ASTM D638 塑膠拉伸性能
依 ASTM D638 進行塑膠抗拉強度試驗的完整指南
ASTM D638 是評估增強與非增強塑膠拉伸性質最常用的測試標準之一，為製造商與材料工程師提供可靠的方法，以評估力學性能並確保產品品質。隨著全球塑膠使用量持續成長，了解抗拉強度、伸長率與模數對於選擇合適材料並維持符合產業規範至關重要。
本綜合指南說明 ASTM D638 所定義的關鍵量測與計算，並將該方法與相關拉伸標準比較，詳述試片類型與製備要求，以及為取得準確且可重複的結果所需的測試設備——從夾具與延伸計到全自動化系統。此外亦包含常見問題解答，協助使用者自信地執行 ASTM D638 測試。
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ASTM D638 的關鍵量測
ASTM D638 是否適用於您的材料？
選擇正確的標準取決於多項因素，包括試片類型、厚度與最終用途需求。ASTM D638 適用於厚度介於 1–14 mm 的硬質塑膠試片。若您的樣品為厚度小於 1 mm 的薄片或薄膜，建議參考ASTM D882。
ASTM D638 與 ISO 527-2
雖然 ASTM D638 與ISO 527-2可提供相近結果，但由於尺寸與測試要求不同，兩者在技術上並不等同。
在常用標準方面，各地區存在一些偏好：
- 北美：ASTM D638
- 歐洲：ISO 527-2
- 中國：兩種標準皆廣泛使用
Bluehill® Universal 的應用模組提供 ASTM D638、ISO 527-2 及其他塑膠測試標準的預先設定方法範本——可讓您修改或直接使用既有方法。
樣品類型
ASTM D638 共有五種試片類型；各類型尺寸會依試片厚度、可用材料量及／或測試時的性能而有所不同。
- Type I：通常在材料充足時選用；此為標準偏好的類型。
- Type II：當使用 Type I 尺寸測試時，材料未在窄標距段內破壞，則建議使用。
- Type III：適用於所有厚度大於 7 mm 且至 14 mm（不超過）之材料。
- Type IV：用於需要直接比較不同剛性特性的材料（例如：非硬質 vs. 半硬質）時。
- Type V：在材料供應有限或成本過高時選用。亦可用於在受限的工作空間內製備大量試片，例如環境測試期間。
試片尺寸
| Type I | Type II | Type III | Type IV | Type V | |
|---|---|---|---|---|---|
| 厚度（mm） | ≤ 7 | ≤ 7 | 7 - 14 | ≤ 4 | ≤ 4 |
| 總寬度（mm） | 19 | 19 | 29 | 19 | 9.53 |
| 標距寬度－縮頸段（mm） | 13 | 6 | 19 | 6 | 3.18 |
| 總長度（mm） | 165 | 183 | 246 | 115 | 63.5 |
| 長度－縮頸段（mm） | 57 | 57 | 57 | 33 | 9.53 |
| 標距長度（mm） | 50 | 50 | 50 | 25 | 7.62 |
完整所需尺寸清單請參閱標準：ASTM D638。
試樣製備
平板試片通常以模塑、沖切或機加工方式製成狗骨（啞鈴）形狀。此幾何形狀可確保斷裂發生在標距段，而非夾持區域。ASTM D638 亦允許測試硬質管材與棒材——必須加工成狗骨形狀，以使破壞集中於中央並確保應力分佈一致。
試樣測量
依ASTM D5947（固體塑膠試片物理尺寸之標準試驗方法），試驗前必須量測試片的寬度與厚度——多數測微器皆適用。寬度與厚度量測必須在材料中心處進行，且距各標距長度端點 5 mm 以內。
沖切或機加工樣品需逐一量測。
對於射出成型試片，若能證明批次內變異小於 1%，則可從該批次量測單一樣品。射出成型試片通常具有拔模斜度，而非完全方正；此時，為保持一致性，寬度量測應取於拔模斜度的中心位置。
若要在測試軟體中顯示應力（而非僅顯示力），需要截面積。
管理不必要的試驗前作用力
夾具初次夾持試片時，可能引入壓縮力。若處理不當，這些力可能使結果偏差，甚至在測試前就損傷材料。
我們建議以下作法以處理不必要的試驗前作用力：
- 插入試片後請勿對這些力進行平衡／歸零；這會在結果中造成偏移。
- 設定Bluehill Universal以在各試片間正規化力並消除鬆弛／壓縮力，確保一致的基準線。
- 在 Instron 6800 Series 萬能材料試驗機上，啟用 試片保護 以在設定期間防止試片受損。啟用後，系統會自動調整橫樑位置，使在設定操作限值前，不必要的力維持在指定上限以下。
計算和結果
名義應變與延伸計應變的報告
在呈現測試結果時，務必確保術語定義正確，以符合標準並利於跨實驗室比較。ASTM D638 常見的報告錯誤之一，是在需要名義應變時改用引伸計應變。
ASTM D638 將名義應變定義為由橫樑位移量測的應變，而非由引伸計量測。 為什麼？ 塑膠往往不會均勻變形。由於頸縮，應變可能集中於小區域。
對於會頸縮或具有屈服點的材料，斷裂伸長百分比無法透過延伸計報告，因為頸縮可能發生在延伸計標距長度之外。因此，屈服後的伸長百分比必須使用名義應變來報告。
僅在應變均勻且材料不出現頸縮或屈服時，才可使用延伸計量測斷裂應變。
模數
不同材料行為需要不同的模數計算方式，才能準確擷取測試的彈性區段。多數現代測試軟體允許自訂這些計算——了解計算方法對於結果一致性至關重要。
常見方法包括：
- 割線模數－由零點連至使用者定義之應力－應變曲線上的某一點所畫出的直線；適用於材料不呈現真正線性區段時。
- 楊氏模數－最常見的方法；此作法會跨多個區段求斜率，並以最小平方法擬合後報告最陡的斜率。
Bluehill Universal 軟體包含自動楊氏模數計算工具，或使用者也可定義特定的區段數。
ASTM D638 建議的測試設備
測試系統
依 ASTM D638 進行測試需使用萬能材料試驗機，例如 Instron 的6800 Series。典型系統容量取決於預期峰值載荷：
- 對多數塑膠而言，具 5 kN 或 10 kN（1,124 lbf 或 2,248 lbf）力容量的測試系統通常已足夠。
- 對高強度增強塑膠而言，可能需要具 30 kN 或 50 kN（6,744 lbf 或 11,240 lbf）力容量的測試系統。
若需進行非室溫測試，可在配置中加入環境箱並搭配適配的載荷鏈。
氣動側向夾具
手動楔形夾具
延伸計
彈性模數是 ASTM D638 最重要的計算性質之一。要準確取得模數，您需要合適的應變量測裝置。
ASTM D638 的延伸計建議取決於材料伸長量、產能目標、計算需求，以及是否需要在高溫或低溫下測試。
非接觸式影像延伸計
非接觸式影像延伸計可擷取模數數據，特別適用於搭配環境箱的非室溫測試，包括加熱與冷卻情境。由於其安裝於溫度箱外，可避免測試時開啟箱門所造成的溫度波動。此類延伸計的例子為 Instron AVE3 Advanced Video Extensometer。
滿足高通量需求的自動化
常見問題
雖然 ISO 527-2 與 ASTM D638 類似——兩者皆量測塑膠的拉伸性質——但由於試片尺寸、測試速度與特定程序要求不同，兩者在技術上並不等同。
製造商通常會依地區偏好與客戶要求選擇適用標準。ASTM D638 在北美常見，ISO 527-2 在歐洲與亞洲廣泛使用，而中國的製造商通常兩者皆測。
最後說明
本指南概述ASTM D638測試所涉及的關鍵要素，但不能取代官方標準。任何計畫執行此測試者，皆應查閱完整標準以取得完整操作說明與符合性要求。
關於作者
Sammi Sawdey
Sammi Sawdey為 Instron 資深應用工程師，專精於塑膠測試與材料表徵。她在靜態測試方法方面具備深厚專業，並為各產業客戶提供建議，協助其最佳化測試系統，以提升準確性、效率與符合性。Sammi 的職務需要持續掌握最新 ASTM 與 ISO 標準、新興產業趨勢與最佳實務，使她能引導客戶達成高品質且可靠的測試成果。
