断裂伸长率：它是什么？

什么是断裂伸长率？

材料的断裂伸长率是衡量它在断裂前可以拉伸多远的量度。用于需要延展性和柔韧性的制造或建筑应用的材料，它是一种至关重要的机械性能。满足断裂伸长率的最小值通常是客户要求，并且通常用作质量保证指标。满足延展性规格有助于确保许多材料能够承受其预期应用中所承受的应力。

伸长率计算为拉伸试验前后试样量规截面长度的百分比变化。本文将定义断裂伸长率，描述一种测试和计算断裂伸长率的方法，并回顾多种材料在拉伸下的延展性和伸长率。

断裂伸长率对于评估材料以安全方式进行塑性变形的能力非常重要，使设计师和工程师能够避免其创作中的脆性失效。在橡胶和塑料等材料应用中，材料会反复拉伸或受到冲击，这一点至关重要。

例如，在汽车行业，伸长率是评估车辆部件可靠性的一个非常重要的参数。疲劳极限应力是组件设计中的重中之重，因为它允许在最终失效之前通过塑性变形来控制失效。对于这些零件，通常首选高拉伸伸长率值，因为它表示高度的延展性和柔韧性。它有助于防止在困难情况下出现故障。断裂伸长率对于制造保护性塑料包装等包装材料也至关重要。为保证其所含商品在运输和处理过程中得到保护，这些材料必须能够拉伸和弯曲而不会断裂。

断裂伸长率的公式

断裂伸长率的公式为：

断裂伸长率 = （最终长度 - 原始长度） / 原始长度 x 100%

以下步骤可用于确定材料的断裂伸长率：

测量标准拉伸试样的标距截面的原始长度。

根据标准方法进行拉伸试验。

在测试结束时，在试样断裂后测量标距截面的最终长度。

从最终长度中减去原始长度以获得长度变化。

将长度变化除以原始长度，然后乘以 100% 得到总伸长率百分比。

示例：以下示例使用铝样品，说明了如何确定断裂处的伸长率：

测量铝样品的原始长度和直径。假设原始长度为 50 毫米。

要确定铝样品断裂的长度，请对其施加张力直至其断裂。考虑到样品在 75 mm 的长度处破裂。

计算样本长度的变化：

长度变化 = 最终长度 - 原始长度

长度变化 = 75 毫米 - 50 毫米

长度变化 = 25 毫米

断裂伸长率 = （长度变化 / 原始长度） x 100%

断裂伸长率 = （25 mm / 50 mm） x 100%

断裂伸长率 = 50%

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因此，铝样品的断裂伸长率为 50%。

以下是应力-应变曲线的典型示例：

断裂伸长率是一个无单位的量，通常以百分比表示。伸长率以百分比表示，因为它描述了在拉伸失效点处材料长度相对于其初始长度的增加。使用这个伸长率指标可以很容易地比较各种材料的延展性或拉伸性。

经常测试断裂伸长率的材料

1. 钢

为了确定设计和质量控制目的所需的材料特性，需要进行机械测试，包括拉伸测试（用于评估断裂伸长率）。为了保证成品的安全性和可靠性，必须充分控制金属特性和熟练的连接技术。一般来说，各种钢合金的断裂伸长率在 10-20% 范围内。

2. 纺织品

棉、羊毛和丝绸等天然纤维，以及涤纶、尼龙和人造丝等合成纤维都可用于制造纺织品。每种纤维都有特定的特性，这些特性会影响成品纺织材料的断裂伸长率。棉纤维的断裂伸长率通常在 4-8% 之间。它明显小于羊毛纤维，羊毛纤维的断裂伸长率通常在 25% 到 45% 之间。同样，聚酯纤维的伸长率明显高于棉花，超过 50%。

3. 金属

金属的断裂伸长率测试结果可能受许多变量的影响，包括温度、成分和冷加工。金属的延展性和韧性以及其他机械特性会受到温度变化的影响。金属的成分，例如合金元素的存在，也可能对其断裂伸长率值产生影响。金属的强度可以通过轧制或锻造等冷加工工艺来提高，但这也会降低金属的延展性和断裂伸长率。典型铝合金和纯铜的断裂伸长率分别为 17% 和 60%。

4. 聚合物

合成和天然聚合物材料都具有由重复单元组成的长链分子。PVC、聚苯乙烯、特氟龙™和聚乙烯是聚合物的一些例子。在进行断裂伸长率测试时，拉伸过程中可能发生的较大塑性变形通常通过仔细控制测试条件（例如加载速率和温度）来处理。此外，试样设计为具有特定的形状和大小，例如狗骨形状，以确保结果的一致性和可重复性。材料的变形和失效行为也可以使用应力-应变曲线和断裂力学分析等技术来表征。然而，一般来说，这种特性是通过使材料承受一定量的拉伸应力直到达到其断裂点来确定的。硬质聚氯乙烯 （PVC） 的断裂伸长率为 25-58%，而聚苯乙烯为 1-70%，特氟龙™为 40-650%，聚乙烯为 300-900%。

5. 橡胶材料

橡胶以其在断裂前具有相当大的拉伸能力而闻名。一些弹性体比其他弹性体更能拉伸。例如，天然橡胶在最大伸长率处断裂之前可以伸长高达 700%。另一方面，氟橡胶的伸长率限制为 300%。橡胶材料的两种主要类型是天然橡胶和合成橡胶。两种类型的橡胶材料都进行了断裂伸长率测试，因为它是决定橡胶材料是否适合特定应用的关键机械性能。在两个点夹住橡胶材料样品，然后施加拉力直到样品破裂构成测试程序。

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影响断裂伸长率值的关键因素

温度。较高的温度会导致更大的断裂伸长率。

测试速度。通过在慢速测试期间允许聚合物松弛来获得更高的值。

复合材料的填料含量。随着填料含量的增加，复合材料的断裂伸长率往往会降低。

纤维的取向。材料的断裂伸长率会受到其内部纤维取向的显著影响。例如，具有对齐纤维的材料（如单向复合材料）通常沿纤维方向具有较高的断裂伸长率值，而沿横向的断裂伸长率值较低。另一方面，在随机取向的纤维中，断裂伸长率更多的是同位素。

计算断裂伸长率的通用测试标准

为了计算断裂伸长率，有几种广泛使用的测试标准可用，包括：

ISO 527-1/2 - 塑料：拉伸性能的测定：提供评估塑料拉伸特性的说明，包括断裂伸长率。

ASTM D882 - 薄塑料板拉伸性能的标准测试方法：本标准描述了测量薄塑料片材拉伸特性的方法，包括断裂伸长率。

ISO 37：2017 - 硫化橡胶或热塑性橡胶 - 拉伸应力-应变性能的测定：提供评估橡胶和其他弹性体的拉伸特性（包括断裂伸长率）的说明。

ASTM D638 - 塑料拉伸性能的标准测试方法：提供计算断裂伸长率和测量塑料和其他树脂材料的拉伸强度的说明。此外，它还为所使用的工具和测试框架建立了精度标准。

如何在 3D 打印中使用断裂伸长率

设计要 3D 打印的部件的工程师会考虑各种候选材料的断裂伸长率，以便为给定应用选择最佳材料。为了创造能够承受使用中遇到的压力的坚固打印物体，必须对材料的延展性有透彻的了解。

在 FDM（熔融沉积建模）3D 打印中，断裂伸长率受打印部件方向的影响。FDM 打印件是各向异性的，这意味着它们在各个方向上具有不同的物理特性。因此，FDM 零件具有不同的断裂伸长率值，具体取决于拉动方向。例如，垂直于打印层拉动的零件与平行于打印层拉动的零件的断裂伸长率不同。有关更多信息，请参阅我们的 3D 打印指南。

不同 3D 打印材料的断裂伸长率

各种 3D 打印材料的断裂伸长率值可能会因特定材料及其成分而有很大差异。对于常用的 3D 打印材料，提供了以下一般的断裂伸长率范围：

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PLA（聚乳酸）：5-10%

ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）：5-50%

PETG（乙二醇改性 PET）：58-110%

TPU（热塑性聚氨酯）：400-700%

尼龙：5-120%

请务必记住，这些值代表一般范围，可能会根据材料的精确配方和打印环境而变化。

计算和使用断裂伸长率的好处

提高成品的柔韧性

更大的设计自由度

增强的耐用性和韧性

降低破损风险

提高抗冲击性