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| 1 引言 在材料力學(xué)性能測試過(guò)程中，應力與應變是相互依存的。任何材料，只要受到應力，就一定產(chǎn)生應變；只要產(chǎn)生應變，其一定受到了應力。引伸計就是能測定材料在特征應變條件下的應變數據，并且具備較高分辨率與較高準確度的應變測試儀器。引伸計不同于傳統應變測試中常用到的應變片，它可以長(cháng)期重復使用，并可以根據使用條件和使用要求，選擇不同規格和量程，還能測量應變片不能涉及的超大應變——試樣塑性變形的測試。更重要的是，引伸計性能穩定、準確度高，可以實(shí)現計量溯源。 2 引伸計的分類(lèi) 引伸計是測量構件及其他物體兩點(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)際應用中，引伸計的種類(lèi)很多，主要由以下分類(lèi)方式； 按工作原理分：機械式引伸計和電子式引伸計。機械式引伸計，是由指針或光標直接指示位移示值，如百分表式、杠杠式、光學(xué)式引伸計；電子式引伸計、采用電子元件構成，如電阻應變式、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(dòng)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(dòng)引伸計為機電一體復合式自動(dòng)引伸計，與試驗主機為一整體機構，由程序設定計算機控制，進(jìn)行裝卡、打開(kāi)引伸計。全自動(dòng)引伸計主要用于大量同類(lèi)試樣的大規模校驗。 按量程分：小變形引伸計和大變形引伸計。小變形引伸計，一般應用于5mm變形以下，或更小的變形量；大變形引伸計，一般應用于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n或試樣延伸率。 按標距分：小標距引伸計、普通標距引伸計和大標距引伸計。 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測試對象的應用要求來(lái)確定，歸納起來(lái)，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(gè)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應變范圍內必須保證準確度。但是要考慮試驗機不同軸度的影響，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的應變測量。對于塑性試樣應測試拉伸屈服應力σy、χ%應變拉伸應力σχ、拉伸應變ε、拉伸屈服應變εy等數據；對于金屬試樣應測試非比例延伸強度Rp0.2、規定總延伸強度R等數據。 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。對于塑料試樣應測試拉伸斷裂應變εＢ、拉伸強度應變εＭ、拉伸標稱(chēng)應變εt、斷裂標稱(chēng)應變εtB、拉伸強度標稱(chēng)應變εｔＭ等數據；對于金屬試樣應測試拉伸硬化指數ｎ、相關(guān)延伸率Ａ系列數據。 ４引伸計的應用 引伸計主要應用于材料的力學(xué)性能測試中，測定能表征相關(guān)材料在特征應變條件下所對應的應變數據。 在測試過(guò)程中，通過(guò)測試試驗所得的應力－應變曲線(xiàn)，以獲得試驗方法標準中所要求的相關(guān)應變條件下的強度指標。根據被測材料的質(zhì)地特征，引伸計一般應用于塑料材料和金屬材料應變數據的測試。這兩種測試根據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(huì )有所不同。塑料材料包括：拉伸屈服應力σｙ、χ％應變拉伸應力σｘ、拉伸彈性模量Ｅｔ等數據的測試；金屬材料包括：非比例延伸強度Ｒp0.2量Ｅ數據以及延伸率的測試，同時(shí)必須保證相關(guān)技術(shù)要求。 4.1 特征應變條件應力的測試 當被測材料為塑料時(shí)，應力－應變曲線(xiàn)如圖１所示（GB/T 1040塑料標準中給出的曲線(xiàn)）。圖１中，曲線(xiàn)a為脆性材料；曲線(xiàn)b和c為有屈服點(diǎn)的韌性材料；曲線(xiàn)d為無(wú)屈服點(diǎn)的韌性材料。 圖1 典型應力—應變曲線(xiàn) 當被測材料為金屬時(shí)，也有類(lèi)似的曲線(xiàn)，如圖２、圖３所示。其中，圖２是一個(gè)有明顯物理屈服點(diǎn)的鋼材試驗曲線(xiàn)。 尤其金屬材料，隨著(zhù)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，相當材料力學(xué)性能中的屈服強度Ｒｅｌ越發(fā)不明顯，需要測試非比例延伸強度Ｒp0.2延伸強度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(xiàn) 圖3 無(wú)物理屈服點(diǎn)硬鋁材料試驗曲線(xiàn) 例如，圖３曲線(xiàn)是一沒(méi)有明顯物理屈服點(diǎn)的硬鋁曲線(xiàn)。圖中Ｘ軸所示為引伸計變形值，在除以引伸計標距后為應變，Ｙ軸所示為施加力值（在除以試樣截面積后為應力）。在其性變形直線(xiàn)段，該階段試樣所施加的力與變形成線(xiàn)性關(guān)系。如果試驗機、引伸計符合彈性模量標準的要求，則可通過(guò)此曲線(xiàn)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(xiàn)，與白色力/變形曲線(xiàn)的交點(diǎn)，即為所測的非比例延伸強度Ｒp0.2。 4.2彈性模量Ｅ的測試 單軸受力狀態(tài)時(shí)，在彈性范圍內線(xiàn)性的應力應變關(guān)系常稱(chēng)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為應力；ε為應變。 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力與應變之比，應變是必要的參數。因此，彈性模量Ｅ的測試實(shí)質(zhì)是測試彈性變形的直線(xiàn)段斜率，故其準確度由應力與應變準確度所決定。 應力準確度：取決于試驗機施加的力值與試樣橫截面積。由于塑料強度比較低，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要盡量同軸。 應變測量的準確度：它要求引伸計要真實(shí)反映試樣受力中心軸線(xiàn)與施力軸線(xiàn)同軸受力時(shí)所產(chǎn)生的應變。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)應變，采用平均應變引伸計，會(huì )較單引伸計測量更真實(shí)可靠。 圖４、圖５中繪制的應力應變曲線(xiàn)，線(xiàn)性良好，可以根據GB/T 1040要求取0.005與0.0025兩點(diǎn)連線(xiàn)之斜率為彈性模量。 圖4 塑料拉伸曲線(xiàn)（彈性模量段） 圖5 塑料拉伸曲線(xiàn)（彈性模量段） 圖6是對一個(gè)金屬試樣測試的經(jīng)典曲線(xiàn)。 圖6 試樣雙側變形典型曲線(xiàn) 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(shí)試樣兩側的應變量。從圖６中可以清晰地看出：在彈性階段兩側變形直線(xiàn)性較差，尤其在小載荷條件時(shí)。 根據虎克定律，該階段應是線(xiàn)性的，應該為一條直線(xiàn)。為什么會(huì )有這樣的差異？通過(guò)對曲線(xiàn)的分析，當將兩條曲線(xiàn)合成時(shí)，即為一條標準的直線(xiàn)。這證明引伸計的測試是正確的，差異實(shí)質(zhì)上是試驗機拉力系統的不同軸度引起的。因此，可得出如下結論： （１）試驗機的不同軸是永恒的，只是不同軸程度的大小。 （２）試樣受力后，兩相對方向應變量之和是相等的。 同時(shí)應注意，作為普通拉力試驗機，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的測試，要求測試試樣受力后所產(chǎn)生的真實(shí)應變，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變量之和是相等的，所以要求測試Ｅ時(shí)，對于100mm試樣測試，Ｅ值應采用雙向平均引伸計。當然，對于能夠保證試驗受力同軸度很好的試驗機，也可以采用單向引伸計。 5 結論 引伸計是能測定相關(guān)材料在特征應變條件下所對應的應變數據，同時(shí)具備較高分辨力與較高準確度的應變測試儀器。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(gè)方面綜合考慮。在引伸計的測試應用中，應注意應力和應變測量準確度對彈性模量Ｅ的影響，特別對于試驗機不同軸度問(wèn)題應考慮采用雙向平均引伸計進(jìn)行測試。 由上述曲線(xiàn)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，是應變測試的必要手段，是非常重要的，它的準確度直接影響所測數據的準確度。 但是，無(wú)論塑料材料還是金屬材料，在力學(xué)性能測試中的技術(shù)數據基本都是相似的，主要包括特征應變條件應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(shí)，其測量范圍一般需大于被測應變值50%。在要求裝卡引伸計測試至試樣斷裂時(shí)，還應根據實(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應變，一般可選擇0.05或0.1應變。 |
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