非晶与结晶高分子材料的拉伸曲线有什么不同？从基础知识谈起- 大数跨境

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非晶与结晶高分子材料的拉伸曲线有什么不同？从基础知识谈起

Medtec医疗器械设计与制造

2026-06-23

导读：对于不同高分子材料，以及改变测试条件，我们得到的拉伸曲线往往是不一样的在很多应用场景下，如医疗导管，非晶与结晶高分子材料都在大量的使用。对于非晶与结晶高分子，拉伸曲线究竟有什么不同？我们今天来一起共同

高分子材料工程师大都清楚，力学性能尤其是拉伸性能是高分子材料的基本性能之一，也是在日常工作中非常常见的测试项目。

对于不同高分子材料，以及改变测试条件，我们得到的拉伸曲线往往是不一样的

在很多应用场景下，如医疗导管，非晶与结晶高分子材料都在大量的使用。

对于非晶与结晶高分子，拉伸曲线究竟有什么不同？我们今天来一起共同探讨。

PART 01

关于拉伸曲线

我们常说的拉伸曲线是指应力-应变曲线（stress-strain curve），这在高分子材料力学测试中最为常见。

在一条应力-应变曲线中，纵坐标为应力stress，用σ表示，单位常用MPa或者GPa（注意大小写）；横坐标为应变strain，用ε表示，无量纲，常用%表示。

应力表示单位面积场所受的内力，往往反映材料抵抗变形或破坏的能力；应变反映材料受力后的相对变形量ΔL/L0，即长度的变化量。

工程师朋友也经常看到一条曲线的纵坐标为载荷/力，单位常用N/kN，或者横坐标为位移/变形量，单位常用mm。这并非标准的拉伸曲线，而是载荷-位移曲线。

在可能的情况下，尽量用标准的拉伸曲线，也就是应力-应变曲线表示，这样不同样品间更容易进行比较，而不受样品截面积以及绝对长度变化量的影响。

在一条标准的拉伸曲线上，我们可以得到：

杨氏模量（Young's Modulus, E）也就是弹性模量：初始直线段的斜率σ/ε；

切线模量（Tangent Modulus）：拉伸曲线上某一点的斜率；

割线模量（Secant Modulus）：从原点到某一点连线的斜率；

屈服强度（Yield Strength, σ_y）：开始明显塑性变形时的应力大小;

拉伸强度（Tensile Strength，σ_m）：最高应力大小;

断裂强度（Strength at Break, σ_b）：断裂时的应力大小；

断裂伸长率（Elongation at Break, ε_b）：断裂时的应变大小。

需要说明的是，杨氏模量一般需要拉伸曲线的初始断为直线，如GB/T 1040规定的0.05-0.25%的区间。如果没有的话，通常会使用割线模量如1%或2%割线模量来代替杨氏模量，但二者的绝对值是不同的。

PART 02

非晶高分子材料的拉伸曲线

常温下，非晶高分子的拉伸曲线受其玻璃化温度T_g影响很大。

当T_g非常高时，σ随ε增加而增加，但在ε较小时就发生断裂；

当T_g较高时，出现屈服点，之后应变软化，ε_b仍然不高；

当T_g在室温以上几十度范围时，在屈服点之后，ε会有较大的增加而σ增加不大同时可能伴随细颈现象，再之后会出现应变硬化直至断裂。

当T_g低于室温时，高分子材料为高弹态，拉伸曲线上没有明显的屈服点，σ增加不大的情况下ε有较大的增加，之后会出现应变硬化直至断裂。

拉伸曲线的测定也可以在不同温度下进行：随测试温度与T_g之间温差大小，也会测得上述不同的拉伸曲线

在拉伸曲线的初始阶段，σ与ε往往成正比，这时撤去外力后，材料将完全回复，也就是表现出纯弹性行为。这也是用来计算杨氏模量的区域。

从微观上看，这种弹性行为是由于键长和键角的变化引起的。

当T_g不是特别高时，拉伸曲线中会存在屈服点。之后进一步拉伸时，σ不再随ε线性增加，材料产生不可逆的塑性形变。

屈服是由于外力做功克服了分子链间的缠结阻力和次价键束缚，促使高分子链段发生解缠结、相对滑移以及沿外力方向的取向重排。

另外，如果材料在屈服点之前就发生了断裂则称为脆性断裂，之后称为韧性断裂。

PART 03

结晶高分子材料的拉伸曲线

对于结晶高分子材料的拉伸而言，拉伸曲线往往可以分成三段：

σ随ε线性增加，直到屈服点；
材料出现一个或几个细颈，然后细颈部分逐渐扩展（在这个过程中，细颈与非细颈的截面积分别保持不变），直至整体变细；
σ随ε的增加而增大直到断裂。

从这些描述可以看到，结晶高分子与韧性非晶高分子在玻璃态时的拉伸曲线比较相似，都有弹性形变、屈服、大形变及应变硬化等过程。

这里的韧性非晶高分子是指非晶高分子的T_g在室温以上几十度范围，或者T_g较高但升温到接近T_g时，仍然处于玻璃态。

需要说明的是，韧性非晶高分子的细颈现象主要是由于分子链从无规线团到取向所致，而结晶高分子除了分子链取向外，同时伴随球晶到微纤的转变、原有结晶的破坏和再结晶，以及晶体取向等更为复杂的过程。

另外，细颈现象是冷拉（发生大规模塑性形变的拉伸）的标志。玻璃态韧性非晶高分子的冷拉温度区间为T_b到T_g，而结晶高分子的区间为T_g到T_m。

PART 04

测试标准及测试条件

高分子材料的拉伸有不同的测试标准，如用于塑料拉伸性能的测试标准GB/T 1040、ISO 527和ASTM D638；以及用于橡胶类材料的测试标准GB/T 528、ISO 37和ASTM D412。

在这些标准中会有制样规范及测试条件的说明，包括试样的形状和尺寸、制样方法、样片状态、测试环境和拉伸速度等。

例如GB/T 1040中的I型样片适用于热固性模塑材料，而IV型适用于薄膜。

制样方法包括注塑成型、压制成型等，都需要保证样片表面平整，无气泡、无划痕、毛刺、微裂纹等缺陷。

容易吸湿的材料，如尼龙，在测试前需要在标准试验环境下放置足够长的时间达到平衡。

测试必须在恒温恒湿箱或标准实验室内进行。

测试硬质塑料通常用10mm/min相对较低的速度；半硬质/韧性塑料通常用50 mm/min；而软质片材或薄膜则采用100-500 mm/min相对较高的速度。

需要说明的是，测试条件在很大程度上会影响测试结果，如：

拉伸速度↑，σ_m↑，ε_b↓

温度↑，σ_m↓，ε_b↑

材料吸湿，σ_m↓，ε_b↑

PART 05

如何解读数据

一条拉伸曲线能够告诉我们的信息非常多。在诸多信息中，如何获取对我们有帮助的部分呢？可以参考以下内容或选择其中几点。

看坐标与单位，判断是标准的拉伸曲线还是载荷-位移曲线。
看曲线中基本的变形包括哪几个部分：弹性形变区（初始直线段）、屈服点、细颈与大型变、应变硬化以及断裂点。
看主要力学指标判断基本性能判断基本材料类型（硬而脆型、硬而韧型、软而韧型等），如弹性模量（初始直线段斜率）、屈服强度、拉伸强度、断裂伸长率以及曲线下方的面积。
看曲线是否有异常，如塑性阶段出现异常波动，意味着材料内部可能存在多相结构、微裂纹扩展或填料分布不均等。
不同材料对比时，需要进一步判断测试条件是否一致。如材料选型或作为质控指标时，需保证测试条件一致。
根据使用场景和目的，选择合适的单点指标。如做质量控制，选择σ_y、σ_b和ε_b往往就足够了；但解决使用问题时，需要结合实际场景进一步分析并选择合适的指标，如材料使用时的ε为30%之间，那这时对应的σ更能反映实际状况。
测试条件的选择，并非一定要依赖于标准。尤其是在解决实际问题时，选择跟实际应用条件相似的温度、拉伸速度、多次拉伸循环等，测试结果更有助于解决问题。
结合其它材料指标做进一步分析，如T_g和流变性能。