ASTM D638:塑料拉伸试验权威指南

如何依照ASTM D638对塑料实施拉伸强度试验

作者 Erica Lawrence

ASTM D638是测定增强与非增强塑料的拉伸性能的最常用试验标准。由于塑料用途非常广泛,制造商能否正确测量材料的机械强度具有极为重要的意义。本指南旨在帮助你了解ASTM D638塑料拉伸试验的基本要素,包括对所需设备、软件及样品的概括介绍。但对于任何打算实施ASTM D638试验的人来说,它都不能取代阅读完整的标准

ASTM D638 塑料的拉伸性能

衡量的内容什么?

ASTM D638主要是对试样施加拉力并测量其在应力下的力学特性。它在一台电子万能试验机(也称为拉伸试验机)上实施,拉伸速度范围为1 - 500 mm/分钟,直至样品失效(屈服或断裂)。尽管ASTM D638能够测量多种不同的拉伸特性,但最常见的是下面几种:

  • 拉伸强度——某个塑料在屈服(不可恢复地拉伸)或断裂前被施加的力的大小。
  • 拉伸模量——某个材料在屈服前由于经受应力而发生变形(拉伸)的程度。模量是一个衡量材料刚度的指标。
  • 延伸率——断裂后标距长度的增加值除以原标距长度。延伸率越大,表明延展性越好。
  • 泊松比——用于衡量某材料拉伸程度与拉伸过程中变薄程度之间的关系。

ASTM D638是适合你的标准吗?

对于不同的塑料,有很多不同的试验方法。ASTM D638仅适用于厚度在1.00 mm与14 mm之间的塑料样品。如果你的样品是一块厚度小于1.00 mm的薄板或膜,请依照ASTM D882。如果测试的是弹性体,请依照ASTM D412。在Bluehill® Universal的应用模块中可以找到这些方法,那里针对最常用的ASTM和ISO标准提供了预先设置好的方法模版。

 Bluehill Universal预设方法菜单

试样类型

对于ASTM D638,有五种允许的试样类型,尺寸根据试样厚度和材料可用量的不同而有差异。最常用的是I类试样,厚度3.2 mm,一般通过注塑成型方式制成。I类试样总长度165 mm,宽13 mm,标距长度50 mm。平板试样通常通过模压、冲切或机加工方式制成狗骨形或哑铃形,以确保断裂出现在试样中心,而非夹持区域。除了平板试样外,ASTM D638还允许对刚性管件和杆件进行测试,但也都要先加工成哑铃型试样。

 ASTM D638  哑铃型试样

在材料受限的情况下,很多实验室会采用IV类或V类试样。IV类试样的尺寸要求与ASTM D412冲切C相同,这意味着可采用同样的冲切。V类试样尺寸最小,标距长度仅有0.3英寸。

在Bluehill Universal中输入试样属性

试样测量

所有试样都必须在试验前依照ASTM D5947进行测量。大多数常见测微计都能用于这些测量。要想让试验系统显示应力测量值,而不仅仅是力测量值,操作员需要输入试样的横截面积(或厚度和宽度),因为应力 = 力 / 横截面积(单位为Psi、Pa、kPa、GPa等)。

经过冲切或机加工的样品需要逐个测量,而注塑成型的试样,只需从整批样品中拿出一件样品来测量即可——如能证明整批中的差异率小于1%的话。注塑成型的试样往往带有一个脱膜角,而非完美的直角,测量试样时必须考虑到这一点。注意始终要在脱膜角中心处进行宽度测量。

2850-007

Bluehill Universal中的“试样尺寸自动测量装置”使得操作员可以将最多两个千分尺或测量装置连接至电脑,并将数据直接输入到软件中。这样可避免发生人为输入错误的可能并提高效率。

万能试验系统

大多数ASTM D638试验都能在台式万能试验机上完成。5 kN或10 kN(1125或2250 lbf)系统最常见,但随着增强塑料和复合材料的强度的增加,可能需要更高的容量单位(如30 kN或50 kN系统)。

英斯特朗5960系列万能试验机和英斯特朗3360系列万能试验机

夹具

将试样安全夹持在试验机上非常重要。带锯齿状夹面的气动平推夹具往往是固定硬质塑料的最佳夹具。有了气动夹具,就能通过空气压力维持夹紧力,这样即使试样厚度在试验过程中出现较大变动,也能保持稳定。对于超过10 kN的力(通常在增强材料上才能见到),手动楔型夹具是首选。

示意图:万能试验机上的夹具、夹面和试样对准装置

试样对准

试样必须保持垂直于夹面,而无歪斜,以确保正确测试。试样错位可能导致结果出现较大的差异,因此应注意确保每一次试验,都做到一致的试样对中性。

良好对中性与对中不佳试样的差别

解决错位的一个方法是使用宽度与试样接近的夹面,这样更便于进行目测调节。但最简便的防错位方法是使用一个直接安接到夹具本体上的试样对准装置。它其实就是一个杆子,能提供可调节的止动点,让操作员轻松掌握试样对准情况。

在我们为了准备试验而将夹具夹固到塑料试样上后,就会频繁向其施加压缩力。如果得不到正确处理,这些力(尽管很微小)可能会干扰试验结果。试样在插入后是否保持平衡很重要,若不平衡会造成结果的偏差。用户可以对Bluehill Universal软件进行编程,以便在多个试样之间对力的大小进行规范并去除任何松弛力或压缩力,确保在试样之间取得一致的结果。在5900系列万能试验机上,我们还推荐使用试样保护,它能防止试样或系统在试验装设阶段受到损坏(在设定试验的操作极限以前)。开启后,试样保护会自动调整“横梁”,将不需要的力控制在一定限度内。

拉力试验机用引伸计

弹性模量——试样在拉力下发生拉伸或变形的程度,它是ASTM D638塑料拉伸试验收集的最重要的数据之一。为了收集该数据,用户需要一台合适的应变测量装置——引伸计。用于测量模量的引伸计必须符合ASTM E83 Class B-2的要求。

根据实验室具体需求,有多种引伸计选项供用户选择。最简单的类型是标距长度固定的2630系列夹装式引伸计。操作员必须在每次试验开始时将其直接夹到试样上,并在试样屈服后或断裂前将其取下。

 轴向和横纵向引伸计

AutoX750是一款能自动与试样接触的引伸计,无需操作员干预。对于具有大批量需求的实验室,这很有用,因为它不再需要操作员进行耗时的手动操纵,而且能让大量试样获得更一致的定位。一致的定位能带来可重复性更高的模量值。如果按照其他标准(如ASTM D790)测试,自动引伸计还允许用户在同一台装置上采用不同的标距长度。

自动引伸计

受测塑料常常是要在非常温条件下使用。为了模拟这些最终应用状况,我们需要在高低温试验箱(在这里可以进行加热或冷却(LN2或CO2)控制)内执行ASTM D638。此情况下,推荐选用非接触式视频引伸计(AVE2)。有了AVE 2,操作员无需开合试验箱就能收集模量数据,避免试验期间出现温度波动。

带有高低温试验箱和自动视频引伸计的电子万能试验机 

如果进行泊松比测试,还需要一个横向引伸计,用以测量整个试样弹性区域上宽度的变化。可以使用一个独立式的横向引伸计,作为对现有夹装式或自动引伸计的补充,或者也可使用双轴引伸计来同时测量轴向和横向应变。

电子万能试验机(带轴向和横纵向引伸计)中的塑料试样

计算与结果

提供试验结果时,务必要正确定义术语,以确保符合标准并且便于不同实验室之间的数据对比。

Bluehill Universal试验计算界面

应变测量

数据报告中最常见的错误是使用不正确的来源(引伸计而非横梁)报告应变值,这样可能会导致结果差异巨大。

塑料试验标准涉及到一个被称为“标称应变”的术语,其定义根据所采用的试验方法而有不同。对于ASTM D638而言,标称应变指的是通过横梁位移(而非引伸计)测得的应变。这是因为塑料不会均匀地变形,应变往往是集中在样品的某一部分上,这种特性被称为“颈缩”。对于任何颈缩或具有屈服点的材料,都不能通过引伸计来报告断裂伸长率,因为颈缩有可能出现在引伸计标距长度之外。因此必须采用标称应变来报告屈服后任一点处的延伸率(%)。只有当应变在整个试样上均匀分布,不会出现颈缩或零屈服时,方可使用引伸计。

Bluehill Universal应力应变曲线及试验结果

模量

不同特性的塑料可能需要采用不同的模量计算才能正确捕捉到试验的弹性部分。新出的测试软件大多都允许对模量计算进行自定义设置。了解模量的计算方式对于确保结果的一致性至关重要。

对于没有真正线性部分的材料,通常建议选择割线模量,以便在零点与用户自定义的任意点(曲线上)之间创建一条模量线。线段模量计算会在指定的起点与终点之间形成一条最佳拟合线,并执行最小二乘法拟合。杨氏模量计算是最常用的,它可确定多个区域上的斜率并通过最小二乘法拟合找到最大的斜率。通过Bluehill Universal,用户可以定义多个区域,也可采用自动杨氏模量计算。

生产量

对于要求大批量试验的实验室,可对拉伸机设置作多方面改动,以加快试验流程并提高测试量,其中甚至包括使用全自动试验系统。全自动试验系统加入了试样测量、试样加载、测试和移除等功能,可运行数小时而无需操作员干预。这些系统有助于减少因人为错误而产生的差异,并在操作员下班回家后仍保持运行并继续获取结果。

生产量


相关项目