拉伸測試：完整的科學指南 – TESTEX

確定材料承受拉力的試驗稱為拉伸試驗，也稱為拉力試驗。它是測試材料力學性能的基本方法之一，用於檢驗材料的性能以及是否符合相關標準。這篇文章涉及以下內容。

• 什麼是拉伸試驗？可以測試什麼？
• 與拉伸測試相關的概念和術語
• 什麼是拉力試驗機？可以測試哪些材料？
• 拉伸試驗的準備
• 拉伸測試程序
• 拉伸測試：應力-應變的四個階段
• 拉伸試驗常用試驗標準
• 拉伸試驗中影響拉伸強度的因素有哪些？

什麼是拉伸試驗？可以測試什麼？

拉伸試驗是在一定條件下對試樣施加拉力，以確定試樣對所施加載荷的抵抗力。例如，材料的強度指數和塑性指數，此外，還可以導出材料的塑性變形量。

拉伸試驗所得的數據可用於測定材料的彈性極限、伸長率、彈性模量、比例極限、面積減少率、拉伸強度、屈服點、屈服強度等拉伸性能。

實力指標

• 材料的強度是材料單位面積上的力，單位為 Pa。
• 1帕=1牛/平方米
• 但Pa的單位很小，因此在實際工程中，常採用MPa作為強度單位，例如鋼材的屈服強度一般為100～2000MPa。
• 1兆帕=10⁶ Pa

• 上屈服強度： ReH = FeH / So (So 表示原始橫截面積， 氫化鐵 表示上屈服點對應的軸向力）
• 較低的屈服強度： ReL = FeL / So (So 表示原始橫截面積， 鐵鋰 表示下屈服點對應的軸向力）
• 抗拉強度： Rm = Fmax / So (最大頻率 為最大軸向力）

對於屈服現像不明顯的材料，以產生0.2%殘餘變形的應力值為屈服極限，稱為條件屈服極限或條件屈服強度。大於此限制的外力將導致零件永久失效且無法恢復。

• 硬鋼（高碳鋼）強度高，塑性差，拉伸過程中無明顯屈服相，因此無法直接測定屈服強度，以條件屈服強度取代屈服強度。
• 條件屈服強度：Rp0.2，表示規定塑性伸長率為0.2%時所對應的應力。

可塑性指標

拉下試樣時，彈性變形消失，但塑性變形仍然存在。工程上以試件拉斷後留下的變形來表示材料的塑性指標。常用的塑性指標有兩種。

• 伸長率：A = (Lu – Lo) / Lo * 100%
• 斷面收縮率：Z = (So – Su) / So * 100%

伸展試驗相關概念與術語

壓力和壓力

應力：應力是其作用區域內的力，以 N/mm² 表示，公制單位為 kPa 或 MPa。

應變：應變是測試材料尺寸的變化率，是由應力負載引起的尺寸變化。由於應變是變化率，因此沒有單位。

標本相關術語

• 橫截面面積 So：測試前樣品的原始橫截面積。
• 原始規模 Lo：施加力之前樣本的尺寸。
• 斷後距離 Lu：樣品斷裂後的距離。
• 平行長度 Lc：兩個頭部或兩個夾緊部分之間的試樣平行部分的長度。
• 斷裂後伸長率 A：試樣斷裂標記後的殘餘伸長率（盧-洛) 到原始標記 Lo，以百分比表示。
• 斷面收縮率 Z：橫截面積最大減少率（所以——蘇) 到原始橫截面積 So 試樣斷裂後的強度，以百分比表示。

什麼是拉力試驗機？可以測試哪些材料？

拉力試驗機又稱萬用拉力試驗機。拉力試驗機是一種機械力試驗機，用於各種材料的靜態負載、拉伸、壓縮、彎曲、剪切、撕裂、剝離等機械性能測試。拉力機是材料開發、物理性能測試、教學研究、品質控制等不可缺少的檢測設備。萬能拉力試驗機用途非常廣泛，可用於測試以下幾種材料。

• 橡膠材質：橡膠製品、軟管、膠帶、O型圈、輪胎等橡膠材質及製品。
• 塑膠材質：塑膠製品、薄膜、管材、板材、包裝材料、尼龍製品、防水卷材等塑膠材料及製品。
• 金屬材質：金屬製品、不鏽鋼製品、螺栓、鋼絲、合金製品等金屬材質及製品。
• 建築材料：木材、板材、玻璃、混凝土、石墨製品等。

拉伸試驗的準備

取樣的位置、方向和次數是三個對材料效能測試結果有重大影響的因素。取樣的位置、方向和數量應符合產品標準ISO 377或相關協議的規定。

取樣方式

• 直接從原料中取樣。
• 樣品取自產品的重要區域（最薄弱和最危險的部分）。
• 使用實體零件直接測試，例如鋼筋、螺栓、螺絲或鏈條。
• 直接在鑄造樣本上進行測試或透過機械加工樣本進行測試。

標本處理

• 防止冷變形或熱影響機械性質。通常主要採用切削加工。
• 平行截面應光滑、無加工硬化、無缺口、刀痕和毛邊等缺陷。
• 脆性材料夾緊部分和平行截面部分應有較大的圓角過渡半徑。
• 對於非機械加工的鑄件試件，其表面的砂、渣、毛邊、飛邊等必須清除。

樣品檢查和標記

• 試驗前應對試樣進行檢查，確保其外觀符合要求。
• 試件的原始標記一般以細線標記，所用方法不得影響試件的過早斷裂。
• 對於超薄或脆性材料，可以在樣品平行部分塗上快乾著色漆，然後用標記線輕輕劃線。

另外：原始橫截面積 So 試驗前需要測量計算試樣的厚度。

拉伸試驗程序

1 試樣製備：依標準要求製備試樣並保存記錄。

2 調整拉力試驗機：依測試標準更換夾具，調整拉力機的測試條件。

3.夾緊試樣：先將試樣夾在上卡盤中，再將下卡盤移至適當的夾緊位置，最後夾緊試樣的下端。

4 檢查並試運轉：檢查上述步驟是否完成。啟動拉力機並進行少量預載（與應力對應的載重不得超過材料的比例極限），然後卸荷至零，以檢查拉力機是否正常運作。

5 啟動拉力機並進行拉力試驗。

6 取出測試片和記錄紙。

7 用遊標卡尺測量斷裂後距離。

8 用遊標卡尺測量頸部收縮處的最小直徑。

拉伸測試：應力-應變的四個階段

• OB：彈性舞台
• BC：屈服階段
• CD：強化階段
• DE：縮頸階段

在金屬材料的彈性變形階段，應力和應變彼此成正比，符合胡克定律，即σ=Eε，比例因子E稱為彈性模數。

E = σ/ε

彈性極限與比例極限非常接近，因此在實際工程中，近似比例極限而不是彈性極限。

屈服強度：當金屬材料呈現屈服現象時，在試驗過程中不增加力而達到發生塑性變形的應力點；應區分屈服強度的上限和下限。

• 上屈服強度：試樣屈服前的最高應力，力先下降。
• 較低的屈服強度：屈服過程中的最低應力，不包括初始瞬態效應。
• 較低屈服點對應的應力值通常稱為屈服強度。

屈服階段後，曲線的C點又開始逐漸上升，顯示要使應變增大，就必須增大應力，使材料恢復抵抗變形的能力，這種現象稱為強化，CD截面為稱為強化階段（過程硬化）。

曲線最高點對應的應力值稱為材料的抗拉強度（或強度極限），它是材料強度的另一個重要指標。

當曲線到達D點時，試體較薄弱的部位之一（材料不均勻或有缺陷的地方）變形顯著增大，有效截面急劇減小，出現頸縮現象，試件很快被拉斷。

幾個常見的應力應變曲線

（a) 曲線是低碳鋼的應力-應變曲線，其屈服階段呈鋸齒狀，有上下屈服，均勻塑性變形，然後是頸縮，然後是試樣斷裂。

（b) 曲線為中碳鋼的應力-應變曲線，有屈服階段，但波動較小，幾乎呈直線，試樣發生均勻塑性變形，然後再縮頸，然後斷裂。

（c) 曲線為淬火、中低溫回火鋼的應力-應變曲線，該鋼無明顯屈服相，均勻塑性變形後產生頸縮，使試體斷裂。

（d) 曲線是鑄鐵、淬火材料的應力-應變曲線，材料不僅沒有屈服相，而且在產生少量均勻塑性變形後突然斷裂。

拉伸試驗常用試驗標準

• ISO 6892-1
• 金屬材料 – 拉伸試驗 – 第 1 部分：環境溫度下的試驗方法
• ISO 6892-2
• 金屬材料 - 拉伸試驗 - 第 2 部分：高溫試驗方法
• 品質政策 ISO 204
• 金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法
• 品質政策 ISO 377
• 鋼鐵和鋼鐵產品 - 用於機械測試的樣品和試件的位置和準備
• 品質政策 ISO 783
• 金屬材質 – 高溫拉伸試驗
• 日標G0601
• 複合鋼板-機械和製程試驗
• 品質政策 ISO 3108
• 一般用途鋼絲繩 實際破斷載重的測定
• EN 10319
• 金屬材質 – 拉伸應力鬆弛測試 – 第 1 部分：測試機器程序
• 品質政策 ISO 15579
• 金屬材料-低溫拉伸試驗
• ASTM B557M
• 變形鋁、鎂合金製品伸展試驗用試體及方法
• DIN EN ISO 2566-1
• 鋼 – 伸長率值的換算 – 第 1 部分：碳鋼和低合金鋼
• DIN EN ISO 2566-2
• 鋼 – 延伸率值的換算 – 第 2 部分：奧氏體鋼
• ASTM E111-04 和 ASTM E1875-00
• 楊氏模量、切線模量和弦模量的標準測試方法
• 以聲波共振測定動態楊氏模量、剪切模量和泊鬆比的標準測試方法

拉伸試驗中影響拉伸強度的因素有哪些？

影響拉力試驗機拉伸試驗的主要因素包括：取樣面積和取樣方法、試樣的形狀、尺寸和精度、測量儀器、試驗設備、試驗環境溫度、夾具的選擇、試樣的夾緊方法、拉伸速率、拉伸試樣截面積、測量誤差等

1 採樣地點及方法

取樣部位的差異可以直接影響金屬材料拉伸試驗後的伸長率、屈服強度和抗拉強度等性能指標。金屬材料因成分、組織、結構、缺陷、加工變形等原因分佈不均勻，使得同一批次甚至同一產品不同部位的機械性質出現差異。另外，在切割樣坯時，要防止受熱、加工硬化和變形影響機械性質。

2 試樣形狀、尺寸和精度

對於相同狀態的相同材料，如果截面形狀不同，測量結果對上屈服強度影響較大，對下屈服強度影響較小；大截面積（大尺寸）試體的拉伸強度較小尺寸試體低，塑性指數也降低；試件平行長度內的平行度和尺寸精度也容易影響試驗結果。試件平行長度內的平行度和尺寸精度也很容易影響試驗結果。這是因為所測得的樣品尺寸值可能不是實際樣品的最小位置，導致測試結果偏低。因此，試件的形狀和尺寸需要符合標準。

3 用於測量儀器

尺寸測量儀器、量具的精度必須符合檢驗要求。因此，在進行測試之前，必須對各種測量儀器進行校準，同時保持儀表的清潔和清晰。

4 測試設備

試驗機和引伸計是金屬材料拉伸試驗常用的兩類試驗設備，直接影響試驗結果的準確性和真實性。前者用來衡量力的大小；後者主要用於位移或延伸的測定。因此，確保試驗機和引伸計在試驗有效期內並定期校正非常重要。

5 測試環境溫度

有些金屬材料對溫度高度敏感，如果測試溫度變化太大，即使是普通金屬材料也會導致測試測量不一致。一般來說，體心立方金屬的屈服強度會隨著溫度下降而急劇增加，而面心立方金屬的變化較不明顯。隨著溫度升高，金屬的屈服強度通常會降低。

6 夾緊裝置的選擇，對試體夾緊的影響

夾具、試樣夾持和引伸計裝卸的不正確選擇會影響試驗結果。夾緊裝置與試樣形狀不匹配以及夾緊裝置表面花紋形狀不合適，會導致夾緊裝置與試樣不能形成足夠的夾緊面積，靜摩擦力不夠，導致拉伸過程中夾緊裝置與試樣發生相對滑動，進而影響拉伸結果。

7 裝夾方式

不合理的裝夾方式容易造成試樣在鉗口內滑移或斷裂，導致試驗數據不準確或試驗數據偏低。

8 拉伸率

拉伸速率直接影響金屬材料的應力應變關係。不同的材料對速度的敏感程度不同，對材料的拉伸速率不同，對材料的影響大小不同，強度低、塑性好的材料影響較大。

9 拉伸試樣橫斷面積的測定

決定拉伸試樣橫截面積的方法有兩種：一種是ISO 6892金屬拉伸試驗方法，另一種是該材料對應的產品標準。有些產品標準規定拉伸試樣的橫斷面積應以公稱尺寸的橫斷面積決定。

10 試樣尺寸測量方法及人為測量誤差

拉伸試樣應依直徑使用外徑千分尺或遊標卡尺進行測量。如果測量方法不準確，從而導致測量尺寸人為偏大。由於主觀因素和操作技術不同，也會為測量結果帶來誤差。