如何選擇引伸計(jì)及應(yīng)用

時(shí)間：2012-6-14閱讀：8544

1 引言

在材料力學(xué)性能測(cè)試過(guò)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(jì)就是能測(cè)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(cè)試儀器。引伸計(jì)不同于傳統(tǒng)應(yīng)變測(cè)試中常用到的應(yīng)變片，它可以長(zhǎng)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(cè)量應(yīng)變片不能涉及的超大應(yīng)變——試樣塑性變形的測(cè)試。更重要的是，引伸計(jì)性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)量溯源。

2 引伸計(jì)的分類

引伸計(jì)是測(cè)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(jì)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(jì)和電子式引伸計(jì)。機(jī)械式引伸計(jì)，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(jì)；電子式引伸計(jì)、采用電子元件構(gòu)成，如電阻應(yīng)變式、電感式引伸計(jì)、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(jì)和自動(dòng)引伸計(jì)。人工裝卡引伸計(jì)為常用引伸計(jì)，是由試驗(yàn)人員將隱身裝卡在試驗(yàn)之上進(jìn)行試驗(yàn)；自動(dòng)引伸計(jì)為機(jī)電一體復(fù)合式自動(dòng)引伸計(jì)，與試驗(yàn)主機(jī)為一整體機(jī)構(gòu)，由程序設(shè)定計(jì)算機(jī)控制，進(jìn)行裝卡、打開(kāi)引伸計(jì)。全自動(dòng)引伸計(jì)主要用于大量同類試樣的大規(guī)模校驗(yàn)。

按量程分：小變形引伸計(jì)和大變形引伸計(jì)。小變形引伸計(jì)，一般應(yīng)用于5mm變形以下，或更小的變形量；大變形引伸計(jì)，一般應(yīng)用于20mm至500mm（或更大）的變形量，大變形引伸計(jì)主要用于測(cè)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(jì)、普通標(biāo)距引伸計(jì)和大標(biāo)距引伸計(jì)。

按用于環(huán)境分：低溫引伸計(jì)和高溫引伸計(jì)。

按試驗(yàn)加載方向分：拉伸引伸計(jì)、壓縮引伸計(jì)、拉壓雙向引伸計(jì)和扭轉(zhuǎn)引伸計(jì)。

按測(cè)量方式分：接觸式引伸計(jì)和非接觸引伸計(jì)。其中，接觸式引伸計(jì)包括單向引伸計(jì)和雙向平均引伸計(jì)；非接觸式引伸計(jì)包括視頻引伸計(jì)和激光引伸計(jì)。

3 引伸計(jì)的選擇

引伸計(jì)的選擇要根據(jù)測(cè)試對(duì)象的應(yīng)用要求來(lái)確定，歸納起來(lái)，主要包括彈性變形范圍的測(cè)試、彈塑性變形范圍的測(cè)試和塑性變形范圍的測(cè)試三個(gè)方面。

3.1 用于彈性變形范圍測(cè)試的引伸計(jì)選擇

主要指彈性模量E測(cè)試，必須選擇高精度引伸計(jì)，測(cè)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(yàn)機(jī)不同軸度的影響，選擇雙向平均引伸計(jì)。

3.2 用于彈塑性變形范圍測(cè)試的引伸計(jì)選擇

主要指從彈性變形至屈服階段范圍內(nèi)的應(yīng)變測(cè)量。對(duì)于塑性試樣應(yīng)測(cè)試?yán)烨?yīng)力σ_y、χ%應(yīng)變拉伸應(yīng)力σ_χ、拉伸應(yīng)變ε、拉伸屈服應(yīng)變ε_y等數(shù)據(jù)；對(duì)于金屬試樣應(yīng)測(cè)試非比例延伸強(qiáng)度R_p0.2、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(cè)試的引伸計(jì)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(cè)量。對(duì)于塑料試樣應(yīng)測(cè)試?yán)鞌嗔褢?yīng)變ε_Ｂ、拉伸強(qiáng)度應(yīng)變ε_Ｍ、拉伸標(biāo)稱應(yīng)變ε_t、斷裂標(biāo)稱應(yīng)變ε_tB、拉伸強(qiáng)度標(biāo)稱應(yīng)變ε_ｔＭ等數(shù)據(jù)；對(duì)于金屬試樣應(yīng)測(cè)試?yán)煊不笖?shù)ｎ、相關(guān)延伸率Ａ系列數(shù)據(jù)。

４引伸計(jì)的應(yīng)用

引伸計(jì)主要應(yīng)用于材料的力學(xué)性能測(cè)試中，測(cè)定能表征相關(guān)材料在特征應(yīng)變條件下所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)測(cè)試試驗(yàn)所得的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，以獲得試驗(yàn)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(cè)材料的質(zhì)地特征，引伸計(jì)一般應(yīng)用于塑料材料和金屬材料應(yīng)變數(shù)據(jù)的測(cè)試。這兩種測(cè)試根據(jù)材料的特性以及定義的提法上的差異，其要求測(cè)試的項(xiàng)目會(huì)有所不同。塑料材料包括：拉伸屈服應(yīng)力σ_ｙ、χ％應(yīng)變拉伸應(yīng)力σ_ｘ、拉伸彈性模量Ｅ_ｔ等數(shù)據(jù)的測(cè)試；金屬材料包括：非比例延伸強(qiáng)度Ｒ_p0.2量Ｅ數(shù)據(jù)以及延伸率的測(cè)試，同時(shí)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(cè)試

當(dāng)被測(cè)材料為塑料時(shí)，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(wú)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(cè)材料為金屬時(shí)，也有類似的曲線，如圖２、圖３所示。其中，圖２是一個(gè)有明顯物理屈服點(diǎn)的鋼材試驗(yàn)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(duì)于鋼材，相當(dāng)材料力學(xué)性能中的屈服強(qiáng)度Ｒ_ｅｌ越發(fā)不明顯，需要測(cè)試非比例延伸強(qiáng)度Ｒ_p0.2延伸強(qiáng)度Ｒ_ｔ，這就必須使用引伸計(jì)進(jìn)行測(cè)試。

圖2 有明顯物理屈服點(diǎn)的鋼材試驗(yàn)曲線

圖3 無(wú)物理屈服點(diǎn)硬鋁材料試驗(yàn)曲線

例如，圖３曲線是一沒(méi)有明顯物理屈服點(diǎn)的硬鋁曲線。圖中Ｘ軸所示為引伸計(jì)變形值，在除以引伸計(jì)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(yàn)機(jī)、引伸計(jì)符合彈性模量標(biāo)準(zhǔn)的要求，則可通過(guò)此曲線計(jì)算彈性模量Ｅ。圖中彈性段平移引伸計(jì)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(cè)的非比例延伸強(qiáng)度Ｒ_p0.2。

4.2彈性模量Ｅ的測(cè)試

單軸受力狀態(tài)時(shí)，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(cè)試實(shí)質(zhì)是測(cè)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(yàn)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(cè)量的準(zhǔn)確度：它要求引伸計(jì)要真實(shí)反映試樣受力中心軸線與施力軸線同軸受力時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變。由于試樣受力同軸是相對(duì)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(jì)，會(huì)較單引伸計(jì)測(cè)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(duì)一個(gè)金屬試樣測(cè)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(duì)方向上分別裝上兩只引伸計(jì)，測(cè)試記錄拉伸時(shí)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(shí)。

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(huì)有這樣的差異？通過(guò)對(duì)曲線的分析，當(dāng)將兩條曲線合成時(shí)，即為一條標(biāo)準(zhǔn)的直線。這證明引伸計(jì)的測(cè)試是正確的，差異實(shí)質(zhì)上是試驗(yàn)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(yàn)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(duì)方向應(yīng)變量之和是相等的。

同時(shí)應(yīng)注意，作為普通拉力試驗(yàn)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(dòng)范圍會(huì)更大。

作為彈性模量Ｅ的測(cè)試，要求測(cè)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(duì)方向的應(yīng)變量之和是相等的，所以要求測(cè)試Ｅ時(shí)，對(duì)于100mm試樣測(cè)試，Ｅ值應(yīng)采用雙向平均引伸計(jì)。當(dāng)然，對(duì)于能夠保證試驗(yàn)受力同軸度很好的試驗(yàn)機(jī)，也可以采用單向引伸計(jì)。

5 結(jié)論

引伸計(jì)是能測(cè)定相關(guān)材料在特征應(yīng)變條件下所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，同時(shí)具備較高分辨力與較高準(zhǔn)確度的應(yīng)變測(cè)試儀器。對(duì)引伸計(jì)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(gè)方面綜合考慮。在引伸計(jì)的測(cè)試應(yīng)用中，應(yīng)注意應(yīng)力和應(yīng)變測(cè)量準(zhǔn)確度對(duì)彈性模量Ｅ的影響，特別對(duì)于試驗(yàn)機(jī)不同軸度問(wèn)題應(yīng)考慮采用雙向平均引伸計(jì)進(jìn)行測(cè)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(jì)在力學(xué)性能測(cè)試中，是應(yīng)變測(cè)試的必要手段，是非常重要的，它的準(zhǔn)確度直接影響所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。但是，無(wú)論塑料材料還是金屬材料，在力學(xué)性能測(cè)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(cè)試和彈性模量Ｅ的測(cè)試。其中，選擇測(cè)量屈服延伸率Ａ的引伸計(jì)時(shí)，其測(cè)量范圍一般需大于被測(cè)應(yīng)變值50%。在要求裝卡引伸計(jì)測(cè)試至試樣斷裂時(shí)，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，選擇更大的測(cè)量范圍，并且保證所用引伸計(jì)具有抵抗試樣斷裂沖擊的功能。因此，引伸計(jì)的測(cè)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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