拉伸测试的设备仪器、测试范围、测试原理和步骤

拉伸测试是评估材料力学性能最基础且关键的试验方法，广泛应用于金属、塑料、橡胶、复合材料等领域。其结果直接影响产品结构设计、材料选型与质量控制。要获得准确、可重复的测试数据，不仅需理解测试原理，更需正确选择设备、明确测试边界并规范操作流程。本文系统介绍拉伸测试所用核心设备、适用范围、物理原理及标准操作步骤，为实验室技术人员和工程研发人员提供完整技术指南。

一、拉伸测试的核心设备：万能材料试验机

1. 主机结构

• 加载框架：刚性机架（单柱或双柱），承受反作用力
• 驱动系统：伺服电机 + 滚珠丝杠，实现高精度位移控制
• 力传感器（Load Cell）：测量施加的拉力，量程从几牛顿至数百千牛
• 夹具系统：楔形夹具、气动夹具、液压夹具等，适配不同试样类型

2. 关键辅助仪器

• 引伸计（Extensometer）：
  • 接触式（刀口式）或非接触式（视频引伸计）
  • 用于精确测量标距段的变形，尤其在弹性与屈服阶段
• 环境箱（可选）：实现高低温拉伸（如 -70℃ ～ 350℃）
• 数据采集系统：实时记录力、位移、应变，生成应力-应变曲线

现代试验机普遍采用闭环控制，可按应力、应变或位移速率精准加载。

二、拉伸测试的典型测试范围

拉伸测试适用于多种材料，但需根据材料特性调整设备配置与参数：

表格

设备选型原则：最大测试力 ≤ 试验机满量程的80%，以保证精度。

三、拉伸测试的基本原理

拉伸测试基于胡克定律与材料塑性理论，通过轴向拉伸揭示材料响应：

1. 弹性阶段：应力 ∝ 应变，卸载后变形完全恢复，斜率即弹性模量 E
2. 屈服阶段：材料开始发生不可逆塑性变形，对应屈服强度 Re
3. 强化阶段：材料因位错运动增强而继续承载，达抗拉强度 Rm
4. 颈缩与断裂：局部截面缩小，最终断裂，测得断后伸长率 A 和断面收缩率 Z

测试输出核心曲线：工程应力-应变曲线（σ = F/A₀, ε = ΔL/L₀）

四、标准拉伸测试操作步骤（以金属为例）

以下流程依据 GB/T 228.1-2021 / ISO 6892-1 编制：

步骤1：试样准备

• 按标准加工哑铃状或圆柱形试样（如Φ10×50mm）
• 标记原始标距 L₀（常用50mm或100mm）
• 测量横截面积 A₀（精确至±0.5%）

步骤2：设备设置

• 安装匹配量程的力传感器（如100 kN）
• 装配合适夹具，确保对中
• 安装引伸计（若需测屈服或模量）

步骤3：参数设定

• 选择控制模式：
  • 弹性阶段：应变速率 0.00025/s – 0.0025/s
  • 屈服后：横梁位移速率 ≈ 0.0083/s 应变速率等效
• 设置自动停机条件（如断裂、力值下降10%）

步骤4：执行测试

• 启动程序，试验机自动加载
• 实时监控曲线，确保无异常（如打滑、偏心）
• 试样断裂后，自动停止并保存数据

步骤5：数据处理

• 拼接断口，测量断后标距 Lu
• 计算：
  • 抗拉强度 Rm = Fmax / A₀
  • 断后伸长率 A = (Lu – L₀) / L₀ × 100%
• 生成符合标准的测试报告

五、常见误差来源与规避建议

总结

拉伸测试虽看似简单，但其结果的准确性高度依赖于设备精度、试样质量、操作规范与环境控制。从万能材料试验机的合理选型，到严格遵循标准测试步骤，每一步都关乎数据的可靠性。无论是用于新材料研发、来料检验还是失效分析，掌握拉伸测试的全链条技术要点，都是保障产品质量与安全的基础。

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