如何利用屈服強度為工程選對塑料？（內附150種塑料屈服拉伸強度數值表）

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（來源：鏈塑網）

上一次，我們與大家共同探討了如何測定塑料的斷裂拉伸強度。

今天，我們把目光轉向另一個關鍵指標——屈服拉伸強度，它對于理解材料的承壓與形變行為同樣至關重要

屈服拉伸強度：定義、比較與解讀

什么是屈服拉伸強度？

當對材料施加拉力時，其首先經歷彈性變形——卸載后可恢復原形；隨著應力增大，進入塑性變形階段，即“屈服”——此時即使卸載，材料也無法完全復原，已形成新的永久形狀；最終材料斷裂，對應極限拉伸應力或斷裂點。

屈服拉伸強度（TS），亦稱屈服拉伸應力，是指塑料在屈服點所能承受的應力值，即應變增加不再由應力增加驅動的臨界狀態。該參數對需承受拉伸或張力的應用場景尤為重要。

屈服強度與拉伸強度

在應力-應變曲線上，屈服強度表現為曲線偏離線性段的起始點。由于精確判斷線性終止點較為困難，工程上通常采用0.2%偏移法（Offset Method）來確定屈服強度——即應力-應變值偏離理想線性關系0.2%處的應力值。

主要區別如下：

• 屈服強度：材料在不產生永久變形（長度變化≤0.2%）前提下所能承受的最大應力；

• 拉伸強度：材料在拉伸過程中斷裂前所能承受的最大應力。

解讀拉伸強度的應力-應變曲線

當拉伸力作用于物體時，物體會伸長，其在彈性變形區域的行為可以通過應力-應變曲線獲得。這被稱為胡克定律。力產生的伸長不僅取決于材料，還取決于物體的其他因素（例如長度、厚度等）。

什么是應力？

應力定義為塑料單位面積上所承受的力，單位為Nm?2或Pa。計算拉伸應力的公式為：

σ = F/A

其中，σ 是應力（牛頓/平方米或帕斯卡），F 是力（牛頓，通常縮寫為N），A 是樣品的橫截面積。

什么是應變？

應變定義為每單位長度的伸長量。由于它是長度的比值，因此應變沒有單位。

ε = ΔL/L?；ΔL = L - L?

其中，L?是桿的原始長度，L是拉伸后的長度，ΔL是桿的伸長量（即兩者之差）。

應力 - 應變曲線如何測量拉伸強度？

當物體受到拉伸力作用時，會發生伸長變形。在彈性變形區域，可通過應力 - 應變曲線獲取材料的受力行為，這一規律被稱為胡克定律。力所產生的伸長量取決于塑料材料本身及物體的尺寸。

應力的定義

應力指塑料單位面積上所承受的力，單位為牛 / 平方米（N/m2）或帕斯卡（Pa）。

公式：σ = F/A其中：

• σ 代表應力

• F 代表作用力

• A 代表試樣的橫截面積

應變的定義

應變指單位長度的伸長量，由于是長度比值，應變無單位。

公式：ε = ΔL/L?；ΔL = L-L?

其中：

• ε 代表應變

• L? 代表被拉伸棒材的原始長度

• L 代表拉伸后的長度

• ΔL 代表棒材的伸長量，即上述兩種長度的差值

  
  

影響拉伸強度的因素及其應用

哪些因素影響塑料的拉伸強度？

塑料的拉伸強度受到若干分子和結構特性的影響。這些特性決定了聚合物鏈的相互作用方式以及對施加應力的響應。它們共同定義了材料在負載下抵抗變形和失效的能力。聚合物強度還受以下因素支配：

分子量

聚合物強度隨分子量增加而提高，并在達到某一分子量值時趨于飽和。

• 分子量較低時：聚合物鏈通過較弱的范德華力松散結合，鏈段易于移動。這導致強度較低，即使存在結晶度。

• 分子量較高時：聚合物鏈變得更大，從而發生交聯，賦予聚合物更高的強度。

交聯

交聯限制了鏈段的運動，從而提高了聚合物的強度。

結晶度

聚合物的結晶相能提高強度。因此，分子間作用力更為顯著。聚合物的變形可導致更高強度，從而使分子鏈取向排列。

其他因素

影響熱塑性塑料拉伸強度值的其他因素包括：

• 測試速度

• 纖維取向程度

• 溫度

• 填料含量等

屈服強度的應用

對于結構應用而言，屈服應力通常是比極限拉伸強度更重要的性能，因為一旦超過屈服點，結構就已發生超出允許范圍的變形。屈服拉伸應力是重要的力學性能之一，其應用將在下文詳細討論。

材料選擇

工程師利用屈服強度來為必須承受特定載荷而不發生永久變形的結構和零件選擇合適的材料。這有助于設計安全且功能性的組件，例如梁、緊固件和薄膜。

結構工程與機械工程

拉伸性能為塑料工程設計提供了有用的數據。它通常在開發新材料和新工藝時進行測量，以便比較不同的材料和工藝。用于設計橋梁、建筑物、汽車部件、飛機結構和機械部件。在此，屈服強度確保材料能夠安全承受工作應力。它定義了承載能力并防止在工作條件下失效。

質量控制與分析

制造商通過測試屈服強度來確保塑料、復合材料和金屬材料的批次間一致性。這有助于檢測缺陷或不正確的加工（例如，在熱處理鋼或模塑聚合物中）。它常被納入材料規格以確保質量。

終端使用性能預測

用于預測材料在非單軸拉伸形式載荷下的行為。能夠進行失效分析，并確定產品在拉伸、沖擊或彎曲（如包裝薄膜、塑料部件或保護涂層）下的表現。有助于在需要兼具韌性和成型性的應用中平衡強度與延展性。

如何測量拉伸強度？

拉伸強度的測量單位

拉伸強度以單位橫截面積上所受的力來度量。其單位是牛頓/平方米 (N/m2)。在國際單位制中，拉伸強度的單位如下：

• 帕斯卡（Pa）

• 兆帕斯卡（MPa）

• 吉帕斯卡（GPa）

在美國，為了方便起見，常用的單位是磅力/平方英寸 或千磅/平方英寸。

測量拉伸強度的標準

拉伸測試測量的是使試樣斷裂所需的力，以及試樣在斷裂點處的伸長或延伸程度。通常，應用拉伸測試方法來測量塑料的拉伸性能。常用的方法是 ASTM D638 和 ISO 527-1:2012。

ASTM D638 和 ISO 527 測試方法均涵蓋了在規定條件下，以標準啞鈴形試樣形式測定塑料和塑料復合材料拉伸性能的程序。規定的條件可包括預處理、溫度、濕度和試驗機速度等。

當然也存在其他多種方法，但此處不作討論。

• ASTM D638：塑料拉伸性能的標準測試方法。ASTM D638 的測試速度由材料規格確定。

• ISO 527：ISO 527-1:2012 有助于確定拉伸性能的一般原則。ISO 527 的測試速度通常為 5 或 50 毫米/分鐘（用于測量強度和伸長率），以及 1 毫米/分鐘（用于測量模量）。

上述測試方法用于研究測試試樣的拉伸行為。引伸計是一種用于測量物體長度變化的裝置。它對于應力-應變測量和拉伸測試非常有用。

附加信息

拉伸測試結果還可以計算出以下性能：

• 斷裂拉伸強度

• 拉伸模量

• 應變

• 屈服伸長率及屈服伸長百分比

• 斷裂伸長率及斷裂伸長百分比

塑料的屈服拉伸強度值

聚合物的拉伸屈服強度會因分子量、結晶度、溫度和應變速率的不同而有顯著差異。對于塑料而言，其屈服強度通常低于金屬和陶瓷。這反映了其粘彈性分子結構以及在斷裂前發生塑性變形的能力。

填充和增強體系通常表現出增強的屈服行為。這是由于基體相和填料相之間改善了載荷傳遞。而無定形熱塑性塑料的屈服應力通常低于半結晶聚合物。