扯斷伸長率試驗：揭示材料延展性的關鍵指標

引言：理解材料韌性的窗口
在材料科學與工程領域，準確評估材料的力學性能至關重要。扯斷伸長率試驗作為一項基礎而關鍵的測試方法，專注于量化材料在斷裂前所能承受的最大塑性變形能力。這一指標不僅反映了材料的延展性和韌性，更是產品設計、質量控制及失效分析的核心依據。其測試過程嚴謹，結果解讀需結合材料特性與測試條件。

一、試驗原理與定義

• 核心概念： 扯斷伸長率（Elongation at Break），指標準拉伸試樣在拉伸試驗中，從開始受拉到完全斷裂瞬間，其原始標距（Gauge Length）部分所增加的長度與原始標距長度的百分比。
• 數學表達：
  扯斷伸長率 (%) = [(Lb - L?) / L?] × 100%
  其中：
  • L?：試樣的原始標距長度（單位：mm）。
  • Lb：試樣斷裂瞬間，斷裂的兩部分在斷裂處緊密對接后，所測得的標距標記點之間的距離（單位：mm）。
• 物理意義： 該指標直觀表征材料在單向拉伸應力下，發生不可逆塑性變形直至斷裂的能力。數值越高，表明材料的延展性、柔韌性或韌性通常越好，在斷裂前能吸收更多能量。

二、標準測試流程與方法

測試需嚴格遵循相關國家標準（如GB/T系列）或國際標準（如ISO 527、ASTM D638等），確保結果的可比性與準確性。

1. 試樣制備：

   • 根據標準規定，使用專用裁刀或模具從材料片材或特定部位制取標準試樣（常見類型如啞鈴型、長條型）。
   • 精確測量并標記原始標距 L?（通常為25mm、50mm或100mm）。標記應清晰、不易脫落，且不影響試樣性能。
   • 測量試樣標距內及鄰近區域的厚度與寬度，計算原始橫截面積。

2. 試驗設備與環境：

   • 萬能材料試驗機： 配備合適的拉伸夾具（氣動、楔形等），確保夾持穩固，避免打滑或夾具處過早斷裂。
   • 引伸計： 高精度測量標距段微小變形的關鍵儀器，尤其在彈性階段和屈服點附近至關重要。對于斷裂伸長率測試，引伸計需在試樣斷裂前脫離或具備保護功能。
   • 環境控制： 通常在標準實驗室溫濕度（如23±2°C, 50±10% RH）下進行。特殊材料（如高溫聚合物、低溫橡膠）需在控溫箱內測試。

3. 測試步驟：

   • 將試樣對稱、垂直地安裝在試驗機上下夾具中，確保受力軸線與試樣縱軸重合。
   • 小心安裝引伸計于標距段（若使用）。
   • 設置試驗參數：選擇適當的試驗速度（應變速率）。對于塑料等材料，速度選擇對結果有顯著影響（如GB/T 1040規定速度通常為5mm/min, 50mm/min或500mm/min）。
   • 啟動試驗機，連續均勻地施加拉伸載荷。
   • 試驗機自動記錄載荷-位移（或載荷-應變）曲線。
   • 持續加載直至試樣完全斷裂。
   • 小心取下斷裂試樣，將斷裂的兩部分緊密對接（注意對齊斷裂面），精確測量斷裂后標距 Lb（若引伸計提前脫離或未全程使用）。

4. 數據處理：

   • 根據記錄的斷裂點位移或測量的 Lb，代入公式計算扯斷伸長率。
   • 通常取一組有效試樣（通常5個以上）測試結果的平均值作為最終報告值。報告中需注明原始標距 L? 和試驗速度。

三、影響測試結果的關鍵因素

• 材料自身特性： 分子結構、結晶度、交聯度、增塑劑含量、增強劑/填料類型與含量等是決定扯斷伸長率的根本內因。
• 試樣狀態：
  • 標距長度 (L?)： 同一材料，較短的標距通常測得更高的扯斷伸長率（頸縮現象影響范圍占比不同）。
  • 試樣形狀與尺寸： 啞鈴型試樣有助于斷裂發生在平行段，減少應力集中。
  • 加工歷史與內應力： 注塑成型、擠出、取向等工藝可能導致材料各向異性或殘留應力，影響結果。
  • 缺陷與損傷： 試樣邊緣毛刺、劃痕、氣泡、雜質等會顯著降低實測值，引發提前斷裂。
• 測試條件：
  • 試驗速度： 速度越快，材料表現越“脆”，扯斷伸長率通常越低；速度越慢，分子鏈有更多時間解纏和滑移，伸長率通常越高。
  • 溫度： 溫度升高，分子鏈活動能力增強，多數材料的扯斷伸長率增加（尤其是玻璃化轉變溫度 Tg 以上的聚合物）。溫度降低則相反。
  • 濕度： 對吸濕性材料（如尼龍、某些彈性體）影響顯著，水分可能起到增塑作用，提高伸長率。
• 設備與操作：
  • 夾具選擇與夾持力： 不當夾持可能導致試樣打滑或在夾持處斷裂（無效結果）。
  • 引伸計精度與安裝： 直接影響應變測量的準確性。
  • 試樣安裝對中性： 偏心加載會引起彎曲應力，導致結果失真。

四、扯斷伸長率的典型應用

• 材料篩選與開發： 評估不同配方、不同批次材料的延展性，優化材料設計。
• 產品質量控制（QC）： 作為關鍵指標之一，監控生產過程的穩定性，確保產品符合力學性能要求。
• 產品設計與壽命預測： 為工程師提供材料在受力狀態下變形能力的依據，預測產品在拉伸、彎曲等工況下的行為及潛在失效模式（如脆性斷裂或韌性失效）。
• 失效分析： 通過分析斷裂試樣的伸長率是否異常（顯著低于標準值），輔助判斷材料老化、降解、加工缺陷或使用不當等問題。
• 標準符合性驗證： 滿足各類產品標準（如電線電纜、塑料管材、橡膠制品、薄膜包裝等）對伸長率的強制要求。

五、

扯斷伸長率試驗是評估材料延展性和韌性的基石性測試。其結果的準確性高度依賴于對標準的嚴格遵守、試樣的規范制備、測試條件的精確控制以及對影響因素的系統認知。正確解讀和應用扯斷伸長率數據，對于深入理解材料行為、保障產品質量、優化產品設計以及進行有效的失效分析具有不可替代的重要價值。它是連接材料微觀結構與宏觀力學性能的關鍵橋梁之一。