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| 1 引言 在材料力學(xué)性能測試過程中，應(yīng)力與應(yīng)變是相互依存的。任何材料，只要受到應(yīng)力，就一定產(chǎn)生應(yīng)變；只要產(chǎn)生應(yīng)變，其一定受到了應(yīng)力。引伸計就是能測定材料在特征應(yīng)變條件下的應(yīng)變數(shù)據(jù)，并且具備較高分辨率與較高準(zhǔn)確度的應(yīng)變測試儀器。引伸計不同于傳統(tǒng)應(yīng)變測試中常用到的應(yīng)變片，它可以長期重復(fù)使用，并可以根據(jù)使用條件和使用要求，選擇不同規(guī)格和量程，還能測量應(yīng)變片不能涉及的超大應(yīng)變——試樣塑性變形的測試。更重要的是，引伸計性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高，可以實(shí)現(xiàn)計量溯源。 2 引伸計的分類 引伸計是測量構(gòu)件及其他物體兩點(diǎn)之間變形的一種儀器，通常由傳感器、放大器和記錄器三部分組成。在實(shí)際應(yīng)用中，引伸計的種類很多，主要由以下分類方式； 按工作原理分：機(jī)械式引伸計和電子式引伸計。機(jī)械式引伸計，是由指針或光標(biāo)直接指示位移示值，如百分表式、杠杠式、光學(xué)式引伸計；電子式引伸計、采用電子元件構(gòu)成，如電阻應(yīng)變式、電感式引伸計、電容式、光柵式、激光式、非接觸式（視頻激光）等。 按裝夾方式分：人工裝卡引伸計和自動引伸計。人工裝卡引伸計為常用引伸計，是由試驗人員將隱身裝卡在試驗之上進(jìn)行試驗；自動引伸計為機(jī)電一體復(fù)合式自動引伸計，與試驗主機(jī)為一整體機(jī)構(gòu)，由程序設(shè)定計算機(jī)控制，進(jìn)行裝卡、打開引伸計。全自動引伸計主要用于大量同類試樣的大規(guī)模校驗。 按量程分：小變形引伸計和大變形引伸計。小變形引伸計，一般應(yīng)用于5mm變形以下，或更小的變形量；大變形引伸計，一般應(yīng)用于20mm至500mm（或更大）的變形量，大變形引伸計主要用于測試特定要求硬化指數(shù)n或試樣延伸率。 按標(biāo)距分：小標(biāo)距引伸計、普通標(biāo)距引伸計和大標(biāo)距引伸計。 按用于環(huán)境分：低溫引伸計和高溫引伸計。 按試驗加載方向分：拉伸引伸計、壓縮引伸計、拉壓雙向引伸計和扭轉(zhuǎn)引伸計。 按測量方式分：接觸式引伸計和非接觸引伸計。其中，接觸式引伸計包括單向引伸計和雙向平均引伸計；非接觸式引伸計包括視頻引伸計和激光引伸計。 3 引伸計的選擇 引伸計的選擇要根據(jù)測試對象的應(yīng)用要求來確定，歸納起來，主要包括彈性變形范圍的測試、彈塑性變形范圍的測試和塑性變形范圍的測試三個方面。 3.1 用于彈性變形范圍測試的引伸計選擇 主要指彈性模量E測試，必須選擇高精度引伸計，測量0.01應(yīng)變范圍內(nèi)必須保證準(zhǔn)確度。但是要考慮試驗機(jī)不同軸度的影響，選擇雙向平均引伸計。 3.2 用于彈塑性變形范圍測試的引伸計選擇 主要指從彈性變形至屈服階段范圍內(nèi)的應(yīng)變測量。對于塑性試樣應(yīng)測試?yán)烨?yīng)力σy、χ%應(yīng)變拉伸應(yīng)力σχ、拉伸應(yīng)變ε、拉伸屈服應(yīng)變εy等數(shù)據(jù)；對于金屬試樣應(yīng)測試非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2、規(guī)定總延伸強(qiáng)度R等數(shù)據(jù)。 3.3用于塑性變形范圍測試的引伸計選擇 主要指從彈性階段拉伸直至較大塑性變形范圍，或以至拉斷的變形測量。對于塑料試樣應(yīng)測試?yán)鞌嗔褢?yīng)變εＢ、拉伸強(qiáng)度應(yīng)變εＭ、拉伸標(biāo)稱應(yīng)變εt、斷裂標(biāo)稱應(yīng)變εtB、拉伸強(qiáng)度標(biāo)稱應(yīng)變εｔＭ等數(shù)據(jù)；對于金屬試樣應(yīng)測試?yán)煊不笖?shù)ｎ、相關(guān)延伸率Ａ系列數(shù)據(jù)。 ４引伸計的應(yīng)用 引伸計主要應(yīng)用于材料的力學(xué)性能測試中，測定能表征相關(guān)材料在特征應(yīng)變條件下所對應(yīng)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。 在測試過程中，通過測試試驗所得的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，以獲得試驗方法標(biāo)準(zhǔn)中所要求的相關(guān)應(yīng)變條件下的強(qiáng)度指標(biāo)。根據(jù)被測材料的質(zhì)地特征，引伸計一般應(yīng)用于塑料材料和金屬材料應(yīng)變數(shù)據(jù)的測試。這兩種測試根據(jù)材料的特性以及定義的提法上的差異，其要求測試的項目會有所不同。塑料材料包括：拉伸屈服應(yīng)力σｙ、χ％應(yīng)變拉伸應(yīng)力σｘ、拉伸彈性模量Ｅｔ等數(shù)據(jù)的測試；金屬材料包括：非比例延伸強(qiáng)度Ｒp0.2量Ｅ數(shù)據(jù)以及延伸率的測試，同時必須保證相關(guān)技術(shù)要求。 4.1 特征應(yīng)變條件應(yīng)力的測試 當(dāng)被測材料為塑料時，應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖１所示（GB/T 1040塑料標(biāo)準(zhǔn)中給出的曲線）。圖１中，曲線a為脆性材料；曲線b和c為有屈服點(diǎn)的韌性材料；曲線d為無屈服點(diǎn)的韌性材料。 圖1 典型應(yīng)力—應(yīng)變曲線 當(dāng)被測材料為金屬時，也有類似的曲線，如圖２、圖３所示。其中，圖２是一個有明顯物理屈服點(diǎn)的鋼材試驗曲線。 尤其金屬材料，隨著新材料、新工藝的不斷的發(fā)展，材料性能不斷提高。對于鋼材，相當(dāng)材料力學(xué)性能中的屈服強(qiáng)度Ｒｅｌ越發(fā)不明顯，需要測試非比例延伸強(qiáng)度Ｒp0.2延伸強(qiáng)度Ｒｔ，這就必須使用引伸計進(jìn)行測試。 圖2 有明顯物理屈服點(diǎn)的鋼材試驗曲線 圖3 無物理屈服點(diǎn)硬鋁材料試驗曲線 例如，圖３曲線是一沒有明顯物理屈服點(diǎn)的硬鋁曲線。圖中Ｘ軸所示為引伸計變形值，在除以引伸計標(biāo)距后為應(yīng)變，Ｙ軸所示為施加力值（在除以試樣截面積后為應(yīng)力）。在其性變形直線段，該階段試樣所施加的力與變形成線性關(guān)系。如果試驗機(jī)、引伸計符合彈性模量標(biāo)準(zhǔn)的要求，則可通過此曲線計算彈性模量Ｅ。圖中彈性段平移引伸計0.2%變形量的黑色直線，與白色力/變形曲線的交點(diǎn)，即為所測的非比例延伸強(qiáng)度Ｒp0.2。 4.2彈性模量Ｅ的測試 單軸受力狀態(tài)時，在彈性范圍內(nèi)線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系常稱為廣義虎克定律，在彈性范圍任何材料都符合下列公式： Ｅ＝σ/ε 式中，Ｅ為彈性模量；σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變。 由上式不難看出：彈性模量Ｅ是材料在彈性范圍所承受的應(yīng)力與應(yīng)變之比，應(yīng)變是必要的參數(shù)。因此，彈性模量Ｅ的測試實(shí)質(zhì)是測試彈性變形的直線段斜率，故其準(zhǔn)確度由應(yīng)力與應(yīng)變準(zhǔn)確度所決定。 應(yīng)力準(zhǔn)確度：取決于試驗機(jī)施加的力值與試樣橫截面積。由于塑料強(qiáng)度比較低，施加力值比較小，故夾具與試樣夾持方法非常關(guān)鍵，夾具與試樣的加載試樣鏈系統(tǒng)要盡量同軸。 應(yīng)變測量的準(zhǔn)確度：它要求引伸計要真實(shí)反映試樣受力中心軸線與施力軸線同軸受力時所產(chǎn)生的應(yīng)變。由于試樣受力同軸是相對的，不同軸是永恒的，為獲得真實(shí)應(yīng)變，采用平均應(yīng)變引伸計，會較單引伸計測量更真實(shí)可靠。 圖４、圖５中繪制的應(yīng)力應(yīng)變曲線，線性良好，可以根據(jù)GB/T 1040要求取0.005與0.0025兩點(diǎn)連線之斜率為彈性模量。 圖4 塑料拉伸曲線（彈性模量段） 圖5 塑料拉伸曲線（彈性模量段） 圖6是對一個金屬試樣測試的經(jīng)典曲線。 圖6 試樣雙側(cè)變形典型曲線 在同一只試樣兩相對方向上分別裝上兩只引伸計，測試記錄拉伸時試樣兩側(cè)的應(yīng)變量。從圖６中可以清晰地看出：在彈性階段兩側(cè)變形直線性較差，尤其在小載荷條件時。 根據(jù)虎克定律，該階段應(yīng)是線性的，應(yīng)該為一條直線。為什么會有這樣的差異？通過對曲線的分析，當(dāng)將兩條曲線合成時，即為一條標(biāo)準(zhǔn)的直線。這證明引伸計的測試是正確的，差異實(shí)質(zhì)上是試驗機(jī)拉力系統(tǒng)的不同軸度引起的。因此，可得出如下結(jié)論： （１）試驗機(jī)的不同軸是永恒的，只是不同軸程度的大小。 （２）試樣受力后，兩相對方向應(yīng)變量之和是相等的。 同時應(yīng)注意，作為普通拉力試驗機(jī)，如采用楔型夾持裝置或掛鉤式夾具，每次裝卡試樣的同軸度都是有差異的，只是在某一范圍。如果由不同操作人員操作，其波動范圍會更大。 作為彈性模量Ｅ的測試，要求測試試樣受力后所產(chǎn)生的真實(shí)應(yīng)變，由于試樣拉伸不同軸度是永恒的，而試樣受力后兩相對方向的應(yīng)變量之和是相等的，所以要求測試Ｅ時，對于100mm試樣測試，Ｅ值應(yīng)采用雙向平均引伸計。當(dāng)然，對于能夠保證試驗受力同軸度很好的試驗機(jī)，也可以采用單向引伸計。 5 結(jié)論 引伸計是能測定相關(guān)材料在特征應(yīng)變條件下所對應(yīng)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，同時具備較高分辨力與較高準(zhǔn)確度的應(yīng)變測試儀器。對引伸計選擇使用，要從被檢材料質(zhì)地和被檢材料形變范圍這兩個方面綜合考慮。在引伸計的測試應(yīng)用中，應(yīng)注意應(yīng)力和應(yīng)變測量準(zhǔn)確度對彈性模量Ｅ的影響，特別對于試驗機(jī)不同軸度問題應(yīng)考慮采用雙向平均引伸計進(jìn)行測試。 由上述曲線可以看出，Ｘ軸Ｙ軸是相輔相成的，缺一不可。引伸計在力學(xué)性能測試中，是應(yīng)變測試的必要手段，是非常重要的，它的準(zhǔn)確度直接影響所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。 但是，無論塑料材料還是金屬材料，在力學(xué)性能測試中的技術(shù)數(shù)據(jù)基本都是相似的，主要包括特征應(yīng)變條件應(yīng)力的測試和彈性模量Ｅ的測試。其中，選擇測量屈服延伸率Ａ的引伸計時，其測量范圍一般需大于被測應(yīng)變值50%。在要求裝卡引伸計測試至試樣斷裂時，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，選擇更大的測量范圍，并且保證所用引伸計具有抵抗試樣斷裂沖擊的功能。因此，引伸計的測量范圍選擇至少有0.02應(yīng)變，一般可選擇0.05或0.1應(yīng)變。 |
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