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ASTM D638 塑料拉伸性能

根据 ASTM D638 进行塑料拉伸强度测试的完整指南

使用气动夹具根据 ASTM D638 进行的塑料拉伸测试 | Instron

作者： Sammi Sawdey

编辑： Nick Erickson

审核： Frank Lio

更新日期： 2026 年 3 月 11 日

ASTM D638 是评估增强型和非增强型塑料拉伸性能最广泛使用的测试标准之一，为制造商和材料工程师提供了评估机械性能和确保产品质量的可靠方法。随着全球塑料使用量的持续增长，了解拉伸强度、伸长率和模量对于选择合适的材料并保持符合行业规范至关重要。

本综合指南解释了 ASTM D638 中定义的关键测量和计算，将该方法与相关的拉伸标准进行了比较，详细说明了试样类型和制备要求，并概述了获得准确、可重复结果所需的测试设备——从夹具和引伸计到全自动系统。它还包括常见问题的解答，以帮助用户自信地执行 ASTM D638 测试。

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ASTM D638 中的关键测量

根据 ASTM D638，使用万能材料试验机施加拉伸力——测试速度范围为 1 至 500 mm/min——直到试样屈服或断裂。

屈服被定义为材料从弹性变形区域过渡到塑性变形区域的点。换句话说，就是材料在应力作用下开始发生永久变形的点。

虽然 ASTM D638 涵盖了一系列拉伸性能，但通常报告以下内容：

  • 拉伸强度 – 材料达到的最大应力。
  • 弹性模量 – 刚度的度量，反映材料在屈服前响应应力而产生的变形量。
  • 伸长率 – 标距相对于原始标距的变化，直到试样屈服；数值越高表示延展性越好。
  • 公称应变 – 夹持间距相对于原始夹持间距的变化。如果材料在断裂前发生屈服，则报告公称应变。
  • 泊松比 – 此可选计算显示轴向应变与横向应变之间的关系。

ASTM D638 是否适合您的材料？

选择正确的标准取决于多种因素，包括试样类型、厚度和最终使用要求。ASTM D638 适用于厚度在 1 – 14 mm 之间的硬质塑料试样。如果您的样品是厚度小于 1 mm 的薄片或薄膜，则应参考 ASTM D882。

ASTM D638 与 ISO 527-2
虽然 ASTM D638 提供与 ISO 527-2 相似的结果，但由于尺寸和测试要求的差异，它们在技术上并不等同。

在常用标准方面存在一些地区偏好：

  • 北美：ASTM D638
  • 欧洲：ISO 527-2
  • 中国：两种标准均被广泛使用

Bluehill® Universal 的应用模块中提供了 ASTM D638、ISO 527-2 和其他塑料测试标准的预配置方法模板，允许您修改或直接使用该方法。

ASTM ISO | Instron

试样类型

ASTM D638 有五种试样类型，每种类型都有自己的尺寸，具体取决于试样厚度、可用材料量和/或测试下的性能。

  • I 型： 通常在材料充足时选择；这是标准首选的类型。
  • II 型： 当使用 I 型尺寸测试时材料未在窄标距段内失效时推荐使用。
  • III 型： 适用于厚度大于 7 mm 且不超过 14 mm 的所有材料。
  • IV 型： 当需要在具有不同刚度特性的材料（例如非硬质与半硬质）之间进行直接比较时使用。
  • V 型： 当材料供应有限或成本过高时选择。也可用于在受限工作空间（如环境测试期间）制备大量试样。
拉伸试样图 | Instron

试样尺寸

I 型 II 型 III 型 IV 型 V 型
厚度 (mm) ≤ 7 ≤ 7 7 - 14 ≤ 4 ≤ 4
总宽 (mm) 19 19 29 19 9.53
标距宽度 - 缩减段 (mm) 13 6 19 6 3.18
总长 (mm) 165 183 246 115 63.5
长度 - 缩减段 (mm) 57 57 57 33 9.53
标距 (mm) 50 50 50 25 7.62

请查阅标准以获取所需尺寸的完整列表：ASTM D638。

试样制备

扁平试样通常被模制、模切或加工成哑铃形。这种几何形状确保断裂发生在标距段内，而不是夹持区域。ASTM D638 还允许测试硬质管材和棒材——这些必须加工成哑铃形，以使失效集中在中心并确保一致的应力分布。

试样测量

试样的宽度和厚度必须在测试前根据 ASTM D5947（固体塑料试样物理尺寸标准测试方法）进行测量——大多数千分尺都适用于此目的。宽度和厚度测量必须在材料中心以及距离每个标距端 5 mm 范围内进行。

模切或加工的样品需要单独测量。

对于注塑试样，如果证明样品批次的差异小于 1%，则可以测量批次中的单个样品。注塑试样通常具有拔模斜度，而不是完美的正方形。在这种情况下，为了保持一致性，应在拔模斜度的中心进行宽度测量。

要在测试软件中显示应力（而不仅仅是力），需要横截面积。

应力=载荷/ = 横截面积横截面积=-宽度×厚度

自动试样测量装置 | Instron
自动试样测量装置

效率提示：

使用 Bluehill Universal 的自动试样测量装置功能连接最多两个千分尺或类似的测量设备。启用后，测量值将直接从设备获取并自动输入软件——消除了手动输入，减少了错误并提高了吞吐量。

试样对中

正确的对中对于准确性和可重复性至关重要。对中不良会导致测试结果出现重大偏差。

试样装载应垂直于夹面且无倾斜，并使用以下设备：

  • 宽度与试样接近的夹面，以便于视觉对中。
  • 能使试样在载荷链中心对中的夹具——推荐使用气动侧动夹具和楔形夹具。
  • 安装在夹具主体上的试样对中装置。这种可调节的挡块可确保跨测试的一致、可重复放置。
气动侧动拉伸夹具上的试样对中装置 | Instron
气动侧动夹具上显示的试样对中装置

管理不必要的预测试力

当夹具最初夹紧试样时，可能会引入压缩力。如果处理不当，这些力可能会使结果产生偏差，甚至在测试前损坏材料。

我们建议采取以下措施来解决不必要的预测试力：

  • 插入试样后不要平衡/清零这些力；这会在结果中产生偏移。
  • 配置 Bluehill Universal 以规范化各试样间的力并消除松弛/压缩力，确保基准一致。
  • 在 Instron 6800 系列万能材料试验机上，启用“试样保护”功能以防止在设置过程中损坏试样。激活后，它会自动调整横梁位置，以在设置操作限制之前将不必要的力保持在定义的限制以下。

计算与结果

报告公称应变与引伸计应变

在展示测试结果时，确保术语定义正确以符合标准并实现实验室间的可比性非常重要。ASTM D638 的一个常见报告错误是在需要公称应变的地方使用了引伸计应变。

ASTM D638 将公称应变定义为从横梁位移测得的应变，而不是从引伸计测得的。 为什么？ 塑料通常不会均匀变形。应变可能会由于颈缩而集中在一个小区域。

对于发生颈缩或具有屈服点的材料，不能通过引伸计报告断裂伸长率百分比，因为颈缩可能发生在引伸计标距之外。因此，必须使用公称应变来报告屈服后的伸长率百分比。

仅当应变均匀且材料未表现出颈缩或屈服时，才允许使用引伸计测量断裂应变。

模量

不同的材料行为需要不同的模量计算，以准确捕捉测试的弹性部分。大多数现代测试软件都允许自定义这些计算——了解计算方法对于获得一致的结果至关重要。

常见方法包括：

  • 割线模量 – 从零点到应力-应变曲线上用户定义点连成的线；当材料未表现出真正的线性区域时很有用。
  • 杨氏模量 – 最常用的方法，该方法确定多个区域的斜率，并通过最小二乘法拟合报告最陡的斜率。

Bluehill Universal 软件包含自动杨氏模量计算工具，或者用户可以定义特定数量的区域。

割线模量图示例 | Instron
割线模量图示例

ASTM D638 推荐的测试设备

6800 系列万能试验系统 | Instron

测试系统

根据 ASTM D638 进行的测试是在万能材料试验机上进行的，例如 Instron 的 6800 系列。典型的系统容量取决于预期的峰值载荷：

  • 对于大多数塑料，力容量为 5 kN 或 10 kN（1,124 lbf 或 2,248 lbf）的测试系统通常就足够了。
  • 对于高强度增强塑料，可能需要力容量为 30 kN 或 50 kN（6,744 lbf 或 11,240 lbf）的测试系统。

对于非环境测试，可以在配置中添加环境箱并配备适配的载荷链。

拉伸夹具

安全、一致的夹持压力有助于防止打滑——这是在承受应力而变薄的塑料中观察到的常见问题。

  • 气动侧动夹具配有锯齿形夹面，推荐用于硬质塑料。其气动设计可确保一致的夹紧力，即使材料在测试过程中变薄也是如此。
  • 对于超过 10 kN 的力，推荐使用配有锯齿形夹面的手动楔形夹具，它提供稳固的夹紧和自紧设计，可在试样受拉时保持其稳固。

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气动侧动夹具

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手动楔形夹具

引伸计

弹性模量是 ASTM D638 最重要的计算属性之一。为了准确捕捉模量，您需要合适的应变测量装置。

ASTM D638 的引伸计建议取决于材料伸长率、吞吐量目标、计算要求以及是否需要在高温或低温下进行测试。

夹持式引伸计

夹持式引伸计是一种固定标距设备，在测试前手动安装，并在屈服时或断裂前取下。为了测量泊松比，可以添加横向夹持式引伸计以捕捉弹性区域的宽度变化。也可以使用双轴夹持式引伸计同时记录轴向和横向应变。

自动接触式引伸计

自动接触式引伸计无需操作员参与即可在试样上安装和拆卸，通过减少手动操作和放置变动性，非常适合高吞吐量实验室。它支持多种标距，以适应不同的试样尺寸和测试标准。AutoX750 可用于仅轴向测量，而 AutoXBiax 可用于双轴测量。

非接触式视频引伸计

非接触式视频引伸计能够捕获模量数据，特别适用于带有环境箱的非环境测试，包括加热和冷却场景。因为它安装在温控箱外部，所以避免了测试期间打开箱门时发生的温度波动。此类引伸计的一个例子是 Instron AVE3 高级视频引伸计。

满足高吞吐量需求的自动化

具有高容量测试需求的实验室应探索自动化以加速工作流程并提高吞吐量。这些解决方案范围从半自动化升级到全自动测试系统。

全自动系统——例如 Instron 的 3 轴移动 AT3 或 6 轴机器人配置的 AT6——可以集成试样测量、试样标记、材料处理、测试、应变测量和试样移除。某些配置可以在无需操作员干预的情况下处理数百个试样。

优势包括：

  • 减少人为错误带来的变动性
  • 测试可延长至班次结束后，增加每日样品数量
  • 在大批量测试中实现更一致的放置、对中和计时
  • 操作员可以专注于其他增值任务，将耗时、重复的任务留给自动化设备

常见问题

ASTM D638 的 ISO 等效标准是什么？

虽然 ISO 527-2 与 ASTM D638 相似——两者都测量塑料的拉伸性能——但由于试样尺寸、测试速度和特定程序要求的差异，它们在技术上并不等同。

制造商通常根据地区偏好和客户要求选择合适的标准。ASTM D638 在北美很常见，ISO 527-2 在欧洲和亚洲被广泛使用，而中国的制造商通常根据这两个标准进行测试。

结语

本指南概述了 ASTM D638 测试中涉及的关键要素，但它不能替代官方标准。任何计划执行此测试的人员都应查阅完整标准以获取完整的说明和合规性要求。

关于作者

Sammi Sawdey

Sammi Sawdey 是 Instron 的高级应用工程师，专注于塑料测试和材料表征。凭借在静态测试方法方面的深厚专业知识，她为各行各业的客户提供关于如何优化其测试系统以实现准确性、效率和合规性的建议。Sammi 的工作需要不断关注最新的 ASTM 和 ISO 标准、新兴行业趋势和最佳实践，使她能够引导客户获得高质量、可靠的测试结果。

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