ASTM D638:塑料拉伸测试权威指南

如何根据 ASTM D638 开展塑料抗拉强度测试

作者:Erica Lawrence

ASTM D638 是测定强化塑料或非强化塑料拉伸性能的最常见测试标准。随着塑料的使用达到前所未有的普及度,制造商必须能够正确测量其材料的机械强度。本指南旨在向您介绍 ASTM D638 拉伸测试的基本要素,包括概述所需的设备、软件和样品。但是,计划进行 ASTM D638 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 D638 的测试方法是,在试样上施加张力并在有应力的情况下测量试样的多种性质。此测试采用通用测试机(又称拉伸测试机)以 1 至 500 mm/min 的速度执行,直至试样失效(屈服或断裂)。ASTM D638 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 – 塑料在屈服(不可逆地拉伸)或断裂前可被施加的力的大小。
  • 拉伸模量 – 某种材料在屈服前由于经受应力而发生变形(拉伸)的程度。模量是衡量材料刚度的指标。
  • 伸长率 – 断裂后标距长度的增加值除以初始标距长度。伸长率越大,表明延展性越好。
  • 泊松比 - 用于衡量某种材料在拉伸过程中的拉伸程度与变薄程度之间的关系。

ASTM D638 塑料拉伸性能

ASTM D638 标准是否适合您?

对于不同的塑料,测试方法多种多样。ASTM D638 仅适用于厚度在 1.00 mm 至 14 mm 之间的刚性塑料试样。如果您的试样是厚度小于 1.00 mm 的板材或薄膜,应按照  ASTM D882 测试。虽然 ASTM D638 得出的结果与 ISO 527-2 相似,但由于在试样尺寸和测试要求方面存在不同,两者在技术层面并不相同。虽然某些大型跨国制造商会同时采用 ASTM D638 和 ISO 527-2 进行测试,但我们的大部分客户更倾向于使用一种标准,或基于其地理位置使用其他标准。北美制造商通常使用 ASTM D638 进行测试,而欧洲和亚洲制造商则主要使用 ISO 527-2。中国客户使用 ASTM D638 和 ISO 527-2 展开测试的频率相当。我们可以在 Bluehill® Universal 的应用模块中找到所有这些测试方法,该模块是针对最常用的 ASTM 和 ISO 标准预先配置的方法模板。


材料测试系统

大多数 ASTM D638 测试采用台式通用测试机执行,如 Instron 6800 系列。5 kN 或 10 kN(1125 或 2250 lbf)系统最常见,但随着强化塑料和复合材料强度增加,我们可能需要容量更高的装置 – 如 30 kN 或 50 kN 系统。


ASTM D638 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)

 

 

夹具

重要的是将试样固定在拉伸测试机内。带锯齿夹钳面的 侧动气动夹具   通常是最适合夹持刚性塑料的家具。利用气动夹具,可通过气压保持夹持力,即使试样厚度在测试期间发生显著变化,夹持力也会保持不变。对于超过 10 kN 的力(一般仅见于测试增强材料),首选手动楔形动作夹具

10 kN 型号 | 2712-046
2616-010
5 kN 型号 | 2716-010

试样类型

ASTM D638 有五种容许的试样类型,根据试样厚度和可用材料数量,尺寸有所不同。最常用的是 I 型试样,此类试样厚 3.2 mm,一般通过注塑成型制造。I 型试样整体长度为 165 mm,宽度为 13 mm,标距长度为 50 mm。扁平试样一般通过模塑、冲切或机制成“狗骨”或“哑铃”形,从而确保在试样中间而非夹紧区域发生断裂。除扁平试样外,ASTM D638 还支持测试硬管和棒,二者也必须机制成狗骨形。如果材料有限,许多实验室会使用 IV 或 V 型试样。IV 型试样所需的尺寸与 ASTM D412 冲切 C 型试样相同,这意味着可以使用同样的冲切试样。V 型试样最小,标距长度仅为 0.3 in。

试样测量

在测试前,必须根据 ASTM D5947 测量所有试样。大多数常见千分尺都可用于执行此类测量。为了让测试系统能够显示应力测量值而不仅仅是受力测量值,操作员需输入试样的横截面面积(或厚度和宽度),因为应力 = 施加的力/横截面面积(这种力以 Psi、Pa、kPa、GPa 等为单位显示)。

冲切或机加工试样需要单独测量,但使用注塑成型试样的操作员只需测量一批试样中的一个试样,前提是这批试样的差异已证明不到 1%。注塑成型试样通常带有拔模角,而不是完美的方形,测量试样时必须考虑这一点。务必测量拔模角中间的宽度。

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,以便操作员轻松分辨出其试样是否已正确对准。

准备运行测试时,夹具紧固至塑料试样后,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 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。对于 6800 系列通用测试机,我们还建议使用试样保护,此功能的用途是预防试样或系统在测试设置阶段、定义测试运行限值之前受损。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。

观看此视频,了解更多关于试样保护的信息。

张力测试用引伸计

弹性模量(试样经受拉力而出现的拉伸或变形程度)是 ASTM D638 塑料拉伸测试收集的最重要的数据类型之一。用户需要使用相应的应变测量装置,即引伸计来收集此数据。测量模量的引伸计必须符合 ASTM E83 B-2 类标准。

根据您实验室的需求,我们还提供一些引伸计选件。最简单的类型是固定标距长度 2630 系列夹式引伸计。操作员必须在每次测试开始时将其直接夹在试样上,并在试样屈服后或断裂前取下。如果测试泊松比,则必须增加横向引伸计,用于测量整个试样弹性区域的宽度变化。可用独立横向引伸计补充现有夹式或自动引伸计,或用双轴装置同时测量轴向和横向应变。

  ASTM D638 引伸计

AutoX750 引伸计可在没有测试操作员介入的情况下自动连接到试样。它不需要操作员花费时间手动操作,而且可以确保大量试样的放置位置更一致,因此在具有高测试量需求的实验室中非常有用。一致的放置位置会产生重复性更高的模量值。如果按照其他标准测试,如 ASTM D790,自动引伸计还可以确保将不同标距长度与单个装置灵活结合使用。受测试的塑料通常是为了在非环境条件下使用。为模拟这些最终应用,ASTM D638 需在可以使用加热或冷却(LN2 或 CO2)装置的温度试验箱内执行。在这种情况下,建议选择非接触式高级视频引伸计 (AVE2)。使用 AVE 2 收集模量数据,无需测试操作员打开和关闭试验箱,不会在测试期间引起温度波动。

ASTM D638 引伸计  

计算和结果

在呈现测试结果时,重要的是务必正确定义术语,以确保符合标准并方便不同实验室之间的数据比较。数据报告中最常见的错误是利用错误的来源(用引伸计代替十字头)报告应变值,这样会产生截然不同的结果。

塑料测试标准涉及一个叫作标称应变的术语,根据所用的测试方法,其定义有所不同。在 ASTM D638 中,标称应变被定义为根据十字头位移(而非根据引伸计)测量的应变。这是因为塑料不会均匀断裂,应变通常集中于试样不成比例的一小部分,此属性被称为“缩颈”。对于任何会缩颈或有屈服点的材料,都不能通过引伸计报告断裂时的伸长率,因为缩颈可能发生在引伸计的标距长度以外。因此,必须使用标称应变报告屈服后任意一点的伸长率。只有整个试样上的应变均匀且未出现缩颈或屈服,才接受利用引伸计测量断裂时的应变。

Bluehill Universal 应力应变曲线和测试结果

模量

表现出不同行为特征的塑料可能需要使用不同的模量计算方式,以正确捕捉测试的弹性部分。大多数现代测试软件都支持模量计算自定义。了解如何计算模量对确保结果一致性至关重要。

对于未表现出真正线性部分的材料,一般建议选择割线模量,在零和曲线上的任何用户定义点之间创建模量线。段模量计算将在指定起点和终点之间形成最佳拟合线,并执行最小二乘法拟合。最常见的选择是使用杨氏模量计算,确定多个区域的斜率,并通过最小二乘法拟合报告最大斜率。Bluehill Universal 支持用户定义多个区域或使用自动杨氏模量计算。

测试量

对于需要大量测试的实验室,可以对拉力机设置做一些修改,以加快测试过程,增加测试量,甚至可采用全自动测试系统。全自动系统旨在整合试样测量、试样加载、测试和移除功能,并且能够在没有操作员交互的情况下运行数小时。这些系统有助于减少人为错误造成的变化,并在人员下班后能继续运行,从而在操作员回家后继续获取结果。


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