撕裂强度：定义、与3D打印的关联及测量方法

撕裂强度是材料抵抗垂直于施加应力方向失效的能力。通常通过测量在夹持材料边缘的夹具附近、未受约束区域施加的力，启动撕裂所需的力来测试。

在3D打印中，撕裂强度有助于定义特定打印构建方法的结构强度优势。这对各向异性构建方法（如FDM打印）尤为重要。各向异性材料的性能取决于材料的模式和取向。可理解为类似木材的“纹理”，沿纹理方向（即与构建平面和主丝材方向一致）的受力远比将丝材相互拉开的受力更易抵抗。

撕裂强度单位为牛顿/毫米或磅力/单位厚度（lbf/in或N/mm）。但不同测试装置的结果不可直接比较，因方法学差异。测试装置将样品边缘一部分固定在固定平面，夹紧靠近约束处的“自由”边缘，允许施加垂直于样品的载荷诱导撕裂。部分测试要求样品边缘光滑，其他使用规定的V形缺口或直切口作为起裂源。测量值仅为启动撕裂所需的力。

本文将讨论撕裂强度定义、其与3D打印的关联、公式及测量方法。

什么是撕裂强度？

撕裂强度是材料抵抗垂直失效的能力。撕裂是许多材料具有的关键能力，由垂直于材料平面的力引起。超过撕裂强度的施加力会导致屈服点失效，使材料沿力施加线分离。撕裂强度通常用作非脆性材料行为的度量。脆性材料受扭曲时不撕裂而是断裂。该指标用于定义能在失效前显著变形的材料能力。纸有可测量撕裂强度，玻璃没有，因其发生脆性断裂。就有用测量而言，撕裂测试通常在片材材料上进行，如织物、纸/卡、柔性塑料、橡胶。

测量撕裂强度如何关联3D打印？

测量撕裂强度关联3D打印在于：了解各种3D打印技术的撕裂阻力特性和零件取向，有助于制作适用于主动受力测试的原型，而非仅用于配合和形状验证。工艺选择、材料类型、构建取向可能是决定3D打印零件是否适合预期用途的关键因素。

必须弯曲或抵抗弯曲、承受重复载荷循环、经历复杂载荷场景的零件，必须由能提供所需性能的工艺制造。需要柔韧性时，基础SLA零件倾向立即断裂。而FDM打印零件若构建时丝材方向沿弯曲线（而非横跨或穿过），表现会更好。详情请参阅我们的3D打印指南。

撕裂强度公式是什么？

撕裂强度公式为：

撕裂强度 = F/t

无论撕裂是用V形缺口或I形切口预先启动，还是边缘光滑无损伤，都会测量启动撕裂的力。该力（N或lbf）除以样品厚度（mm或英寸），得出标准化的单位厚度力值。

撕裂强度使用什么单位？

撕裂强度单位为牛顿/毫米或磅力/英寸（N/mm或lbf/inch）。

如何测试撕裂强度？

撕裂强度测试通常在拉伸试验机上进行。样品上下颚夹持，取向使应力作为撕裂运动施加。最常用形式是“裤型试验”。“裤腿”在平面夹持并像劈叉姿势一样拉伸。失效发生在“裤腿”相遇处。这将材料边缘拉伸或变形为位移线（载荷低于撕裂点时）。然后分级增加力直到应力集中处开始撕裂。

三种边缘制备形式：V形缺口或I形缺口作为起裂源，或边缘光滑形成“裤腿”相遇处的未损伤曲线。这些测试不一定相互可比。起裂源可能导致比其他相同样品低得多的撕裂强度。应力（力）集中发生在更低应变（伸长/位移）水平。

因此撕裂强度测试被视为演示失效模式的定性测试，而非允许精确比较各种材料的定量比较测试。可用于同形同测材料样品的力韧性定性比较。但测试样品的定量指标仅能定性地告知真实条件下的失效风险，因为现实载荷应用很少像实验室那样简化/理想化。

如何测量撕裂强度？

测试时，向移动夹具施加重量或位移及力测量模块。启动撕裂时的力为测试测量结果。样品形状和起裂切口各异，但所有样品排列方式均使简单拉伸载荷在样品预定点施加撕裂力。

ASTM International测量不同材料撕裂强度的标准是什么？

ASTM D264是美国撕裂韧性测试标准，规定五种样品类型：A（新月形、刀片缺口）、B（Winkelmann）、C（Graves）、T（裤型撕裂）/ASTM D470、CP（约束路径裤型撕裂）。对于A、B、C型试样，撕裂强度测量值仅为启动撕裂的力除以样品厚度。对于T或CP型试样，测量值为曲线处施加力的平均值或中位数除以试样厚度。

ISO 34-1原理上直接可比，但在许多关键细节上不同，即使对于相同材料也很难直接比较两个测试标准。

了解更多，请参阅我们的ASTM International完整指南。

不同材料撕裂强度示例是什么？

1. 织物撕裂强度

织物是由羊毛、尼龙、棉等材料编织而成。棉织物撕裂强度因基材和施加力不同而差异巨大。

2. 橡胶撕裂强度

各类橡胶材料数值：天然橡胶（23.95±1.85 kN/m）、丁腈橡胶（9.14±1.54 kN/m）、丁苯橡胶（4.88±0.47 kN/m）、EPDM橡胶（7.27±0.86 kN/m）。

3. 塑料撕裂强度

塑料撕裂强度因伸长取向、聚合物性能差异、聚合物类型广泛而变化。结果通常仅关注将承受制造或使用应力的薄膜材料。聚合物薄膜也常用ASTM D1922（Elmendorf撕裂强度测试，结果以克为单位）测试。例如，典型HDPE的Elmendorf撕裂强度为120g MD（机器方向）和24g TD（横向）。LDPE则为320g MD和170g TD。

高撕裂阻力材料类型有哪些？

织物中合成纤维撕裂阻力更高。Kevlar®和尼龙是柔性纤维极端撕裂韧性的良好例子。降落伞材料用精织尼龙，因灾难性失效后果严重。军用防弹衣和摩托车护具通常用Kevlar®，其低弹性和巨大抗拉阻力造就更刚性但强韧的织物。

弹性体中，天然橡胶及含天然橡胶化合物撕裂韧性最高。这是天然（硫化）橡胶断裂伸长率极高的结果。但许多应用中性能平衡倾向于合成橡胶，后者通常更硬、更耐用。

低撕裂阻力材料类型有哪些？

低撕裂阻力材料示例：纸、PVC薄膜、热塑性橡胶、硅橡胶、天然纤维织物。

什么是撕裂-屈服比？

撕裂-屈服比是材料在撕裂前表现出弹性和塑性变形能力的度量。例如，材料在载荷下弹性变形，卸载后恢复。若超过弹性极限发生塑性变形，卸载时仍有部分恢复。若材料在达到屈服点后很快撕裂，恢复将不可能。高撕裂-屈服比表示材料在撕裂模式下过载时易失效。

3D打印中良好的平均撕裂强度测量值是多少？

3D打印中良好的平均撕裂强度测量值取决于应用。打印所用原生材料的绝对撕裂韧性可帮助用户评估选定打印技术和材料。许多3D打印材料既相对较弱又脆。撕裂强度有助于理解材料受载行为。不同机器取向构建的模型相对撕裂强度可能显著不同。撕裂威胁沿主纹理方向时材料较弱。薄壁FDM中，丝材沿长度方向比垂直于该轴90°处更强。选择最佳构建取向可显著影响功能性能。