塑膠的拉伸特性－根據 ASTM D638
依據 ASTM D638 進行的拉伸測試是評估熱塑性塑膠（Thermoplastics）與熱固性模塑材料（Thermosetting Molding Compounds）之機械性質時最常用的方法之一。
然而在實務上，不同實驗室、操作人員與測試系統之間，往往在拉伸強度、模數、降伏應力與伸長率等方面等測試結果存在顯著差異。造成結果差異的原因，很少僅僅來自於材料試驗機本身。試樣製備、試樣尺寸測量、延伸計的選用、環境條件下的狀態調節、試樣夾具的選用，以及測試速度等各方面的因素，都可能對試驗結果產生影響。
ZwickRoell 透過相互協調的試驗系統、智慧化軟體、自動化工作流程，以及領先業界的應變量測技術，協助實驗室降低試驗結果的離散性（Scatter）。
ASTM D638：關鍵要點
- ASTM D638 說明如何對增強與非增強塑膠進行單軸拉伸測試，以測定拉伸應力、伸長率、拉伸模量、拉伸強度、降伏點與斷裂點，並視需要測定泊松比。
- 適用於厚度介於 1 mm 與 14 mm 之間的試樣類型。針對厚度未滿 1 mm 的薄膜、彈性體、長纖維複合材料或發泡材料，建議參照其他更為適用的 ASTM 標準。
- 由於塑膠會展現出黏彈特性，測試速度將直接影響所測得的材料性能。
- 可靠的模數測定取決於精準的應變測量，因此，選用合適的延伸計至關重要。
- 環境條件下的狀態調節可能會顯著影響對濕度敏感之高分子材料的測試結果。
- 自動化的試樣橫截面測量與測試流程可提高測試結果的可再現性，並減少操作人員的影響。
- ZwickRoell 供符合 ASTM D638 的完整測試解決方案，包括材料試驗機、試樣夾具、延伸計、智能測試軟體及自動化系統等。
ASTM D638 實務應用：常見誤差來源及其對試驗結果的影響
然而，即使試驗在形式上完全依照 ASTM D638 標準執行，不同實驗室、操作人員或測試系統之間所獲得的測試結果仍可能存在顯著差異。因此，除了測試流程須符合標準要求，每一個測試步驟的執行過程也須加以控管：
- 試樣製備與試樣品質：測試品質始於試樣製備。造成數據偏差的可能原因包括：模塑（成型）條件不一致、澆口（Sprue）位置的影響、材料內部殘餘應力、機械加工所造成的損傷、缺口或表面缺陷瑕疵，以及試樣的厚度偏差等。
- 選擇合適的試樣類型：ASTM D638 定義了多種不同的試樣類型。若選用了不適當的試樣類型，斷裂可能無法發生在平行窄截面區域（標距區）內，或導致應變量測結果不可靠。對於小型零件、軟質聚合物或較厚的板材而言，試樣的選擇尤其重要。
- 截面測量：所有與應力相關的測試值，皆以試樣的原始截面積作為計算基礎。厚度或寬度測量上的微小誤差，都會直接影響所有與應力相關的測試結果，包括拉伸強度、彈性模數、降伏強度及應力-應變曲線。即使厚度測量誤差僅有 0.1 mm，也可能導致約 2.5% 的結果誤差。採用自動化量測設備或與試驗系統直接連接的量測裝置，可減少人工輸入錯誤，並提高測量數據的可追溯性。
- 測試速度：與大多數的金屬不同，塑膠材料因其具有黏彈（Viscoelastic）特性，因此對應變速率非常敏感。不同的測試速度可能影響拉伸模量、降伏應力、拉伸強度及斷裂應變等測試結果。因此，根據材料特性及其伸長率性能的不同，ASTM D638 規範了不同的橫樑速度要求，而這些速度設定必須依照標準一致地設定、記錄並執行，
- 延伸計的選擇：應變測量是 ASTM D638 測試中最關鍵的環節之一。若延伸計選擇不當，會顯著影響模數、降伏應變及整體應變測量的準確度。在測試軟質聚合物、耐衝擊改質材料、高剛性材料及薄型試樣時，往往會面臨特殊挑戰。選擇適當的應變測量技術，往往是 ASTM D638 測試架構中最重要的一項決策。
- 試樣夾具的選擇與試樣對中：不當的夾持方式可能會導致試樣滑脫、夾持區過早斷裂、彎曲應力產生、對中誤差，以及因試樣夾具（如楔形夾具）移動而造成的實際試驗速度不正確等問題。選擇合適的夾持系統可確保力量均勻分佈在試樣上，並使斷裂發生在標距範圍內。
- 特定環境條件下的狀態調節：溫度與濕度會對許多聚合物產生極大影響。常見材料包括聚醯胺（Polyamide, PA）、PET、PBT、TPU 及生物基聚合物（Bio-based Polymers）。狀態調節不足會導致剛性、強度與伸長率出現顯著偏差。
- 操作人員在測試流程中的影響手動操作流程會增加試樣尺寸、延伸計設定、測試配置、數據分析，甚至資料傳輸等環節的數據結果離散性。標準化的測試流程，特別是自動化技術，可提升測試結果的可靠性。
為了獲得具備良好再現性的測試結果，試樣、量測儀器、材料試驗機、試樣夾具、延伸計、軟體以及測試條件之間都必須相互協調與匹配。而這正是 ZwickRoell 測試解決方案所著重的核心所在。
如何依據 ASTM D638 進行測試：
在 ASTM D638 拉伸測試中，標準塑膠試樣會承受單軸應力，直到達到降伏點或設定的伸長率或發生斷裂為止。
- 在測試前，必須先確定試樣的類型、寬度與厚度，因為所有與應力相關的特徵值均以初始截面積為計算基準。
- 接著將試樣夾持於適當的夾具中，並進行精確對中。
- 在測試過程中，材料試驗機與延伸計會記錄力量、橫樑行程及試樣應變。應力-應變曲線是用於計算特徵值，例如拉伸應力、拉伸模量、降伏應力、降伏應變、拉伸強度、斷裂應變，以及可視需要而計算的泊松比。
- 隨材料與測試目的之不同，測試速度、狀態調節要求及應變測量方法也有所差異。
- 藉由 testXpert，您可以標準化的方式控制並記錄測試參數、速度變更、測量數據及評估結果。
試樣測量：微小的測量誤差都可能直接影響材料特性值的判定
準確的測量是獲得可靠拉伸試驗結果的基礎。厚度測量誤差為 0.1 mm 時誤差即為 2.5%！
ZwickRoell 的 CMU 30 橫截面測量裝置可與 testXpert 軟體直接進行資料傳輸，有效降低操作人員在資料輸入與轉錄過程中的錯誤，加快作業流程、提升資料追溯性，並確保所有試驗皆採用一致的輸入參數進行測試。
主要機架與荷重元的選擇
選擇材料試驗機時，考量的不僅僅是最大試驗力。最佳的測試系統取決於多項因素，包括材料種類、預期的力量範圍、試樣的幾何形狀、期望的自動化程度以及延伸計配置等。
ZwickRoell模組化萬能材料試驗機可在同一平台上滿足各種塑膠材料測試應用需求。
然而，重要的不僅是最大測試荷重，低力量範圍內的測量準確度同樣關鍵。ASTM D638 標準要求，各測量值的測量準確度必須達到該測量值的 ±1%。ZwickRoell 試驗機可自其量測範圍的 1/1000 起，即達到所要求的量測準確度。因此，使用相同的測試配置即可精確量測多種材料的彈性模數與拉伸應力，無需頻繁更換或重新配置荷重元。
試樣夾具的選擇
不同材料及測試量需求，需要採用不同的夾持方式。常見的夾具類型包括氣壓夾具、螺紋夾具與楔形夾具。目標始終是在不損傷試樣的前提下，實現可靠的夾持：
- 氣壓夾具：氣壓夾具可透過按鈕操作快速夾持，並能提供精確調整夾持力。其應用範圍極為廣泛，適用於各種軟質與硬質聚合物材料。此氣動夾具有助於將設定的橫樑速度直接且穩定地傳遞至試樣；因此特別適合用於需要高再現性、每日測試量較大，或自動化送料測試尤為適用。
- 螺旋夾具：螺旋夾具是透過手動旋轉螺桿方式進行手動夾緊關閉。此夾具適用於半剛性至剛性塑膠材料，當對可再現性有較高要求，並可接受一定程度的人工操作時，螺旋夾具是一種合適的選擇。
- 楔形夾具：楔形夾具透過槓桿作動以手動進行夾持，適用於需頻繁進行的測試。由於夾持力在拉伸測試的過程中是透過楔形效應累積而成，試樣的應變率可能會發生變化。在評估與比較測試結果以及考量可再現性之要求時，必須將此因素納入考量。這類夾具特別適用於內部品保 QA 任務，亦即對於重現其他實驗室之測量值的要求較低的情況。
- 倒楔形夾具：倒楔形夾具有手動與氣動版本，特別適用於硬質至高強度塑膠的拉伸測試；在此類測試中，試樣的穩固定位與穩定施力至關重要。手動式版本為一種經濟實惠、堅固耐用且操作簡單的解決方案，非常適合日常例行試驗。氣動式版本則適用於測試頻率較為頻繁或試樣處理量較大的應用。由於其能降低操作人員的影響，並提供更一致的夾持力，因此可提升試驗結果的可靠性。
選擇延伸計
不合適的延伸計可能使模數值、降伏伸長率與斷裂應變產生偏差。在測試軟質聚合物、極薄試樣、高伸長率材料或對接觸力敏感的試樣時，此風險尤為顯著。因此，在符合 ASTM D638 的測試配置中，延伸計通常是最關鍵的組件。
- 夾持式延伸計的優點包括：具成本效益、高準確度，以及適用於多種硬質塑膠材料。其限制則包括需人工手動安裝，以及在軟質材料測試時可能對試樣造成影響。
- 感測器臂延伸計： 感測器臂延伸計（例如 makroXtens）有許多優點，包括全自動化操作，以及可持續夾持在試樣上直到試樣斷裂為止。您可選擇整合橫向應變測量功能，並搭配溫箱使用。在測試脆性塑膠以及試樣伸長率極高的彈性體等差異極大的材料時，可選用 multiXtens 作為替代方案。
- videoXtens 光學延伸計 是許多 ASTM D638 測試應用的首選方案。其優勢包括：非接觸式測量（亦即對試樣無任何影響）、無需進行試樣標記、模數測定的精準度高，以及適用於高應變材料。上述條件使其成為自動化的理想選擇，此外還可選配 2D 數位影像相關法（2D DIC）功能。
ASTM D638 自動化方案
對於根據 ASTM D638 進行的拉伸測試，從每天測試 10 個試樣起經證明可能為值得的自動化解決方案。我們的 ALEX 測試系統 可執行簡單的取放（Pick-and-Place）作業，為測試實驗室提供經濟高效的自動化支援。
對於測試需求較高的實驗室，我們推薦採用 roboTest L 測試系統。這套專為大批量塑膠測試的需求設計的自動化系統，可容納多達 450 個試樣。此系統可依據 ASTM D638 標準，自動執行試樣橫截面測量及拉伸測試。於測試後，將試樣殘留物從夾具上取下。
但其他試樣形狀或其他測試方法對於我們的自動化測試系統而言也不成問題。roboTest N 與 roboTest R 自動化測試系統則屬於更高階的解決方案，且可連接至第二或第三台材料試驗機，以及置中定位站或工作溫度範圍為可達 -80°C 至 +360°C 的溫箱等附加裝置。不僅可提升試樣測試量，更可同時執行多項測試，從而獲得快速可靠的測試結果。
ASTM D638 搭配 testXpert 測試軟體 – 可靠、高效的測試
testXpert 測試軟體能協助實驗室以標準化、可追溯的方式執行 ASTM D638 測試，同時將操作人員的影響降至最低：
- 已儲存的標準測試程序：ASTM D638 標準所定義的所有特徵值和參數皆已存入標準測試程序中。這簡化了以標準為基礎的執行作業，並減少人工參數設定所需的人力。
- 逐步操作指引：使用者可依導引逐步完成測試程序。這有助於新進人員快速上手，並能降低遺漏個別測試步驟的風險。
- 用戶管理：透過我們的用戶管理功能，您僅會看到與自身職責及工作內容相關的任務，讓操作介面更加簡潔高效。此功能可提供標準化的使用者介面，並實現明確的存取權限控管。
- 連接周邊裝置：試樣尺寸可直接從測量儀器傳輸至 testXpert 軟體。可節省時間並避免資料輸入錯誤。
- 測試參數之記錄與存檔：測試速度、測量數據、測試結果與測試條件皆可清楚記錄與追溯。
- 不同測試方法之間的數據結果可比性：只要實驗室使用對應的應用程式，無論是拉伸、彎曲、衝擊或擠壓測試的測試數據皆能集中管理與評估。
- 趨勢分析與品質監控：數據評估與趨勢分析有助於在品質保證與系列測試的過程中，及早識別並掌握任何品質偏差。
ASTM D638 的典型應用
凡需要可靠地測定、比較或記錄塑膠材料拉伸特性的應用，皆可使用 ASTM D638 標準：
- 材料開發與化合物配方之比較：不同的聚合物、填充劑、添加劑或配方，可根據其拉伸模量、降伏應力、拉伸強度及斷裂伸長率進行比較。
- 量產製程中的品質保證：ASTM D638 測試有助於監控力學性質的一致性，並能及早識別批次之間、原料之間或加工條件之間的偏差。
- 貨物進料檢查：可針對進貨之粒料、半成品或模塑化合物進行力學性質檢驗。
- 成品取樣試驗：可從成品或模製件中取出試樣進行測試，以驗證成品內部材料實際所呈現的材料特性。
- 少量材料測試：當可取得的材料數量有限時，例如原型件、增材製造（3D列印）零件或損壞分析樣品，可考慮使用較小尺寸的試樣，例如 Type V 試樣。
- 老化與耐候性測試：ASTM D638 適用於評估材料在老化、熱暴露、介質暴露（化學環境）或耐候處理後，其機械性能的變化。
- 材料認證與規格驗證：測試所得的特徵值可作為以下用途的重要依據如材料認證（Material Approval）、供貨協議（Supply Agreements）與技術規格驗證（Technical Specifications）。
- 全球測試結果交叉驗證：對於擁有國際供應鏈的企業而言，通常需要同時具備 ASTM D638 與 ISO 527 的測試能力，以符合不同客戶及市場的規範要求。
有關 ASTM D638 的常見問題
ASTM D638 是用於測定增強和非增強塑膠的拉伸性能。該標準通常應用於由熱塑性塑膠或熱固性模塑材料製成的試樣，包括射出成型、壓縮成型、擠出成型或機械加工試樣。
典型測試材料包括：
- 聚丙烯（Polypropylene, PP）
- 聚乙烯（Polyethylene, PE）
- 聚碳酸酯（Polycarbonate, PC）
- ABS
- 聚醯胺（Polyamide, PA／尼龍）
- 聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）
- PET
- PVC
- PEEK
- PPS
- 短纖維增強塑膠（Short Fiber Reinforced Plastics）
- 熱固性模塑材料（Thermosetting Molding Compounds）
ASTM D638 通常適用於試樣厚度介於約 1 mm 與 14 mm 之間的材料。厚度小於 1 mm 的薄膜與薄片通常依據 ASTM D882 進行測試，而連續纖維強化複合材料則通常依據 ASTM D3039 進行測試。
根據ASTM D638進行測試的試樣依照以下類型分類：
- 首選的測試試片是啞鈴 I 型，其厚度為 3.2 mm（1/8 inches），標距長度為 50 mm（2 inches），仍然與常見的組件材料厚度相對相似，同時具有良好的應變測量準確度。
- 假設透過使用 I 型試片，不能在試片的窄平行部分產生斷裂，ASTM D638 建議使用 II 型試片，其中窄平行部分的寬度顯著減小。
- ASTM D638 Type III - 如果可透過機械加工取得材料厚度超過7mm的試樣，則使用 Type III 試樣。在此情況下，窄平行部分的寬度以及肩寬和整體長度皆增加，以確保試樣的厚度保持小於試樣的寬度。至於薄板厚度超過14mm的情形，可透過機械加工調整此厚度。
- IV 型試片適合測試非常軟的聚合物（例如橡膠），被用於比較軟質和更硬的聚合物。
- ASTM D638 Type V - 如果只可取得少量試樣，或無法從組件透過機械加工取得更大的試樣，則可使用 Type V 試樣，其每個尺寸相對於 Type I 皆有所減小。
根據 ASTM D638，Type V 試樣適用於可用材料極為有限或無法從待評估組件截取較大尺寸試樣的應用場合。
- 典型應用包括：
- 材料開發專案
- 零組件原型
- 來自 3D 列印的測試試樣
- 小型模製零件
- 損壞分析
- 由成品加工而成的試樣
由於 Type 試樣的橫截面積明顯較小，且標距長度也比標準 Type I 試樣更短，因此必須特別注意試樣的對中、夾持以及應變量測，以確保測試結果的準確性與可重複性。
L0標距長度
L夾具間距
l1 窄平行截面長度／內徑
l2寬平行截面間的距離
l3 總長度／外徑
b2 試樣肩部寬度
b1標距長度範圍內的試樣寬度
h 試樣厚度
| 標準 | 試樣類型 | 注意： | l3 mm | l1 mm | b2 mm | b1 mm | h mm | L0 mm | L mm |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ASTM D638 | Type I | 剛性塑料的首選試樣 | ≥165 | 57±0.5 | 19+6.4 | 13±0.5 | 3.2±0.4 | 50±0.25 | 115±5 |
| ASTM D638 | II 型號 | 當 Type I 試樣未於 窄截面區域斷裂時的首選試樣 | ≥183 | 57±0.5 | 19+6.4 | 6±0.5 | 3.2±0.4 | 50±0.25 | 135±5 |
| ASTM D638 | III 型號 | 適用於試樣厚度超過 7 mm 的材料 （包含剛性及軟質塑膠） | ≥246 | 57±0.5 | 29+6.4 | 19±0.5 | 7 ...14 | 50±0.25 | 115±5 |
| ASTM D638 | IV 型號 | 適用於剛性和 軟質塑料間的性能比較 | ≥115 | 33±0.5 | 19+6.4 | 6±0.05 | 3.2±0.4 | 25±0.13 | 65±5 |
| ASTM D638 | Type V | 取自於組件的小型試樣 | ≥63.5 | 9.53 | 9.53+3.1 | 3.18±0.5 | 3.2±0.4 | 7.62 | 25.4±5 |
唯有正確執行試樣的狀態調節，才能取得一致且具有可比性的 ASTM D638 測試結果。許多聚合物對含水量及溫度十分敏感。狀態調節的差異會顯著影響下列特徵值：
- 拉伸模量
- 降伏應力
- 抗拉強度
- 斷裂應變
對聚醯胺、PET、PBT 及許多生物基聚合物等易吸濕材料而言，此特性尤為重要。
ASTM D638 明確規範了標準實驗室條件，並建議在材料規範有要求時，應在測試前對試樣進行適當的狀態調節。為確保不同實驗室之間數據比較的可比性，應始終採用相同的狀態調節程序。
對於許多依據 ASTM D638 進行的日常測試應用而言，延伸計可提供足夠的量測準確度，因此至今仍是廣泛採用的解決方案。
夾持式延伸計特別適用於以下情況：
- 品質控制應用
- 剛性熱塑性塑膠（Rigid Thermoplastics）
- 中等伸長率材料（Materials with Moderate Elongation）
- 拉伸強度與彈性模數的標準測試
然而，夾持式延伸計需要人工安裝，且在某些情況下可能影響試樣本身的力學行為，特別是針對非常柔軟、極薄或高延伸率材料。針對要求高再現性、高測試量，或須執行嚴苛材料測試的實驗室而言，使用感測臂式延伸計（如 makroXtens）或光學式延伸計進行應變量測往往能帶來顯著優勢。
所需的材料試驗機荷重規格主要取決於試樣的橫截面以及材料預期的拉伸強度。
對於 ASTM D638 的大多數應用，一般可參考以下原則：
- 1 kN 與 5 kN 的測試系統，適用於強度較低的塑膠材料以及尺寸較小試樣。
- 10 kN 試驗系統則是塑膠材料日常例行測試中最常見的配置。
- 高度強化材料或橫截面特別大的試樣可能須使用更高荷重規格的試驗機。
然而，最重要的考量不僅是試驗機的最大試驗力，還包括選擇能夠在預期力值範圍內提供足夠量測解析度與量測準確度的試驗機與荷重元。選擇正確適當的荷重元可大幅提升測量品質；在測定模數以及測試較低強度的材料時更顯重要。
ASTM D638 與 ISO 527 是測試塑膠拉伸性能的兩個最常用的標準。ASTM D638 呈現的是拉伸特性的實用特徵，而 ISO 527 標準的原則呈現是各實驗室、各公司與各地區測試結果的高度可再現性。這兩種測試方法雖然測定的力學性質相似，但並不能直接相互替代。
最重要的差異如下：
- 試樣幾何形狀與標距長度：ASTM D638 Type I 為剛性塑膠的首選試樣，其形狀為啞鈴型（Dumbbell），總長度為 165 mm，厚度為 3.2 mm（1/8 英寸），標距長為 50 mm（2 英寸）。此尺寸與許多實際產品的材料厚度較為接近，同時也能提供良好的應變量測準確度。符合 ISO 527-2 標準的首選啞鈴型試樣為 Type 1A（射出成型試樣），其總長度為 170 mm、厚度為 4 mm，標距長度則為 75 mm 或 50 mm。。ASTM 標準規範了五種試樣類型，而 ISO 為了提高測試結果的可比性與一致性，則僅限定使用兩種試樣類型。
- 應變量測要求
- 試驗速度的定義
- 特定測試結果的判定方法
ASTM D638 主要應用於北美地區，而 ISO 527 則較常作為國際標準使用。
由於兩項標準在試驗方法上存在差異，因此可能影響彈性模數（Modulus）、降伏應力（Yield Stress）、拉伸強度（Tensile Strength）及伸長率（Elongation）等測試結果。因此，除非已充分了解並記錄這些方法差異，否則依 ASTM D638 獲得的測試結果不應直接與依 ISO 527 獲得的結果進行比較。
對於產品銷售至全球市場的企業而言，同時具備 ASTM D638 與 ISO 527 的測試能力已是相當普遍的做法。
對於碳纖維複合材料如 CFK 等長纖維增強塑膠，其拉伸性能測試通常依據 ASTM D3039 標準進行。根據層壓材料或織物的方向和結構，這些材料可具有非常不同的特性。因此，這些材料通常必須採用特殊的試樣與測試方法。
ASTM E132 標準明訂出適於環境溫度下測量蒲松比之測試方法。 然而，對於未增強塑料，通常可用蒲松比固定值計算，因為此值基本上為恆定狀態。
除了試樣形狀之外，ASTM D638 還描述了測量試樣尺寸必須達到的準確度。
- 塑膠試樣的寬度可使用卡尺、千分尺或橫斷面測量裝置測定
- 塑膠試樣的厚度使用千分尺或截面測量裝置測量
- 測量力為 5 至 15N 之間，測量面應為圓形平坦之面，通常直徑為 6.35 毫米（6.5 毫米）。其他接觸元件也是可能的
- 測量是在試樣中心和標距範圍內進行。注塑成型的試樣在距離標距中心 5 mm 的範圍內進行測量。
- 厚度測量誤差為 0.1 毫米時誤差即為 2.5%！
根據 ASTM D638 測量的值包括橫樑行程或夾持距離的變化以及直接測量的試樣伸長率。橫樑行程測量方面，ASTM D638 要求相對於對應測量值之準確度應為 ± 10%。橫樑行程特別用於測定標稱斷裂應變，因此測量的距離相對較大。
拉伸模量經由直接測量延伸計測定。應變測定的允許誤差為 0.0002 [mm/mm]。其對應為 0.02% 的應變誤差，或標距 50 mm 時允許位移誤差為 0.01 毫米。
測量降伏點及約 20% 的小伸長率時，ASTM D638 規定應符合校正標準 ASTM E83 中的 C。針對高達 10% 的伸長率，意味著應變測定中設定的最大允許誤差值為 0.001 [mm/mm] 並對應於 0.1% 伸長率。對於較高伸長率的測量，各測量值的相對誤差不得超過 ±1%。
對於高於 20% 的伸長率的測量，ASTM D638容許 ± 20% 的相對測量誤差，即使使用相對簡單的延伸計也可以實現。
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