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

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 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。

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。

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。

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。

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。

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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