拉伸测试
简介


拉伸测试是由世界各地制造设施和研究机构的工程师和材料科学家执行的一种基本类型的机械测试。拉伸测试(或拉力测试)是将力施加到材料试样上,以测量材料对拉伸(或拉力)应力的响应情况。此类测试可深入了解材料的机械性能,使产品设计师能够就何时、何地以及如何使用给定材料做出明智的决策。

为何执行拉伸测试?

对于所有行业的制造商和研究人员而言,拉伸测试和材料表征至关重要。为了将待选材料用于新产品或新用途,研究人员必须确保材料能够承受会在最终应用中遭受的机械力。例如,轮胎橡胶的弹性必须足以吸收路面的高低不一致,而手术缝合线的强度必须足以将活组织固定在一起。此外,材料和产品可能会因循环或重复使用,以及在各种不同温度和环境条件下短时间或长时间暴露于机械力下。汽车轮胎需要能够在各种天气条件下行驶一定的里程,而手术缝合线(尽管只用一次)必须能够在足够长的时间内保持抗拉强度稳定,以便身体愈合。

除了对研发流程至关重要外,质保部门还使用拉伸测试来确保成品批次满足所需的拉伸性能规范。这从安全和商业角度来看都很重要,因为如果产品出现缺陷,可能会给最终用户带来危险,也可能会以产品发布延迟、收入损失和声誉受损的形式给制造商造成重大损害。




 

如何执行拉伸测试 拉伸测试基本原理简介

 



拉伸测试通过通用测试机(又称拉力机或拉伸测试机)执行。此类机器包括配有载荷传感器、测试软件及专用夹具和配件(如引伸计)的单柱或双柱机架。通用测试机具有各种力载荷能力,可使用不同的工装进行配置,用以测试任何产品、组件或材料。

拉伸测试系统设置 


拉伸测试机
载荷机架
根据力载荷能力的不同,拉伸测试机可以采用单柱或双柱配置。
软件
测试软件可供操作员配置测试方法和输出结果。
载荷传感器
载荷传感器是一种传感器,用于测量施加至试样的力。Instron 载荷传感器的精度可达到载荷传感器载荷能力的 1/1000。
夹具和工装
可提供多种试样夹具和工装,用于适应不同材料、形状和大小的测试试样。
应变测量
某些测试方法需要测量试样在载荷作用下的伸长率。Instron 的 AVE2 用于测量试样长度变化,精度可达到 ±1 µm 或读数的 0.5%。

 





设置拉伸测试

若要执行拉伸测试,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。尽管设置正确与否会由操作员负责,但可对此类任务部分或完全自动化,具体取决于实验室。

测试方法的选择
拉伸测试方法的选择

在将试样加载到系统中并连接上引伸计后,即可开始测试。设置测试时,需在测试软件中选择适当的测试方法,并输入与测试速度、试样测量值或最终标准有关的任何必要参数。对系统发出启动指令后,机器会根据测试方法的规定对试样施加拉力,并记录试样对应力的响应数据。完成测试后,可移除试样并导出数据,以供进一步研究。

准备试样

试样的几何形状会有很大差异,具体取决于所测试的材料和所用的测试方法或标准。ASTM 和 ISO 等管理机构对不同材料制定有标准化的试样要求,使得可以在不同批次和制造商之间可靠地比较材料的性能。

拉伸试样常经过机加工或被压铸成狗骨形,以提供可被测试机夹具夹持的“肩部”以及用于测量拉伸性能的“标距长度”。此类肩部的尺寸、肩部之间的标距长度,以及整个试样的长度和宽度均由测试标准作了相关规定。

拉伸试样示意图
将试样插入夹具

根据材料的尺寸和质地,可能需要不同的夹具类型和夹钳面才能成功地夹持试样。可提供具有各种力载荷能力和橡胶涂层、光滑、锯齿状等表面类型的夹具。为了确保力施加在正确的方向,可提供不同的对准装置来帮助操作员将试样插入夹具中。

拉伸试样插入
应变测量装置
在拉伸试样上放置引伸计

应变是试样在应力作用下发生变形的度量值,也是大多数测试标准所要求的材料表征的基本部分。通常使用应变测量设备(如引伸计)进行此类测量。试样放入夹具后,会将接触式装置(如夹式引伸计)连接到试样。

开始测试

在将试样加载到系统中并连接上引伸计后,即可开始测试。设置测试时,需在测试软件中选择适当的测试方法,并输入与测试速度、试样测量值或最终标准有关的任何必要参数。对系统发出启动指令后,机器会根据测试方法的规定对试样施加拉力,并记录试样对应力的响应数据。完成测试后,可移除试样并导出数据,以供进一步研究。

拉伸测试开始




 

拉伸测试数据分析 了解材料的机械性能

 



通过测量材料或产品的张力,制造商可以获得完整的拉伸性能曲线图。绘制图表时,我们可以将这些数据绘制成应力-应变曲线,以展示材料对所施加的力的反应情况。虽然不同的标准需要测量不同的机械性能,但最重要的关注点通常是断裂或失效点、弹性模量屈服强度和应变。

拉伸测试数据


极限抗拉强度

极限抗拉强度 (UTS) 是我们能测定的材料的最重要性能之一,这是试样在测试期间所能承受的最大应力。UTS 是否等同于试样的断裂强度,取决于该材料是脆性、延性,还是兼具这两种性质。有时,在实验室测试时,某种材料具有延性,但在将其投入使用并置于极端低温环境下时,该材料可能会表现出脆性。


胡克定律

对大多数材料而言,在测试初期,施加在试样上的力或载荷与其伸长率呈线性关系。在该线性区域内,曲线符合“胡克定律”定义的关系,即应力与应变之比为常数。E 是该线性区域内直线的斜率,其中应力 (σ) 与应变 (ε) 成正比,其比值被称为弹性模量杨氏模量

$$E = {σ\ \overε}$$ 


弹性模量

弹性模量是材料刚度的度量,仅适用于曲线的初始线性区域。在该线性区域内,可以从试样上移除施加的拉伸载荷,该材料将恢复至与载荷施加前完全一致的状态。当曲线不再呈线性变化,并且偏离这一直线关系时,胡克定律便不再适用,而该试样也会发生永久变形。我们将该点称为弹性比例极限。在拉伸测试中,从这一点开始,材料将随着载荷或应力的进一步增加发生塑性变形。即使移除载荷,材料也不会恢复至最初无应力的状态。


屈服强度

材料的屈服强度定义为:材料开始发生塑性变形时所施加的应力。


偏置方法

对某些材料而言(例如金属和塑料),我们不易判断它们是否已偏离线性弹性区域。因此,我们可以使用偏置方法测定材料的屈服强度。该方法广泛应用于测定金属材料的屈服强度。根据 ASTM E8/E8M 标准测试金属材料时,通过应变的百分值(通常为 0.2%)来表示偏移量。当从偏置“m”处绘制出线性弹性区域的曲线(斜率等于弹性模量)后,从交点“r”测定的应力 (R) 即成为偏置屈服强度


备选模量

某些材料的拉伸曲线并没有清晰明确的线性区域。在这种情况下,ASTM 标准 E111 提供了用于测定材料模量以及杨氏模量的替代方法。这些备选模量为割线模量切线模量


应变

我们还将能够发现试样在进行拉伸测试时产生的拉伸或伸长量。这可以表示为长度变化的绝对度量,或“应变”的相对度量。应变可以通过两种不同的方式表示,分别为“工程应变”和“真实应变”。

工程应变可能是描述应变最简单且最常用的方式。它是长度变化量与其初始长度间的比值:

$$e = {L-Lₒ \ \over Lₒ} = { \Delta L\over Lₒ}$$

真应变的描述方式也比较类似,但随着测试不断进行,真应变会根据试样的瞬时长度来描述应变,其中 Li 为瞬时长度,L0 则为初始长度:

$$ε = In {Lᵢ \ \over Lₒ}$$ 

 


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Instron 拉伸测试设备 系统、组件和零部件

 



拉伸测试机有各种不同尺寸可供选择,且其可提供的力载荷能力范围从 0.02 N 到 2,000 kN 不等。大多数低载荷测试是通过机电单柱或双柱台式机器执行的,而大载荷能力应用则需要落地式机架。Instron 的 6800 系列系统可提供高达 300 kN 的力载荷能力,并且能够执行多种不同的测试,包括拉伸、压缩、弯曲、剥离、撕裂、剪切、摩擦、扭曲、穿刺等。Instron 的工业产品系列液压伺服系统专为执行更高载荷能力的高强度金属、合金和先进复合材料而设计。

6800 系列通用测试系统


通用测试系统的力载荷能力高达 300 kN

单柱和双柱台式及落地式测试系统的力载荷能力范围从 0.02 N (2 gf) 到 300 kN 不等。

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工业产品系列通用测试系统的力载荷能力高达 2,000 kN


工业级通用测试系统的力载荷能力高达 2,000 kN

Instron 的工业产品系列包含带有单一或双测试空间的机架,力载荷能力范围从 300 kN 到 2,000 kN 不等。

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拉伸夹具
适用于测试塑料、金属、复合材料、弹性体、纺织品和组件


2712-042 气动夹具

气动侧动拉伸夹具
目录编号 2712-XXX

我们的拉伸夹具备受青睐,一半以上的 Instron 通用测试机上都装有该夹具。此类夹具易于使用,用途极为广泛,且对于大批量测试非常高效。力载荷能力高达 10 kN。

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手动楔形动作夹具

机械楔形动作夹具
目录编号 2716-XXX

经典、简单且坚固的拉伸夹具设计;手动楔形动作夹具非常适合用于金属、复合材料和塑料。旨在轻松加载、对准和定位试样。力载荷能力高达 250 kN。

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螺旋侧动夹具

先进螺旋侧动夹具
目录编号 2710-XXX

螺旋动作夹具提供一种非常简单且高效的方法来夹持测试试样,最常用于生物医学、塑料薄膜、电子和粘合剂应用。力载荷能力高达 10 kN。

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先进液压楔形动作夹具

先进液压楔形动作夹具
目录编号 2742-XXX、2743-XXX

可提供尤为出色的夹具,适用于大多数金属和复合材料拉伸测试应用。若要将这些夹具安装到机电系统上,则需要液压夹持泵。力载荷能力高达 500 kN。

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自紧式偏心辊夹具

自紧式偏心辊夹具
目录编号 2713-XXX

自紧式拉伸夹具简单且高效,非常适合用于弹性体和薄膜。力载荷能力高达 5 kN。

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气动绳线夹具

气动绳线夹具
目录编号 2810-410、2714-XXX

专为纱线、缝线、缆绳、细绳、管、缝合线和电线的拉伸测试而设计的夹具。

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1,500 kN 液压楔形动作夹具 - 断裂钢筋

液压楔形动作夹具
目录编号 W-52XX、53XX

适用于 Instron 高载荷能力静态液压通用测试系统的液压楔形动作夹具。力载荷能力高达 2,000 kN。

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液压双侧动夹具,250 kN 目录编号 W-5450

液压侧动夹具
目录编号 W-54XX

与传统夹具设计相比,液压侧动 DuraSync™ 高载荷能力夹具具有更高的夹持性能、可用​​性和操作员安全性。力载荷能力高达 2,000 kN。

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引伸计
适用于应变测量的接触式和非接触式解决方案


拉伸机上的自动接触式引伸计 

自动非接触式视频引伸计

视频引伸计是一种非接触式引伸计,它可使用高分辨率数码相机技术,通过跟踪试样上两个附加标记的运动来测量变形。

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拉伸测试机上的自动接触式引伸计

自动接触式引伸计
目录编号 2665-750

AutoX750 可在保持高质量标准和安全运行条件的同时,最大限度地提高效率和收入。

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液压伺服拉伸测试机上的静态轴向夹式引伸计

静态轴向夹式引伸计
目录编号 2630-XXX

Instron 的静态轴向夹式引伸计是一种快速且简捷的应变测量解决方案,适用于塑料、金属材料和复合材料等各种材料。

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拉伸测试标准 塑料、弹性体和金属测试标准

 



大多数拉伸测试是根据 ASTMISO 等标准组织发布的既定标准执行的。标准规定了不同类型原材料(如金属塑料、弹性体、纺织物和复合材料)以及成品(医疗器械汽车零部件消费性电子产品)的可接受测试参数和结果。这些标准可以确保进入供应链的材料和产品表现出可预测的机械性能,而且不太可能在预期最终用途中失效。产品失效的成本和安全影响不容忽视,因此,建议企业投资高质量的精确测试设备,这有助于其轻松测定其产品是否符合适用标准。



ASTM D638 / ISO 527-2

ASTM D638ISO 527-2 是用于评估增强和非增强塑料拉伸性能的其中两个最常见标准。这些标准可以测量很多不同的拉伸性能,其中最常见的是拉伸强度拉伸模量伸长率泊松比


ASTM D412 / ISO 37

ASTM D412ISO 37 是用于测定硫化(热固性)橡胶和热塑性弹性体拉伸性能的最常见标准。此类化合物可用于制造各种产品,如轮胎、医用手套、O 形环。弹性体测试的主要测量参数包括极限伸长率拉伸形变


ASTM E8 / ASTM A370 / ISO 6892

ASTM E8ASTM A370ISO 6892 是用于金属和金属材料拉伸测试的主要标准。在金属测试中,测控方法是一个重要考量因素,为了得到准确的测试结果,需要全面了解十字头合规性应变控制






以下列出了一些最常见的国际拉伸测试标准。

  • ASTM A370 | 钢制产品机械测试的标准测试方法及定义
  • ASTM A416 | 预应力混凝土用低松弛七股钢绞线标准规范
  • ASTM A48 | 灰铸铁件标准规范
  • ASTM A746 | 球墨铸铁重力排污管标准规范
  • ASTM A996 | 混凝土钢筋用轨钢和轴钢变形钢筋标准规范
  • ASTM C297 | 夹层结构平拉强度标准测试方法
  • ASTM D1037 | 木基纤维和颗粒面板材料性能评价标准测试方法
  • ASTM D1414 | 橡胶 O 形圈标准测试方法
  • ASTM D1708 | 使用微拉伸试样测定塑料拉伸性能的标准测试方法
  • ASTM D2256 | 用单股法测定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的标准测试方法
  • ASTM D4018 | 连续丝碳纤维和石墨纤维拖链的标准测试方法
  • ASTM D412 | 硫化橡胶和热塑性弹性体的标准测试方法 — 张力
  • ASTM D4632 | 土工织物抓斗断裂载荷和伸长率的标准测试方法
  • ASTM D5034 | 纺织织物断裂强度和伸长率的标准测试方法(抓样法)
  • ASTM D5035 | 纺织织物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的标准测试方法
  • ASTM D5961 | 聚合物基复合材料层压板承载响应的标准测试方法
  • ASTM D638 | 塑料拉伸性能的标准测试方法
  • ASTM D7269 | 芳纶纱线拉伸测试的标准测试方法
  • ASTM D882 | 薄塑料片拉伸性能的标准测试方法
  • ASTM A416 | 预应力混凝土用低松弛七股钢绞线标准规范
  • ASTM D885 | 轮胎帘子线、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 | 镍钛超弹性材料拉力测试的标准测试方法
  • ASTM E8 | 金属材料拉力测试的标准测试方法
  • ISO 10319 | 土工合成材料宽条拉伸测试
  • ISO 10555 | 一次性使用无菌血管内导管拉伸测试
  • ISO 11193 | 一次性使用医用手套拉伸测试
  • ISO 13934 | 织物拉伸测试(抓样法)
  • ISO 15630 | 用于混凝土加固和预应力的钢测试
  • ISO 1798 | 柔性多孔聚合材料的拉伸强度和断裂伸长率
  • ISO 1926 - 硬质泡沫塑料的拉伸性能
  • ISO 2062 | 纱线的断裂力和断裂伸长率
  • ISO 3183 | 管拉伸测试
  • ISO 37 | 硫化橡胶或热塑性橡胶的拉伸性能
  • ISO 527-2 | 塑料拉伸性能
  • ISO 527-3 | 塑料薄膜和薄板的拉伸测试
  • ISO 527-4 | 各向同性和正交各向异性纤维增强塑料复合材料的拉伸性能
  • ISO 6892 | 金属和金属材料的拉伸测试
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