ASTM D638：关键要点
- ASTM D638 标准描述了增强和非增强塑料单轴拉伸试验方法，该方法可用于测定拉伸应力、伸长率、拉伸模量、拉伸强度、屈服点和断裂点，也可以测量泊松比。
- 此类试验适用于厚度在 1 mm 至 14 mm 之间的试样类型。针对厚度小于 1 mm 的薄膜、弹性体、长纤维复合材料或泡沫材料，其他 ASTM 标准更为适用。
- 由于塑料存在黏弹行为，因此试验速度会直接影响测得的材料性能。
- 务必选择合适的引伸计，以便进行精确的应变测量，从而可靠地确定模量。
- 就对湿度敏感的聚合物而言，环境条件下的试样状态调节会显著影响测试结果。
- 试样横截面自动测量和试验步骤自动化能够提高测试结果的可再现性并减少人工操作影响。
- ZwickRoell 提供符合 ASTM D638 标准的完整试验解决方案，包括材料试验机、试样夹具、引伸计、软件和自动化系统。
ASTM D638 实际应用：常见误差来源及其对试验结果的影响
即使试验严格按照 ASTM D638 标准执行，不同实验室、操作人员或试验系统所得出的结果仍可能存在显著差异。因此，不仅试验流程必须符合标准，各个具体步骤也务必严格按照规定执行：
- 试样制备与试样质量：试样制备情况是影响试验质量的第一个因素。可能导致偏差的原因包括成型条件不一致、浇口位置的影响、内部残余应力、机械加工造成的损伤、缺口或表面缺陷、厚度偏差等。
- 选择正确的试样类型：ASTM D638 标准对不同的试样类型作出了规定。如果使用不合适的试样类型，则断裂可能无法发生在狭窄的平行区域内，或者应变测量结果将不具可靠性。针对小型部件、软质聚合物或较厚的板材，试样选择至关重要。
- 横截面测量：所有应力相关数值均基于试样的初始横截面积计算得出。厚度或宽度测量中的微小误差会直接影响所有应力相关结果，包括拉伸强度、模量、屈服强度以及应力-应变曲线。即使厚度测量误差仅为 0.1 mm，也会导致 2.5% 的误差。自动化或直接连接的测量设备可减少输入误差，并提升测量数据的可追溯性。
- 试验速度：与大部分金属不同，塑料由于存在黏弹行为，因此对于应变速率非常敏感。不同的试验速度会影响拉伸模量、屈服应力、拉伸强度和断裂应变。因此，ASTM D638 标准根据材料和伸长性能规定了不同的横梁速度，该速度必须统一设定、记录归档并按照标准调整。
- 引伸计选择：在符合 ASTM D638 标准的试验中，应变测量是最重要的一方面。如果所选引伸计不合适，将显著影响模量、屈服应变和应变的测量精度。测试软质聚合物、抗冲击改性塑料、刚性材料和薄试样时需要应对一些特殊挑战。根据 ASTM D638 标准，选择合适的应变测量技术通常是确定试验配置时最重要的一项考虑因素。
- 试样夹具选择与试样对齐：夹持不当可能造成试样滑动、夹持部分过早断裂、弯曲应力和对齐误差，以及因试样夹具（楔块等）移动而导致的试验速度不准确。选择正确的夹持系统可确保力在试样上均匀分布，并且断裂发生在标距长度内。
- 设定环境条件下的试样状态调节：温度和湿度会对一些聚合物造成很大影响，例如聚酰胺、PET、PBT、TPU 和生物基聚合物。试样状态调节不当将导致刚度、强度和伸长率出现显著偏差。
- 试验期间的人工操作影响：手动操作会增加试样尺寸、引伸计设置、试验装置、数据分析甚至数据传输方面的差异。标准化（尤其是自动化）试验步骤能够提高测试结果的可靠性。
为了获取可再现的结果，试样、测量仪器、材料试验机、试样夹具、引伸计、软件以及试验条件必须相互协调。而 ZwickRoell 试验解决方案的核心优势正在于此。
如何执行符合 ASTM D638 标准的试验：
按照 ASTM D638 标准执行拉伸试验时，需要对标准化塑料试样施加单轴应力，直至其达到屈服点、实现规定伸长率或断裂。
- 试验前必须确定试样的类型、宽度和厚度，因为所有与应力相关的特性值均基于初始横截面积得出。
- 随后将试样夹持在合适的夹具中，并居中对齐。
- 试验过程中，材料试验机和引伸计会记录力、横梁位移和试样应变。应力-应变曲线可用于计算拉伸应力、拉伸模量、屈服应力、屈服应变、拉伸强度、断裂应变等特性值，也可用于计算泊松比。
- 根据具体材料和试验目的，应采用不同的试验速度、试样状态调节要求及应变测量方法。
- 您可以通过 testXpert 以标准化方式控制和记录试验参数、速度变化、测量数据及评估结果。
试样测量：微小的测量误差会直接影响特性值
高精度测量是可靠拉伸试验的基础。厚度测量误差为 0.1 mm，误差率为 2.5%！
ZwickRoell 的 CMU 30 横截面测量设备能够直接将数据传输至 testXpert，从而减少操作人员传输误差，加快流程，提高可追溯性，并确保所有试验都采用的相同的输入值。
试验机机架与力传感器的选择
选择试验机时，不仅仅需要关注最大试验载荷。理想的试验系统取决于材料类型、预期力范围、试样几何形状、所需自动化水平以及引伸计配置。
ZwickRoell 的模块化万能试验机 from ZwickRoell可通过单一平台满足多种塑料应用需求。
不过，除了最大试验载荷外，低载荷范围的测量精度也非常重要。ASTM D638 标准要求测量值的测量精度为 ±1%。ZwickRoell 试验机可以从其测量范围的 1/1000 开始达到要求的测量精度。因此，只需使用相同的试验配置便可精确测量多种材料的模量值和拉伸应力，无需频繁改进力传感器。
选择试样夹具
不同的材料和测试量所对应的夹持方法有所差异，例如气动夹具、螺纹夹具和楔形夹具。目标始终是在不损伤试样的情况下实现可靠夹持：
- 气动夹具：气动夹具只需按一下按钮即可闭合，并且夹持力可精确调节。其应用范围非常广泛，同时适用于软质和硬质聚合物。此类夹具支持将横梁速度直接传递至试样，尤其适用于需要实现高度可再现性、每日执行大量试验或自动上样的情况。
- 螺纹夹具：螺纹夹具通过旋紧操作手动闭合。此类夹具适用于半硬质到硬质塑料试验以及对可再现性要求较高的试验，但必须确保能够支持手动操作需求。
- 楔形夹具：楔形夹具通过杠杆移动手动闭合，适用于频繁进行测试。由于在拉伸试验过程中，夹持力通过楔效应产生，因此试样上的应变速率可能发生变化。在比较结果和考虑可再现性要求时，应将此因素纳入考量。内部 QA 任务不要求与其他实验室测量值之间保持高度可再现性，因而此类夹具尤其适用。
- 包覆式楔形夹具：包覆式楔形夹具分为手动版和气动版，尤其适用于要求牢固夹持试样和稳定施加力的硬质到高强度塑料拉伸试验。手动版经济实惠、坚固可靠且操作简便，适用于日常试验。气动版能够减少人工操作影响并保证夹持力均匀，因此更加适用于试验频率较高或测试量较大的情况。
引伸计的选择
选择不合适的引伸计可能导致模量值、屈服伸长率和断裂应变出现偏差。针对软质聚合物、极薄试样、高伸长率试样或对接触力敏感的试样，该风险会更高。因此，在符合 ASTM D638 标准的试验配置中，引伸计通常是最重要的组件。
- 夹持式引伸计： 其优点包括性价比高、精度高且适用于多种硬质塑料。缺点在于需要手动操作，以及可能对软质材料产生影响。
- 配备传感器臂的引伸计： makroXtens 等传感器臂引伸计具有全自动操作等优点，并且可在试样断裂前始终保持连接状态。您可以选择集成横向应变测量并使用环境试验箱。在测试脆性塑料和高伸长率弹性体等差异巨大的材料时，可以选择使用 multiXtens。
- videoXtens 光学引伸计 是按照 ASTM D638 标准执行多种测试的 首选解决方案。其优势包括采用非接触式测量（即不会对试样产生影响）、无需试样标记、模量测定精度高以及支持高应变。该引伸计还可选配 2D DIC 功能，是自动化试验的理想之选。
拉伸试验按照ASTM D638，环境试验箱温度-80 °C至+250 °C
在要求温度下(ASTM D638)，使用makroXtens引伸计对塑料、橡胶、弹性体和纤维增强复合材料进行材料和部件测试。
符合 ASTM D638 标准的自动化选项
事实证明，自动化解决方案非常适用于符合 ASTM D638 标准的拉伸试验，支持每天仅测试 10 个试样。我们的 ALEX 试验系统可以执行简单的拾取和放置任务，并为测试实验室提供经济高效的支持。
对于有着高测试要求的实验室，推荐使用我们的全自动试验系统 roboTest L。我们的大批量塑料测试工作台可容纳 450 个试样。它根据 ASTM D638 标准独立进行试样横截面测量和拉伸试验。试验结束后，独立的废料机械手会清除试样夹具中的试样废料。
但其他试样形状或其他试验方法对于我们的自动试验系统来说也没有问题。自动试验系统 roboTest N 和 roboTest R 更为复杂，可支持连接第二台或第三台材料试验机以及其他设备，例如对中装置或温度范围为 -80°C 到 +360°C 的环境试验箱。这不仅能够提高试样测试效率，还支持同时执行多项试验，从而快速获得可靠的结果。
转至 roboTest N 转至 roboTest L 转至 roboTest R 为什么选择自动化？
使用 testXpert 测试软件可靠、高效地执行符合 ASTM D638 标准的试验
testXpert 测试软件可帮助实验室以标准化、可追溯的方式执行符合 ASTM D638 标准的试验，尽可能降低人工操作影响：
- 已保存的标准试验程序：ASTM D638 标准中定义的特性值和参数已保存在标准试验程序中。这可以简化基于标准的测试流程，并减少手动设置参数所需的工作量。
- 逐步指导：系统将引导用户完成试验流程。这有助于用户快速掌握操作方法，并降低遗漏试验步骤的风险。
- 用户管理：用户管理功能能够让用户仅查看与自身职责相关的任务。该功能可用于将用户界面标准化以及清晰地管理访问权限。
- 连接外围设备：试样尺寸可以直接从测量仪器传输至 testXpert。这样既节省时间，又可防止输入错误。
- 试验参数记录：系统会清晰地记录试验速度、测量数据、结果以及测试条件。
- 各种试验方法均具有可比性：只要实验室使用了相应的装置，则拉伸、弯曲、冲击或熔融指数试验的数据均可进行集中管理和评估。
- 趋势分析和质量监控：评估和趋势分析功能有助于在质量保证和序列试验中尽早识别偏差。
ASTM D638 标准的典型应用
ASTM D638 标准可用于需要可靠地测定、比较或记录塑料拉伸性能的任何应用：
- 材料开发与复合物对比：可以基于拉伸模量、屈服应力、拉伸强度和断裂应变对不同的聚合物、填充物、添加剂或配方进行对比。
- 批量生产中的质量保证：符合 ASTM D638 标准的试验有助于监控力学性能的一致性，并尽早识别各个批次、原材料或加工条件之间的偏差。
- 货物进料检查：可对已交付的颗粒、半成品或模塑化合物进行力学性能检测。
- 部件取样试验：可从部件或模塑件中取样，用于验证部件的实际材料性能。
- 小批量材料试验：如果只能使用少量材料（例如用于原型、增材制造零件或损伤分析），可以选择 V 型等尺寸较小的试样进行测试。
- 老化和耐候性试验：ASTM D638 标准适用于评估材料在老化、加热、接触介质和风化后的力学性能变化。
- 材料审批与规格验证：测得的特性值可用于材料审批、供货协议及技术规范。
- 全球交叉验证：拥有国际供应链的企业通常需要能够按照 ASTM D638 和 ISO 527 标准执行试验，以满足各种客户规范的要求。
有关ASTM D638的常见问题
ASTM D638 标准可用于测定增强和非增强塑料的拉伸性能。该标准通常适用于由热塑性塑料和热固性模塑化合物制成的注塑成型、压塑成型、挤出和机加工试样。
常见材料包括：
- 聚丙烯 (PP)
- 聚乙烯 (PE)
- 聚碳酸酯 (PC)
- ABS
- 聚酰胺（PA / 尼龙）
- PBT
- PET
- PVC
- PEEK
- PPS
- 短纤维增强塑料
- 热固性模塑化合物
ASTM D638 标准通常适用于试样厚度约为 1 mm 至 14 mm 的材料。厚度小于 1 mm 的薄膜和薄板通常按照 ASTM D882 标准进行测试，而连续纤维增强复合材料通常按照 ASTM D3039 进行测试。
用于根据ASTM D638进行试验的试样按以下类型分类：
- ASTM D638 I型 - 首选试验试样为哑铃状I型，其厚度为3.2 mm（1/8英寸），标距长度为50 mm（2英寸），它与常见的部件材料厚度仍相当接近，同时可取得良好的应变测量精度。
- ASTM D638 II型 - 如果使用 I型试验试样，则无法在试样的狭窄平行部分产生断裂，ASTM D638建议使用II型试验试样，这种试样狭窄平行部分的宽度明显减小。
- ASTM D638 III型 - 如果可以通过机械加工获得材料厚度超过7 mm的试样，就可以使用III型试样。这里，狭窄平行部分的宽度、试样肩宽和总长度增加，因此试样厚度保持小于宽度。对于超过14 mm的板材厚度，通过机械加工来调整厚度。
- ASTM D638 IV型 - IV型试验试样适用于测试极软的聚合物（例如，橡胶），还适用于比较软质和更硬的聚合物。
- ASTM D638 V型 - 如果只有少量材料可用，或者从部件上加工试样不允许使用较大的试样，则使用V型试样，它相对于I型试样，在每个尺寸上都有所减小。
根据 ASTM D638 标准，V 型试样适用于可用材料有限或者无法从待评估部件上取出较大试样的情况。
- 典型应用包括：
- 材料开发项目
- 原型部件
- 增材制造试样
- 小型模塑零件
- 损伤分析
- 来自成品部件的机加工试样
与标准 I 型试样相比，该类试样横截面积明显较小且标距长度较短，因此必须格外关注试样对准、夹持和应变测量，以确保结果准确且可重复。
L0标距长度
L夹具间距
l1狭窄平行部分长度/内径
l2较宽平行部分之间的距离
l3总长度/外径
b2肩部区域的试样宽度
b1标距长度区域的试样宽度
h试样厚度
| 标准 | 试样类型 | 注意 | l3 mm | l1 mm | b2 mm | b1 mm | h mm | L0 mm | L mm |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ASTM D638 | I型 | 硬质塑料首选试样 | ≥165 | 57±0.5 | 19+6.4 | 13±0.5 | 3.2±0.4 | 50±0.25 | 115±5 |
| ASTM D638 | 型号 II | 当 I 型试样的狭窄横截面 不断裂时为首选试样 | ≥183 | 57±0.5 | 19+6.4 | 6±0.5 | 3.2±0.4 | 50±0.25 | 135±5 |
| ASTM D638 | 型号 III | 厚度大于 7mm 的试样 （硬质和软质塑料） | ≥246 | 57±0.5 | 29+6.4 | 19±0.5 | 7 ...14 | 50±0.25 | 115±5 |
| ASTM D638 | 型号 IV | 用于对比硬质和软质塑料 | ≥115 | 33±0.5 | 19+6.4 | 6±0.05 | 3.2±0.4 | 25±0.13 | 65±5 |
| ASTM D638 | V型 | 部件中的小试样 | ≥63.5 | 9.53 | 9.53+3.1 | 3.18±0.5 | 3.2±0.4 | 7.62 | 25.4±5 |
正确调节试样状态对于获取一致且可比的 ASTM D638 标准测试结果而言至关重要。许多聚合物对水分与温度十分敏感。试样状态差异会显著影响以下特性值：
- 拉伸模量
- 屈服应力
- 拉伸强度
- 断裂应变
这对于聚酰胺 (PA)、PET、PBT 和许多生物基聚合物等吸湿性材料尤为重要。
ASTM D638 标准规定了标准实验室条件，并建议根据材料规范的要求在试验前对试样进行状态调节。为确保不同实验室之间的结果具有可比性，应始终采用相同的状态调节程序。
针对符合 ASTM D638 标准的许多常规应用而言，引伸计具有足够的精度，一直被广泛采用。
夹持式引伸计尤其适用于：
- 质量控制应用
- 硬质热塑性塑料
- 伸长率适中的材料
- 对拉伸强度和模量的标准测量
不过，夹持式引伸计需要手动安装，有时可能会影响极软、极薄或高伸长率试样的行为。如果实验室需要确保很高的可再现性和测试效率，或者需要对要求严苛的材料进行测试，则使用传感器臂或光学引伸计进行应变测量通常具有显著优势。
所需的材料试验机能力主要取决于试样横截面积和材料预期拉伸强度。
符合 ASTM D638 标准的大部分应用都适用以下原则：
- 1 kN 至 5 kN 范围内的系统适用于强度较低且试样尺寸较小的材料。
- 10 kN 系统通常用于常规塑料试验。
- 大载荷系统需要用于高度增强材料或横截面异常大的试样。
最关键的方面不仅在于最大力，还在于选择合适的试验机和力传感器，确保能够在预期力范围内提供所需的测量分辨率和精度。合理选用力传感器可以提高测量质量，在模量测定和低强度材料试验中尤其如此。
ASTM D638 和 ISO 527 是塑料拉伸试验最常用的标准。ASTM D638 标准提供了实用的拉伸性能表征方法，而 ISO 527 标准的指导原则可用于在不同的实验室、公司和国家实现测试结果的高度可再现性。尽管二者能够测定相似的力学性能，但其试验方法不可直接互换。
最重要的差异在于：
- 试样几何形状与标距长度：ASTM D638 I 型是硬质塑料的首选试样，其呈哑铃状，总长度为 165 mm，厚度为 3.2 mm（1/8 英寸），标距长度为 50 mm（2 英寸），此类试样与常见的部件材料厚度仍相当接近，同时可取得良好的应变测量精度。符合 ISO 527-2 标准的首选哑铃状试样为 1A 型（注塑成型），其总长度为 170 mm，厚度为 4 mm，标距长度为 75 或 50 mm。ASTM 标准描述了五种试样类型，而 ISO 标准为了实现较高的相对精度，将试样限制为两种类型。
- 应变测量要求
- 试验速度定义
- 特定结果的测量方法
ASTM D638 标准主要用于北美地区，而 ISO 527 标准则在国际上更为常见。
由于这些差异可能影响模量、屈服应力、拉伸强度和伸长率等测量值，因此，除非已充分理解并记录方法差异，否则请勿将根据 ASTM D638 标准获得的结果与根据 ISO 527 标准获得的结果直接进行对比。
产品运往全球的企业通常同时具备按照 ASTM D638 标准和 ISO 527 标准进行测试的能力。
CFK 等长纤维增强塑料按照 ASTM D3039 标准进行拉伸试验。根据层压板或织物的方向和结构，这些材料可能具有极其不同的性能。因此，它们往往需要特定的试样和试验方法。
ASTM E132标准规定了在环境温度下测量泊松比的适用试验方法。 然而，对于非增强塑料，泊松比的固定值通常可以用于计算，因为它基本上恒定。
除了试样形状外，ASTM D638标准还描述了测量试样尺寸时必须采用的精度。
- 可以使用卡尺、千分尺或横截面测量设备测定塑料试样的宽度
- 塑料试样的厚度使用千分尺或横截面测量设备来测定
- 测量力介于5和15 N之间，测量表面为圆平面，通常直径为6.35 mm (6.5 mm)。其他接触元件也可以
- 测量在试样中心和标距长度范围内进行。注塑试样在标距长度中心的5 mm范围内进行测量。
- 厚度测量误差为0.1 mm，误差率为2.5%！
要根据ASTM D638标准测量的值包括横梁行程，或夹持距离的变化以及直接测量的试样伸长率。对于横梁行程的测量，ASTM D638要求相对于各自测量值± 10%的精度。横梁行程特别用于测定断裂时的标称应变，因此要测量的距离相对较大。
拉伸模量通过直接测量引伸计测定。应变测定的允许误差规定为0.0002 [mm/mm]。与之对应的是，应变误差为0.02%，或标距长度为50 mm时允许的位移误差为0.01 mm。
对于屈服点和最高约20%小伸长率的测量，ASTM D638要求符合ASTM E83标定标准的C类要求。对于最高10%的伸长率，这意味着应变测定时的设定最大允许误差值为0.001 [mm/mm]，其对应的伸长率为0.1%。对于较高伸长率的测量，各测量值的相对误差不得超过± 1%。
对于超过20%伸长率的测量，ASTM D638允许的相对测量误差为± 20%，即使采用相对简单的引伸计也能达到该误差。
与ASTM D638标准相关的下载
- 行业手册： 塑料和橡胶 PDF 9 MB
- 产品信息：CMU 30和CMU 80 PDF 718 KB
- 产品信息：最大试验力 Fmax 为 5 kN 的万能材料试验机系列 zwickiLine PDF 820 KB
- 产品信息：ProLine，Fmax 5-100 kN PDF 1 MB
- 产品信息：AllroundLine，Fmax 5-100 kN PDF 1 MB
- 产品信息： 气动夹具，Fmax 10 kN/20 kN PDF 2 MB
- 产品信息： 螺纹夹具，Fmax 5 kN/10 kN PDF 485 KB
- 产品信息：楔形夹具，Fmax 10 kN/20 kN PDF 713 KB
- 产品信息：“倒楔形”楔形夹具，Fmax 10 kN PDF 690 KB
- 产品信息：digiClip PDF 590 KB
- 产品信息：夹持式引伸计 PDF 525 KB
- 关于 makroXtens 引伸计的产品信息 PDF 637 KB
- 产品信息：videoXtens 2-150 HP PDF 1 MB
