拉伸测试：工作原理、测量内容及入门指南
拉伸测试是全球制造业和研究机构的工程师及材料科学家进行的一项基础机械测试。拉伸测试（也称为张力测试）向材料试样施加单轴力，以测量其关键机械性能：抗拉强度、屈服强度、弹性模量和伸长率。这些测量结果告诉产品设计师和质量工程师材料在载荷下的表现、何处开始发生永久变形以及断裂点——为特定应用选择合适的材料并验证其是否符合所需规范提供必要的数据。
为什么要进行拉伸测试？
拉伸测试和材料表征对于各行各业的制造商和研究人员都至关重要。为了将材料用于新产品或新用途，研究人员必须确保它能够承受其最终应用中遇到的机械力。例如，轮胎橡胶必须具有足够的弹性以吸收路面的不平整，而手术缝合线必须具有足够的强度以将活体组织固定在一起。此外，材料和产品可能会在各种不同的温度和环境条件下，通过循环或重复使用，长时间或短时间地暴露在机械力下。汽车轮胎预计在各种天气条件下能行驶一定的里程，而手术缝合线虽然只使用一次，但必须保持一致的抗拉强度，直到身体康复。
除了对研发过程的重要性外，质量保证部门还使用拉伸测试来确保成批的成品符合拉伸性能的所需规范。从安全和商业角度来看，这都很重要，因为有缺陷的产品可能对最终用户造成危险，还可能以产品延迟、收入损失和声誉受损的形式对制造商造成重大损害。
如何进行拉伸测试
拉伸试验机：关键组件及其功能
- 载荷机架 - 拉伸试验机可根据其力值容量提供单立柱或双立柱配置。
- 软件 - 测试软件是操作员配置测试方法和输出结果的地方。
- 载荷传感器 - 载荷传感器是一种测量施加到测试试样上的力的传感器。英斯特朗 (Instron) 载荷传感器的精度可达载荷传感器容量的 1/1000。
- 夹具和装置 - 提供多种试样夹具和装置，以适应不同材料、形状和尺寸的测试试样。
- 应变测量 - 某些测试方法需要测量试样在载荷下的伸长率。英斯特朗 (Instron) 的 AVE2 可以测量低至 ±1 µm 或读数 0.5% 的试样长度变化。
设置拉伸测试
为了进行拉伸测试，操作员必须执行各种任务，以确保测试按照内部和/或外部测试标准进行。根据实验室的不同，这些任务可能是部分或完全自动化的，但设置正确性的责任始终由操作员承担。
测试方法选择
一旦您的试样装入夹具且引伸计已安装完毕，您就可以开始了。在 Bluehill Universal 中，选择您的测试方法并配置关键参数，包括测试速度、试样尺寸以及测试结束标准（如断裂检测或最大载荷限制）。
当您开始测试时，机器以规定的速率施加拉伸力，在试样变形时连续记录载荷、位移和应变数据。测试一直运行到满足定义的结束标准，通常是试样断裂或载荷下降一定百分比。
完成后，Bluehill Universal 会自动计算方法中定义的机械性能：抗拉强度、屈服强度、伸长率和模量，供审阅、导出或报告。
准备试样
试样几何形状因所测试的材料以及所使用的测试方法或标准而异。ASTM 和 ISO 等管理机构针对不同材料制定了标准化的试样要求，这使得不同批次和制造商之间的性能可以进行可靠的比较。
拉伸试样通常被加工或压铸成狗骨形，这种形状提供了设计用于由试验机夹具夹持的“肩部”和用于测量拉伸性能的“标距”。这些肩部的尺寸、它们之间的标距以及整个试样的长度和宽度均由测试标准规定。
将试样插入夹具
为您的试样选择合适的夹具对于获得准确、可重复的结果至关重要。根据试样的尺寸、纹理和材料类型，可能需要不同的夹具设计和夹面。夹具具有多种力值容量，并提供橡胶涂层、平滑、锯齿状和其他表面类型，以适应从软弹性体和薄膜到高强度金属和复合材料的所有材料。
正确的对中同样重要。在试样插入过程中的不对中会引入轴外力，这可能会使结果产生偏差，或导致在夹具处而非标距内发生过早失效。为了帮助操作员一致且正确地插入试样，英斯特朗 (Instron) 提供了一系列对中装置和固定装置，旨在确保每次都沿正确的轴线施加力。
对于高通量测试环境，气动和液压夹具可以显著减少设置时间并降低操作员差异，只需按一下按钮即可打开和关闭，而无需在试样之间进行手动调节。
应变测量设备
应变是试样在应力下变形的测量值，是大多数拉伸测试标准要求的材料表征的基础部分。准确测量应变需要专用的测量设备，而不是依赖横梁位移，因为横梁位移会因机器柔度和夹具就位而引入误差。
引伸计是最常见的解决方案。接触式设备（如夹持式引伸计）以固定的标距直接连接到试样上，测量试样变形时两个接触点之间距离的变化。它们在试样放入夹具后、开始测试前安装。对于不方便在试样上安装设备的应用（如极薄的薄膜、高伸长率弹性体或脆性材料），非接触式视频引伸计提供了一种替代方案，利用试样上的标记或表面特征通过光学方式跟踪变形。
开始测试并记录数据
一旦您的试样装入夹具且引伸计已安装完毕，您就可以开始了。在 Bluehill Universal 中，选择您的测试方法并配置关键参数，包括测试速度、试样尺寸以及测试结束标准（如断裂检测或最大载荷限制）。
完成后，Bluehill Universal 会自动计算方法中定义的机械性能：抗拉强度、屈服强度、伸长率和模量，供审阅、导出或报告。
拉伸测试数据分析：理解应力-应变曲线和关键材料性能
在拉伸状态下测量材料会产生其机械性能的完整剖面。当绘制在图表上时，记录的载荷和位移数据会生成一条应力-应变曲线，显示材料在测试的每个阶段对施加力的反应。虽然标准和应用要求的具体性能各不相同，但工程师寻找的关键测量值是极限抗拉强度、弹性模量、屈服强度和应变——每一个都揭示了材料在使用中表现的不同方面。
极限抗拉强度
我们可以确定的材料最重要的性能之一是其极限抗拉强度 (UTS)。这是试样在测试期间承受的最大应力。UTS 可能等于也可能不等于试样的断裂强度，这取决于材料是脆性、韧性还是兼具两者的特性。有时材料在实验室测试时可能表现出韧性，但当投入使用并暴露在极低温度下时，它可能会转变为脆性行为。
胡克定律
对于大多数材料，测试的初始部分将表现出施加的力或载荷与试样表现出的伸长率之间的线性关系。在这个线性区域，该线遵循胡克定律定义的数学关系，其中应力与应变的比值为常数。E 是该区域直线的斜率，其中应力 (σ) 与应变 (ε) 成正比，被称为弹性模量或杨氏模量：
弹性模量
屈服强度
材料的屈服强度定义为施加到材料上开始发生塑性变形时的应力。
偏移法
对于某些材料（例如金属和塑料），偏离线性弹性区域的转折点不易识别。因此，允许使用偏移法来确定材料的屈服强度。这种方法通常应用于测量金属的屈服强度。根据 ASTM E8/E8M 测试金属时，偏移量被指定为应变的百分比（通常为 0.2%）。当从偏移量“m”绘制线性弹性区域的直线（斜率等于弹性模量）时，从交点“r”确定的应力 (R) 即为规定非比例延伸强度（偏移屈服强度）。
替代模量
某些材料的拉伸曲线没有非常明确的线性区域。在这些情况下，ASTM 标准 E111 提供了确定材料模量以及杨氏模量的替代方法。这些替代模量是割线模量和切线模量。
应变
我们还能够发现试样在拉伸测试期间经历的拉伸量或伸长量。这可以表示为长度变化的绝对测量值，或者表示为称为“应变”的相对测量值。应变本身可以用两种不同的方式表示，即“工程应变”和“真应变”。
工程应变可能是最简单且最常用的应变表达方式。它是长度变化与原始长度的比率：
真应变与之类似，但是基于测试进行过程中试样的瞬时长度，其中 Li 是瞬时长度，L0 是初始长度：
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英斯特朗 (Instron) 拉伸测试设备：为您的应用选择合适的系统、夹具和应变测量
拉伸试验机有多种不同的尺寸和力值容量，范围从 0.02 N 到 2,000 kN。大多数小力值测试在机电式单立柱或双立柱台式机上进行，而较大力值的应用则需要落地式机架。英斯特朗 (Instron) 的 6800 系列系统容量范围高达 300 kN，可以执行多种不同的测试类型，包括拉伸、压缩、弯曲、剥离、撕裂、剪切、摩擦、扭转、穿刺等。英斯特朗 (Instron) 的 Industrial 系列伺服液压系统专为高强度金属、合金和先进复合材料的更高容量测试而设计。
高达 300 kN 的万能材料试验系统
力值容量范围为 0.02 N (2 gf) 至 300 kN 的单立柱和双立柱台式及落地式测试系统。
高达 2000 kN 的工业级万能材料试验系统
英斯特朗 (Instron) 的 Industrial 系列包括具有单测试空间或双测试空间的机架，力值容量范围从 300 kN 到 2000 kN。
用于测试塑料、金属、复合材料、弹性体、纺织品和组件的拉伸夹具
引伸计：用于应变测量的接触式和非接触式解决方案
视频引伸计是一种非接触式引伸计，它利用高分辨率数字摄像机技术，通过跟踪试样上两个附着标记的运动来测量变形。
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静态轴向夹持式引伸计
目录号 2630-XXX
英斯特朗 (Instron) 的静态轴向夹持式引伸计是测量应变的快速简便解决方案，适用于塑料、金属和复合材料等多种材料。
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金属、塑料、弹性体等材料的拉伸测试标准
以下是一些最常见的国际测试标准列表。确保符合这些标准可能非常复杂，但 Bluehill Universal® 软件通过预配置的测试方法简化了这一过程，旨在缩短设置时间并最大限度地降低程序错误的风险。
- ASTM A370 | 钢产品机械测试的标准测试方法和定义
- ASTM A416 | 预应力混凝土用低松弛七丝钢绞线标准规范
- ASTM A48 | 灰铸铁件标准规范
- ASTM A746 | 球墨铸铁重力下水道管标准规范
- ASTM A996 | 混凝土加固用导轨钢和轴钢变形棒标准规范
- ASTM C297 | 夹层结构平拉强度标准测试方法
- ASTM D1037 | 木基纤维和颗粒板材料性能评估的标准测试方法
- ASTM D1414 | 橡胶 O 形圈标准测试方法
- ASTM D1708 | 使用微拉伸试样测量塑料拉伸性能的标准测试方法
- ASTM D2256 | 单根法测量纱线拉伸性能的标准测试方法
- ASTM D3039 | 聚合物基复合材料拉伸性能标准测试方法
- ASTM D4018 | 连续长丝碳纤维和石墨纤维束性能的标准测试方法
- ASTM D412 | 硫化橡胶和热塑性弹性体标准测试方法——拉伸
- ASTM D4632 | 土工布抓样断裂载荷和伸长率的标准测试方法
- ASTM D5034 | 纺织面料断裂强度和伸长率的标准测试方法（抓样法）
- ASTM D5035 | 纺织面料断裂力和伸长率的标准测试方法（条样法）
- ASTM D5766 | 聚合物基复合材料层压板开孔拉伸强度标准测试方法
- ASTM D5961 | 聚合物基复合材料层压板承载反应标准测试方法
- ASTM D638 | 塑料拉伸性能标准测试方法
- ASTM D7269 | 芳纶纱线拉伸测试标准测试方法
- ASTM D882 | 薄塑料片材拉伸性能标准测试方法
- ASTM A416 | 预应力混凝土用低松弛七丝钢绞线标准规范
- ASTM D885 | 轮胎帘线、轮胎帘子布和工业长丝纱线的标准测试方法
- ASTM F2150 | 聚合物水凝胶拉伸测试
- ASTM F606 | 紧固件、垫圈、直接张力指示器和铆钉的拉伸测试
- ASTM F2516 | 镍钛超弹性材料张力测试标准测试方法
- ASTM E8 | 金属材料张力测试标准测试方法