照各种标准进行测试,包括针对选择弹性体模块的人员的 ASTM D412。

Bluehill Universal 软件

试样

ASTM D412 根据试样类型描述了两种测试方法。请注意,这两种测试方法不会生成完全相同的结果。测试方法 A 采用“哑铃”或“狗骨”形试样,测试方法 B 适用于环形试样。测试方法 A 比测试方法 B 更常用。狗骨式试样必须从注塑成型板材或匾材上冲切。板材的挤出方向很重要,因为会在材料上形成淡淡的粒纹图案。为确保一致性,所有试样均应平行于纹理纵向切割。

试样测量

ASTM D412 测试有六种容许的狗骨试样类型,两种容许的切环试样类型。最长测试的形状是冲切 C 形狗骨试样,所需整体长度为 115 mm(标距长度 25 mm),宽度为 6 mm,厚度为 3 mm。试样厚度必须测量三次并取中值。

为确保符合标准,用于 ASTM D412 测试的所有试样都必须按照 ASTM D3767 用千分尺进行测量。使用 Bluehill® Universal 中的自动试样测量装置功能,操作员可以将最多两个千分尺或测量装置连接到计算机,将数据直接输入软件中。这样可消除出现操作员输入错误的可能性,并提高效率。

试样对准

为了正确测试,试样必须垂直于夹钳面,不能倾斜成角。试样错位会导致测试结果发生重大变化,因此必须采取相应措施,确保每次测试的试样均得到一致对准。

解决错位问题的一种方法是,使用与试样宽度相近的夹钳面,这样可以相对轻松地直观调整对准情况。预防错位的最简单的方法是,使用可以直接安装在夹体上的试样对准装置。这是一种简单的小棒,可以提供一个可调节的停止点,以便操作员轻松看到其试样是否已正确对准。

夹具

准备运行测试时,一旦夹具紧固至弹性体试样,通常会施加多余的压缩力。这些力虽然微小,但若不妥当处理,会影响测试结果。试样插入后切记不要平衡这些力,否则会导致结果出现偏差。经过编程,Bluehill Universal 材料测试软件可以规范多个试样上的力,消除任何松弛或压缩力,确保试样结果一致。试样保护,6800 系列通用测试机的功能,旨在预防试样或系统在测试设置阶段、定义测试运行限制之前受损。开启后,试样保护将自动调整十字头,将所有多余的力保持在一定的限制范围内。


随着弹性体试样不断拉伸,其厚度将变薄。因此,ASTM D412 建议使用能够自动紧固的夹具。夹钳面的压力均匀可确保变薄的试样不会在测试期间从夹具中滑出。锯齿面侧动气动夹具测试弹性体的效率很高。借助气动夹具,进气压力会自动调整,即使试样厚度在测试期间发生显著变化,夹持力也能保持不变。另一种有效的方法是使用自紧式辊夹具,此夹具利用弹簧对测试中的试样施加恒定的压力。如果使用 ASTM D12 测试方法 B,可以用 O 形工装测试 O 形试样。这些夹具通过在上工装和下工装上使用旋转轴预防局部应力集中。

10 kN 型号 | 2712-046
2613-002
5 kN 型号 | 2713-002

引伸计

虽然此标准不需要引伸计,但为了获得最准确且可重复的结果,建议进行应变测量。由于试样在标距长度外的伸长率,基于十字头行程的应变测量可能不太精确。XL 长行程引伸计适用于弹性材料,也可以用于测量试样断裂。刀口的可调节夹紧力将减少试样过早失效现象。此引伸计测量的应变范围从仅一英寸的标距长度到 3,000%。

长行程引伸计

标准或高级视频引伸计 2(SVE 2AVE 2)之类的非接触式引伸计最适合弹性材料。尤其适合易碎试样或需要环境箱执行测试的试样。非接触式视频引伸计提供的额外优势包括:减少由于操作员介入导致的结果差异,提高测试量需求高的实验室的工作效率。

自动视频引伸计

环境箱

根据 ASTM D412 标准测试的弹性体通常供未来在非环境条件下使用。因为环境条件对弹性体的拉伸性能有巨大影响,所以必须注意确保测试条件模拟预期最终应用的条件。测试速度、温度、湿度、试样尺寸和预测试条件均对测试结果有显著影响,必须加以控制才能得到有用的测试数据。为确保这些元素模拟材料的最终应用条件,ASTM D412 测试经常在可以使用加热或冷却(LN2 或 CO2)装置的环境箱内执行。

Instron 的 600 系列环境箱让操作员能够在整个测试期间监测环境箱内的温度。另外,在 Bluehill Universal 中可以设置浸泡时间和温度,以确保所有试样在测试开始前均得到正确的调节。

 环境箱

测试量

对于希望提高测试量的实验室,可以对系统设置进行多次修改。自动试样测量装置、气动夹具和试样对准装置均能通过减少测试操作员所需的手动输入量来提高测试效率。不过,ASTM D412 测试时间取决于试样的预期伸长率,不能降到最低限度。对于具有高延展性的材料,测试持续时间占据了整个测试周期的大部分时间。在这种情况下,多工位测试机架可提供最佳测试量,因为操作员可以同时运行最多 5 项测试。 

另外 Instron 还提供全自动测试系统,旨在整合试样测量、试样加载、测试和移除功能。这些系统可以在不需要任何操作人员互动的情况下运行数小时。此外,这些系统还有助于减少人为错误造成的变化。

 
 

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