拉伸測試：運作原理、測量項目及入門指南
拉伸測試是全球製造和研究機構的工程師與材料科學家進行的一項基礎機械測試。拉伸測試（也稱為張力測試）對材料試樣施加單軸力，以測量其關鍵機械性能：拉伸強度、屈服強度、彈性模量和延伸率。這些測量結果告訴產品設計師和品質工程師材料在負載下的表現、何處開始發生永久變形以及斷裂點，從而提供為應用選擇合適材料並驗證其是否符合所需規格所需的數據。
為何要進行拉伸試驗？
拉伸試驗和材料特性分析對所有行業的製造商和研究人員都至關重要。為了讓材料能被選用於新產品或新用途，研究人員必須確保它能承受最終使用時會遇到的機械力。例如，輪胎橡膠必須具有足夠的彈性以吸收路面的不平整，而手術縫合線必須有足夠的強度來固定活體組織。此外，材料和產品可能會在各種不同的溫度和環境條件下，短期或長期地承受機械力，經歷週期性或重複使用。汽車輪胎預期在各種天氣條件下能持續使用一定里程，而手術縫合線雖然只使用一次，但必須在足夠長的時間內保持一致的拉伸強度，直到身體癒合。
除了在研發過程中的重要性外，品質保證部門也使用拉伸試驗來確保成品批次符合拉伸性能的規定要求。這從安全和商業角度來看都很重要，因為有缺陷的產品可能會對最終使用者造成危險，也會以產品延遲、收入損失和聲譽受損的形式對製造商造成重大損害。
如何進行拉伸測試
拉伸試驗機：關鍵組件及其功能
- 載荷框架 - 根據其力容量，拉伸試驗機可提供單立柱或雙立柱配置。
- 軟體 - 測試軟體是操作員配置測試方法和輸出結果的地方。
- 荷重元 - 荷重元是一種測量施加於測試試樣之力的感測器。Instron 荷重元的精確度可達荷重元容量的 1/1000。
- 夾具與附件 - 提供多種試樣夾具和附件，以適應不同材料、形狀和尺寸的測試試樣。
- 應變測量 - 某些測試方法需要測量試樣在負載下的延伸率。Instron 的 AVE2 可測量試樣長度的變化，精確度達 ±1 µm 或讀數的 0.5%。
設置拉伸測試
為了進行拉伸試驗，操作員必須執行各種任務以確保測試按照內部和/或外部測試標準進行。根據實驗室的不同，這些任務可能部分或完全自動化，但設置的正確性始終由操作員負責。
測試方法選擇
一旦您的試樣裝入夾具且伸長計已安裝，即可準備開始。在 Bluehill Universal 中，選擇您的測試方法並配置關鍵參數，包括測試速度、試樣尺寸以及測試結束標準（如斷裂偵測或最大負載限制）。
當您開始測試時，機器會以規定的速率施加拉伸力，並在試樣變形時持續記錄負載、位移和應變數據。測試會一直運行到滿足定義的結束標準為止，通常是試樣斷裂或負載下降一定百分比。
完成後，Bluehill Universal 會自動計算您方法中定義的機械性能：拉伸強度、屈服強度、延伸率和模量，供您審閱、匯出或報告。
準備試樣
試樣幾何形狀根據被測試的材料和使用的測試方法或標準而有很大差異。ASTM 和 ISO 等管理機構已經標準化了不同材料的試樣要求，這使得它們的性能可以在不同批次和製造商之間可靠地比較。
拉伸試樣通常被加工或壓鑄成骨狀形狀，提供設計用於被試驗機夾具固定的「肩部」和用於測量拉伸性能的「標距」。這些肩部的尺寸、它們之間的標距以及整個試樣的長度和寬度都由測試標準規定。
將試樣插入夾具
為您的試樣選擇合適的夾具對於獲得準確、可重複的結果至關重要。根據試樣的尺寸、紋理和材料類型，可能需要不同的夾具設計和夾面表面。夾具提供多種力容量，並具有橡膠塗層、光滑、鋸齒狀及其他表面類型，以適應從軟質彈性體和薄膜到高強度金屬和複合材料的所有需求。
正確的對中同樣重要。試樣插入期間的對中不良會引入軸外力，這可能會使結果產生偏差，或導致在夾具處而非標距長度內發生過早失效。為了幫助操作員一致且正確地插入試樣，Instron 提供了一系列對中裝置和附件，旨在確保每次都能沿正確的軸線施加力。
對於高通量測試環境，氣動和液壓夾具可以顯著減少設置時間和操作員變異性，只需按一下按鈕即可打開和關閉，而無需在試樣之間進行手動調整。
應變測量裝置
應變是測量試樣在應力下的變形，是大多數拉伸測試標準要求的材料表徵基礎部分。準確測量應變需要專用的測量裝置，而不是依賴橫樑位移，因為橫樑位移可能會因機器柔度和夾具就位而引入誤差。
伸長計是最常見的解決方案。接觸式裝置（如夾持式伸長計）以固定的標距長度直接安裝在試樣上，測量試樣變形時兩個接觸點之間距離的變化。它們在試樣放入夾具後、開始測試前安裝。對於不方便將裝置安裝在試樣上的應用（例如極薄的薄膜、高延伸率彈性體或脆性材料），非接觸式視訊伸長計提供了另一種選擇，利用試樣上的標記或表面特徵進行光學追蹤變形。
開始測試並記錄數據
一旦您的試樣裝入夾具且伸長計已安裝，即可準備開始。在 Bluehill Universal 中，選擇您的測試方法並配置關鍵參數，包括測試速度、試樣尺寸以及測試結束標準（如斷裂偵測或最大負載限制）。
完成後，Bluehill Universal 會自動計算您方法中定義的機械性能：拉伸強度、屈服強度、延伸率和模量，供您審閱、匯出或報告。
拉伸測試數據分析：了解應力-應變曲線和關鍵材料屬性
在拉伸狀態下測量材料會產生其機械性能的完整輪廓。當繪製在圖表上時，記錄的負載和位移數據會生成一條應力-應變曲線，顯示材料在測試的每個階段對施加力的反應。雖然所需的特定屬性因標準和應用而異，但工程師尋找的關鍵測量值是極限拉伸強度、彈性模量、屈服強度和應變——每一項都揭示了材料在實際使用中表現的不同方面。
極限拉伸強度
我們可以確定的關於材料最重要的性能之一是其極限拉伸強度（UTS）。這是試樣在測試期間承受的最大應力。UTS 可能等於或不等於試樣的斷裂強度，這取決於材料是脆性的、延性的，還是同時表現出這兩種性質。有時材料在實驗室測試時可能表現出延性，但當在服務中暴露於極冷溫度時，可能會轉變為脆性行為。
胡克定律
對於大多數材料，測試的初始部分將表現出施加的力或負載與試樣伸長之間的線性關係。在這個線性區域中，線遵循胡克定律定義的關係，其中應力與應變的比率是一個常數。E 是這個區域中線的斜率，其中應力（σ）與應變（ε）成正比，稱為彈性模量或楊氏模量：
彈性模量
屈服強度
材料的屈服強度定義為開始發生塑性變形時施加於材料的應力。
偏移法
對於某些材料（如金屬和塑膠），從線性彈性區域的偏離不容易識別。因此，允許使用偏移法來確定材料的屈服強度。這種方法常用於測量金屬的屈服強度。根據ASTM E8/E8M測試金屬時，偏移被指定為應變的百分比（通常為 0.2%）。當從偏移「m」處繪製線性彈性區域的線（斜率等於彈性模量）時，從交點「r」確定的應力（R）成為偏移屈服強度。
替代模量
某些材料的拉伸曲線沒有很好定義的線性區域。在這些情況下，ASTM 標準 E111 提供了確定材料模量以及楊氏模量的替代方法。這些替代模量是割線模量和切線模量。
應變
我們還可以找到試樣在拉伸測試期間經歷的拉伸或伸長量。這可以表示為長度變化的絕對測量值，或表示為稱為「應變」的相對測量值。應變本身可以用兩種不同的方式表示，即「工程應變」和「真實應變」。
工程應變可能是最簡單且最常用的應變表達方式。它是長度變化與原始長度的比率：
真實應變類似，但是基於測試過程中試樣的瞬時長度，其中 Li 是瞬時長度，L0 是初始長度：
查看我們的拉伸測試和拉伸測試機常見問題以獲取更多資訊
高達 300 kN 的萬能材料試驗系統
單立柱和雙立柱桌上型及落地型測試系統，力容量範圍為 0.02 N (2 gf) 至 300 kN。
高達 2000 kN 的工業級萬能材料試驗系統
Instron 的工業系列包括具有單測試空間或雙測試空間的框架，力容量範圍從 300 kN 到 2000 kN。
用於測試塑料、金屬、複合材料、彈性體、紡織品和組件的拉伸夾具
伸長計：用於應變測量的接觸式與非接觸式解決方案
視訊伸長計是一種非接觸式伸長計，利用高解析度數位攝影機技術，透過追蹤試樣上兩個附著標記的移動來測量變形。
了解更多
靜態軸向夾持式伸長計
目錄編號 2630-XXX
Instron 的靜態軸向夾持式伸長計是測量應變的快速簡便解決方案，適用於塑料、金屬和複合材料等廣泛材料。
了解更多
金屬、塑料、彈性體等材料的拉伸測試標準
以下列出了一些最常見的國際測試標準。確保符合這些標準可能非常複雜，但 Bluehill Universal® 軟體透過預先配置的測試方法簡化了此過程，旨在縮短設定時間並將程序錯誤的風險降至最低。
- ASTM A370 | 鋼產品機械測試的標準測試方法和定義
- ASTM A416 | 預應力混凝土用低鬆弛七股鋼絞線的標準規範
- ASTM A48 | 灰鑄鐵鑄件的標準規範
- ASTM A746 | 球墨鑄鐵重力排水管的標準規範
- ASTM A996 | 混凝土加固用軌道鋼和軸鋼變形鋼筋的標準規範
- ASTM C297 | 夾層結構平面拉伸強度的標準測試方法
- ASTM D1037 | 評估木質纖維和顆粒板材料性能的標準測試方法
- ASTM D1414 | 橡膠O型圈的標準測試方法
- ASTM D1708 | 使用微型拉伸試樣測試塑膠拉伸性能的標準測試方法
- ASTM D2256 | 單股法測試紗線拉伸性能的標準測試方法
- ASTM D3039 | 聚合物基複合材料拉伸性能的標準測試方法
- ASTM D4018 | 連續絲碳纖維和石墨纖維束性能的標準測試方法
- ASTM D412 | 硫化橡膠和熱塑性彈性體拉伸的標準測試方法
- ASTM D4632 | 土工織物抓破負載和延伸率的標準測試方法
- ASTM D5034 | 紡織品斷裂強度和延伸率的標準測試方法（抓破測試）
- ASTM D5035 | 紡織品斷裂力和延伸率的標準測試方法（條帶法）
- ASTM D5766 | 聚合物基複合材料層板開孔拉伸強度的標準測試方法
- ASTM D5961 | 聚合物基複合材料層板承載響應的標準測試方法
- ASTM D638 | 塑膠拉伸性能的標準測試方法
- ASTM D7269 | 芳綸紗線拉伸測試的標準測試方法
- ASTM D882 | 薄塑膠薄片拉伸性能的標準測試方法
- ASTM A416 | 預應力混凝土用低鬆弛七股鋼絞線的標準規範
- ASTM D885 | 輪胎簾線、輪胎簾線織物和工業長絲紗線的標準測試方法
- ASTM F2150 | 聚合物水凝膠拉伸測試
- ASTM F606 | 緊固件、墊圈、直接張力指示器和鉚釘的拉伸測試
- ASTM F2516 | 鎳鈦超彈性材料拉伸測試的標準測試方法
- ASTM E8 | 金屬材料拉伸測試的標準測試方法