如何選擇引伸計及應用

時間：2012-6-14閱讀：8457

1 引言

在材料力學性能測試過程中，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(shù)據(jù)，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(tǒng)應變測試中常用到的應變片，它可以長期重復使用，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(wěn)定、準確度高，可以實現(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。在實際應用中，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、光學式引伸計；電子式引伸計、采用電子元件構(gòu)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行試驗；自動引伸計為機電一體復合式自動引伸計，與試驗主機為一整體機構(gòu)，由程序設定計算機控制，進行裝卡、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(shù)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(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應變范圍內(nèi)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(nèi)的應變測量。對于塑性試樣應測試拉伸屈服應力σ_y、χ%應變拉伸應力σ_χ、拉伸應變ε、拉伸屈服應變ε_y等數(shù)據(jù)；對于金屬試樣應測試非比例延伸強度R_p0.2、規(guī)定總延伸強度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。對于塑料試樣應測試拉伸斷裂應變ε_Ｂ、拉伸強度應變ε_Ｍ、拉伸標稱應變ε_t、斷裂標稱應變ε_tB、拉伸強度標稱應變ε_ｔＭ等數(shù)據(jù)；對于金屬試樣應測試拉伸硬化指數(shù)ｎ、相關延伸率Ａ系列數(shù)據(jù)。

４引伸計的應用

引伸計主要應用于材料的力學性能測試中，測定能表征相關材料在特征應變條件下所對應的應變數(shù)據(jù)。

在測試過程中，通過測試試驗所得的應力－應變曲線，以獲得試驗方法標準中所要求的相關應變條件下的強度指標。根據(jù)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(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：拉伸屈服應力σ_ｙ、χ％應變拉伸應力σ_ｘ、拉伸彈性模量Ｅ_ｔ等數(shù)據(jù)的測試；金屬材料包括：非比例延伸強度Ｒ_p0.2量Ｅ數(shù)據(jù)以及延伸率的測試，同時必須保證相關技術(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，應力－應變曲線如圖１所示（GB/T 1040塑料標準中給出的曲線）。圖１中，曲線a為脆性材料；曲線b和c為有屈服點的韌性材料；曲線d為無屈服點的韌性材料。

圖1 典型應力—應變曲線

當被測材料為金屬時，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，相當材料力學性能中的屈服強度Ｒ_ｅｌ越發(fā)不明顯，需要測試非比例延伸強度Ｒ_p0.2延伸強度Ｒ_ｔ，這就必須使用引伸計進行測試。

圖2 有明顯物理屈服點的鋼材試驗曲線

圖3 無物理屈服點硬鋁材料試驗曲線

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）。在其性變形直線段，該階段試樣所施加的力與變形成線性關系。如果試驗機、引伸計符合彈性模量標準的要求，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，即為所測的非比例延伸強度Ｒ_p0.2。

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)線性的應力應變關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(shù)。因此，彈性模量Ｅ的測試實質(zhì)是測試彈性變形的直線段斜率，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鍵，夾具與試樣的加載試樣鏈系統(tǒng)要盡量同軸。

應變測量的準確度：它要求引伸計要真實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，為獲得真實應變，采用平均應變引伸計，會較單引伸計測量更真實可靠。

圖４、圖５中繪制的應力應變曲線，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，該階段應是線性的，應該為一條直線。為什么會有這樣的差異？通過對曲線的分析，當將兩條曲線合成時，即為一條標準的直線。這證明引伸計的測試是正確的，差異實質(zhì)上是試驗機拉力系統(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，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(jié)論

引伸計是能測定相關材料在特征應變條件下所對應的應變數(shù)據(jù)，同時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題應考慮采用雙向平均引伸計進行測試。

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(shù)據(jù)的準確度。但是，無論塑料材料還是金屬材料，在力學性能測試中的技術(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，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，還應根據(jù)實際需要，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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