拉伸强度详解：关键定义、重要性、类型与实际案例

对制造商而言，拉伸强度是选择适合产品材料时首先需要考虑的指标之一。本文将准确涵盖其定义、与其他类似规格的区别及计算方法。

什么是拉伸强度？

材料的拉伸强度是指其在特定面积上能承受多少载荷或拉力，在永久拉伸或断裂前。虽然屈服强度是材料开始以无法恢复原形的方式拉伸的临界点，但拉伸强度是其断裂的临界点。钢材等材料具有高拉伸强度，而橡皮筋则处于量表底端。

对于以可预测方式拉伸的材料（如弹簧），其对施加力的响应“弹性”取决于其“线性弹性区”。若力在此区内，力消失后弹簧将恢复原形。若超出，材料将断裂或损坏无法修复。您可在下图中看到拉伸力在方向上与其他类型的差异。

进行拉伸强度测试的重要性是什么？

拉伸测试用于了解新材料配方的强度性能。用于检查热处理或其他工艺的结果，或验证一批材料是否符合其原始规格。验证来料原材料性能是过程控制和失效预防的关键部分。无论供应商测试客户接受，还是客户选择核查供应商对某批材料的声明。

在零件制造厂，测试材料拉伸强度可作为过程控制步骤。有助于确保材料关于热处理、表面硬化、固化或任何改变材料强度和延展性的制造步骤处于正确状态。在研发环境中，拉伸测试是检查拟议配方是否具有新应用所需特性或改进现有应用的简便方法。

拉伸测试可在铸造成型或从原材料加工的试棒上进行。若需检查大型零件某一关键截面的性能，也可从实际铸造或加工部件加工测试。

拉伸强度在 3D 打印零件中的重要性是什么？

拉伸强度是 3D 打印中的重要因素，特别是由于潜在的方向性拉伸性能。例如，使用 FDM（熔融沉积建模）技术的 3D 打印塑料零件在 Z 轴（指零件垂直高度）方向上拉伸强度较低。这是因为各层未完全熔合，仅在小表面积上接触。

许多 3D 打印材料数据表会标示材料不同方向的拉伸强度（通常为 Z 和 XY 方向）。其他 3D 打印技术如 SLM（选择性激光熔化）将生产各向同性结构零件，意味着其性能在所有方向相等。

3D 打印材料的理想拉伸强度是多少？

理想拉伸强度取决于零件应用、所用材料、施加载荷的大小和方向。例如，若零件仅承受压缩载荷，则拉伸强度无关紧要。或零件为电子外壳，则拉伸强度不如防静电和吸湿性能重要。设计 3D 打印零件时，材料基于应用选择，而非反之。

确定 3D 打印材料的拉伸强度重要吗？

是的，确定 3D 打印材料的拉伸强度很重要。但仅当 3D 打印零件将暴露于机械载荷时。例如，设计 3D 打印 ABS 零件时，使用普通 ABS 性能将是错误。基于所用 3D 打印技术，3D 打印材料的拉伸强度可能低于材料理论拉伸强度。

如何计算材料的拉伸强度？

正确测量拉伸强度，我们将力除以材料横截面积单位而非整个表面。但若不先知道其应力-应变曲线，无法直接计算材料拉伸强度。

σ = F/A – eq 1

• σ = 应力
• F = 力
• A = 面积

SI 拉伸强度单位为 MPa (N/mm²)。基本上，强度等于材料失效点的应力，该失效点可由单位面积上的力表征。

拉伸强度有哪些不同类型？

拉伸强度有几种不同类型，但该术语可指对您最有用的含义。例如，标准条件下计算的数值对想比较材料配方或批次的工程师最有用，或试图弄清材料是否适合特定任务的人。最常用类型为屈服强度、极限拉伸强度和断裂强度，下文详细介绍。

1. 屈服强度

如前所述，屈服强度是材料开始永久（塑性）变形的临界点。对钢材，这通常是在超过其比例极限后变形，在应力-应变曲线上表现为直线。对无明显屈服点的材料如铝，屈服强度报告为与 0.2% 应变对应的应力。大多数情况下，金属零件设计为使服务环境中的应力低于屈服强度。对于非常脆性材料如陶瓷，这些在极小变形下失效且完全不屈服。其他材料如弹性体，可在无断裂下拉伸至原长数倍，卸载后仅显示少量永久变形。

2. 断裂强度

也称断裂强度，指材料无法再承受更多载荷并断裂的临界点。这可视为应力-应变曲线的终点，即屈服强度图上方的点“ε”。断裂点也是测量总伸长率的点。

3. 极限强度

这是材料在拉伸载荷下断裂前能承受的最大应力。某些金属在超过屈服点后会经历应变硬化，并随着应力增加继续变形直到达到材料的极限拉伸强度。并非所有材料（如塑料）都有明确定义的极限拉伸强度。

哪种材料具有最高拉伸强度？

具有最高拉伸强度的材料是石墨烯。石墨烯极限拉伸强度约 130 GPa，比碳纳米管更强，后者直到最近拥有最高拉伸强度。这些材料远强于最强元素金属钨（极限拉伸强度 0.98 GPa），或稍强的热处理 Inconel®（极限拉伸强度 1.034 GPa）。但须注意，石墨烯和碳纳米管均无法廉价大规模生产。

哪种材料具有最低拉伸强度？

塑料与金属和陶瓷相比拉伸强度极低。例如，LDPE（低密度聚乙烯）拉伸强度为 10 MPa。定义最低拉伸强度材料困难，因为低拉伸强度材料在承载用途上实际应用有限。基于低拉伸强度列出材料非常不常见。

测量拉伸强度使用什么设备？

拉伸试验机用于测量样品的拉伸强度。此机器在两端夹持测试件并以恒定速率施加受控拉伸力。机器自动记录施加载荷和夹持位移数据供进一步分析。

了解更多，请参阅我们关于拉伸试验机的完整文章。

拉伸强度有哪些应用？

拉伸强度是材料属性，没有应用。

哪些因素会影响材料的拉伸强度？

拉伸强度可受多种因素影响，如下。

1. 温度：材料拉伸强度通常随温度升高而下降。室温以下，大多数材料略微变强，但也会变得延展性更低。
2. 加工硬化：该工艺整体概念是通过塑性变形材料使其变硬。通过轧制、锤击、弯曲或拉伸金属，其晶体结构经历微观变化，增加屈服和极限拉伸强度，同时降低延展性。
3. 添加剂：添加玻璃或碳纤维可增加非金属（如尼龙）的拉伸强度。
4. 热处理：像加工硬化，这也改变金属微观结构，取决于处理类型，可能导致拉伸强度增加或减少。
5. 缺陷：表面和内部缺陷可降低材料拉伸强度，因为它们创造裂纹易启动的弱点。

拉伸强度失效的两种类型是什么？

拉伸强度失效有两种主要类型：脆性和韧性。

1. 脆性失效

脆性失效主要发生在硬质材料如铸铁中。材料在突然失效前变形不大。

了解更多，请参阅我们关于脆性失效的文章

2. 韧性失效

韧性失效是许多结构钢和较软材料（如铝）的主要拉伸失效模式，是渐进而非瞬时的。材料开始屈服后，塑性变形继续，然后局部化，产生将成为材料最终分离点的“颈缩”。

了解更多，请参阅我们关于韧性失效的文章

拉伸强度常见问题

拉伸强度和拉伸应力有何区别？

材料的拉伸应力是其因张力载荷经历的单位面积力量，但拉伸强度是其屈服、极限或断裂强度。

拉伸强度和屈服强度有何区别？

材料的拉伸强度显示其抵抗张力载荷的能力。几个具体定义的拉伸强度指标对工程师有价值：屈服强度，材料开始塑性变形的应力，和极限拉伸强度，常简称为“拉伸强度”，即材料在失效不可避免前能承受的最大应力。

3D 打印的最佳拉伸强度是什么？

设计 3D 打印零件时，材料基于应用选择，而非反之。也取决于材料类型和载荷方向与大小。例如，若零件仅承受压缩载荷或将作为电子外壳（防静电和吸湿性能更重要），则拉伸强度不太重要。若零件将暴露于机械载荷，您肯定需要知道拉伸强度。

例如，设计 3D 打印 ABS 零件时，使用普通 ABS 性能将是错误。基于所用 3D 打印技术，3D 打印材料的拉伸强度可能低于材料理论拉伸强度。许多 3D 打印材料数据表将显示材料不同方向的拉伸强度（通常为 Z 和 XY 方向）。其他 3D 打印技术如 SLM（选择性激光熔化）将生产各向同性结构零件，意味着其性能在所有方向相等。

Kat de Naoum
Kat de Naoum 是来自英国的作家、作者、编辑和内容专家，拥有 20+ 年写作经验。Kat 有为各类制造和技术组织写作经验，热爱工程世界。写作之外，Kat 做了近 10 年律师助理，其中 7 年在船舶金融。她为许多出版物撰稿，包括印刷和在线。Kat 拥有金斯顿大学英语文学和哲学学士、创意写作硕士。
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