平均引伸计

1 引言 在材料力学性能测试过程中，应力与应变是相互依存的。任何材料，只要受到应力，就一定产生应变；只要产生应变，其一定受到了应力。引伸计就是能精确测定材料在特征应变条件下的应变数据，并且具备较高分辨率与较高准确度的应变测试仪器。引伸计不同于传统应变测试中常用到的应变片，它可以长期重复使用，并可以根据使用条件和使用要求，选择不同规格和量程，还能测量应变片不能涉及的超大应变——试样塑性变形的测试。更重要的是，引伸计性能稳定、准确度高，可以实现计量溯源。2 引伸计的分类 引伸计是测量构件及其他物体两点之间变形的一种仪器，通常由传感器、放大器和记录器三部分组成。在实际应用中，引伸计的种类很多，主要由以下分类方式； 按工作原理分：机械式引伸计和电子式引伸计。机械式引伸计，是由指针或光标直接指示位移示值，如百分表式、杠杠式、光学式引伸计；电子式引伸计、采用电子元件构成，如电阻应变式、电感式引伸计、电容式、光栅式、激光式、非接触式（视频激光）等。 按装夹方式分：人工装卡引伸计和自动引伸计。人工装卡引伸计为常用引伸计，是由试验人员将隐身装卡在试验之上进行试验；自动引伸计为机电一体复合式自动引伸计，与试验主机为一整体机构，由程序设定计算机控制，进行装卡、打开引伸计。全自动引伸计主要用于大量同类试样的大规模校验。 按量程分：小变形引伸计和大变形引伸计。小变形引伸计，一般应用于5mm变形以下，或更小的变形量；大变形引伸计，一般应用于20mm至500mm（或更大）的变形量，大变形引伸计主要用于测试特定要求硬化指数n或试样延伸率。 按标距分：小标距引伸计、普通标距引伸计和大标距引伸计。 按用于环境分：低温引伸计和高温引伸计。 按试验加载方向分：拉伸引伸计、压缩引伸计、拉压双向引伸计和扭转引伸计。 按测量方式分：接触式引伸计和非接触引伸计。其中，接触式引伸计包括单向引伸计和双向平均引伸计；非接触式引伸计包括视频引伸计和激光引伸计。3 引伸计的选择 引伸计的选择要根据测试对象的应用要求来确定，归纳起来，主要包括弹性变形范围的测试、弹塑性变形范围的测试和塑性变形范围的测试三个方面。3.1 用于弹性变形范围测试的引伸计选择 主要指弹性模量E测试，必须选择高精度引伸计，测量0.01应变范围内必须保证准确度。但是要考虑试验机不同轴度的影响，最好选择双向平均引伸计。3.2 用于弹塑性变形范围测试的引伸计选择 主要指从弹性变形至屈服阶段范围内的应变测量。对于塑性试样应测试拉伸屈服应力σy、χ%应变拉伸应力σχ、拉伸应变ε、拉伸屈服应变εy等数据；对于金属试样应测试非比例延伸强度Rp0.2、规定总延伸强度R等数据。3.3用于塑性变形范围测试的引伸计选择 主要指从弹性阶段拉伸直至较大塑性变形范围，或以至拉断的变形测量。对于塑料试样应测试拉伸断裂应变εＢ、拉伸强度应变εＭ、拉伸标称应变εt、断裂标称应变εtB、拉伸强度标称应变εｔＭ等数据；对于金属试样应测试拉伸硬化指数ｎ、相关延伸率Ａ系列数据。４引伸计的应用 引伸计主要应用于材料的力学性能测试中，测定能表征相关材料在特征应变条件下所对应的应变数据。 在测试过程中，通过精确测试试验所得的应力－应变曲线，以获得试验方法标准中所要求的相关应变条件下的强度指标。根据被测材料的质地特征，引伸计一般应用于塑料材料和金属材料应变数据的测试。这两种测试根据材料的特性以及定义的提法上的差异，其要求测试的项目会有所不同。塑料材料包括：拉伸屈服应力σｙ、χ％应变拉伸应力σｘ、拉伸弹性模量Ｅｔ等数据的测试；金属材料包括：非比例延伸强度Ｒp0.2量Ｅ数据以及延伸率的测试，同时必须保证相关技术要求。根据虎克定律，阶段应是线性的，应该为一条直线。为什么会有这样的差异？通过对曲线的分析，当将两条曲线合成时，即为一条标准的直线。这证明引伸计的测试是正确的，差异实质上是试验机拉力系统的不同轴度引起的。因此，可得出如下结论：（１）试验机的不同轴是永恒的，只是不同轴程度的大小。（２）试样受力后，两相对方向应变量之和是相等的。同时应注意，作为普通拉力试验机，如采用楔型夹持装置或挂钩式夹具，每次装卡试样的同轴度都是有差异的，只是在某一范围。如果由不同操作人员操作，其波动范围会更大。作为弹性模量Ｅ的测试，要求测试试样受力后所产生的真实应变，由于试样拉伸不同轴度是永恒的，而试样受力后两相对方向的应变量之和是相等的，所以要求测试Ｅ时，对于100mm试样测试，Ｅ值应采用双向平均引伸计。当然，对于能够保证试验受力同轴度很好的试验机，也可以采用单向引伸计。[font=

对于不同的试验对象，不仅应选用不同规格的引伸计，也还有一些相应的使用技巧。1、材料非比例屈服强度的测量：一般金属材料这两个参数的测量都在1%左右变形下完成。为了提高测量精度，就应选取较小（例如2%）变形测量范围的引伸计。如果没有这么小规格的引伸计也没有关系，使用5%或10%变形范围的引伸计只要以其2%的变形范围作为满量程进行准确标定，确定其精度满足使用要求就可以使用。事实上，一些相关测试软件就是把一个引伸计分成大、小几个变形测量范围，经标定后当成几个引伸计来使用的。2、材料弹性模量的测量：引伸计的选用与测量材料的非比例屈服强度基本相同。只是在标定和使用时更要仔细。其一，标距必须准确。标定时和使用时的标距误差将直接对应造成测量的误差。其二，引伸计的稳定性必须良好。有些引伸计在正常标定时完全满足精度要求，但停留在测量范围内某一点时就会有漂移，严重影响测量结果的准确度（当然这其中也可能是放大电路的稳定性不好）。其三，环境温度必须稳定，不要用工作台灯近距离照射试棒，热变形绝对不可忽视。其四，不可有弯曲应变混杂其中，否则将严重影响测量结果，必要时需要使用平均应变测量引伸计。其五，试棒的加工质量不可忽视。如果测量标距内材料有加工残余应力，那么本应是线弹性的力——变形曲线，就会由于存在残余拉应力的部分材料先期进入屈服状态，从而就会改变测试曲线的斜率，这也就影响了弹性模量的准确测量。其六，引伸计的刀口是易损件，它的磨损、尤其是卷刃，会严重影响测试结果。总之，弹性模量的测量不仅要求要有高精度的测试设备，还必须要有高精度的试棒。3、应变硬化指数n 的测量: 应变硬化指数n 的测量需要使用引伸计绘制拉伸曲线直到最大力Fm 附近，这就要求所使用的引伸计必须有足够大的测量范围，对于黑色金属，一般应该使用50%测量工作范围的引伸计。这一测试过程，对于塑性比较好的材料而言，只要稍加注意，能够在拉伸接近最大力点时适时卸下引伸计，就是安全的。但是，如果被测材料的塑性稍差，就要非常小心，必须保证在拉伸即将达到最大力时立即卸下引伸计，以保证不会因试棒断裂而打坏引伸计。对于使用橡皮筋固定引伸计者，可以使用锋利的小刀割断橡皮筋，以提高操作速度。4、使用引伸计绘制全曲线自动测量延伸率：实施中，是以记录下的断裂总伸长率At 来确定其断后伸长率A。所以要选用与试棒测量标距相同标距的引伸计。此种用法因为要使用引本文版权归新三思集团公司及作者本人所有，转载必究。伸计一直到试棒被拉断，所以，如不采取特殊措施将极易损坏引伸计。为此，试棒的稳固夹持至关重要。其一，必须使用液压夹头或螺纹犟紧连接，以保证试棒在断裂时不会沿轴向跳动，从而不会使引伸计过量张开和受到冲击。其二，试验机机架刚度要大（用大吨位试验机做小试棒），最好使用丝杠驱动或电液伺服式试验机，以保证试棒断裂时机架的弹性恢复变形尽量小，其移动夹头（横梁）的跳动也尽量的小，这同样是为了保证试棒在断裂时不会沿轴向跳动，从而不会使引伸计过量张开和受到冲击。其三，试棒不要太长。较长的试棒在断裂时弹性恢复的长度也大（注意：高强度和低弹性模量的材料也如此），同样在试棒断裂时会对引伸计产生冲击。需要说明的是，上述曲线的绘制现在多采用引伸计和位移计（编码器或直线电阻）接力测量的方式进行，这种方式对保护传感器很安全，也能满足一般测试的精度要求。但是使用位移计测量的那部分曲线现在多采用由位移量除以试棒的平行长度来折算其相应的应变值。这一计算方法是建立在拉伸力不再增加，因而机架的变形也不再增加，和试棒也仅仅是其平行长度内在不断伸长，而平行长度外则完全不伸长的假设条件下的。这一假设显然带有一定的正向误差。在这里，如果计算时的Lo 不是采用试棒的平行长度，而是将过渡圆弧部分也包括进来，或许会适当减小其折算误差。5、引伸计的安装固定：现在通常的引伸计安装固定方法是使用橡皮筋，使用橡皮筋在试棒上固定引伸计也有很多技巧，最主要的有以下四点。其一，松紧适度。一般是在把橡皮筋拉长到最大长度的80%左右或原始长度的4 倍左右下使用。其二，缠绕圈数适度，缠绕过少则缠绕力不够，刀口固定不牢；缠绕过多则可能在试棒产生较大变形时，刀口在橡皮筋与试棒的相对错动时被迫移位，使测试曲线产生跳动。经验表明以“Z”形缠绕（6 个单根）效果较好。如果橡皮圈的长度不合适，可以在其适当位置打结。其三，缠绕端正。缠绕的合力应与试棒垂直、与刀口在一条线上，否则会有分力拉动引伸计的臂产生不应有的转动，直接影响测试曲线的走向。其四，标距准确。一般静态引伸计都有标距长度定位杆，安装时只要是引伸计的两个臂张开到定位杆不受压、留有一定间隙即可，通常是留出0.5mm 左右间隙。如果没有留出这一间隙，使引伸计的两臂受到压迫，则拉伸曲线的开始阶段必然是应变讯号先向负向增加，直到两臂不再受压才会恢复正常。6、压缩试验的变形曲线绘制：压缩实验时引伸计的安装位置对测量值影响很大。此时其测量标距应该就是试样的高度，而引伸计的刀口又只能在上、下压板（压头）上的引出杆上得到固定。如此测量出的变形就不仅有试样本身的变形，它还包括上、下压板（压头）的变形和上、下压板（压头）与试样间结合间隙的消除。实践表明，有时后者的变形量比试样本身的变形还要大，绝对不可忽视。消除的办法是：首先在不装试样（仅仅不装试样，其它应有尽有）的情况下加载到可能达到的试验力，实测出这一加载系统的力——变形曲线。而后加装试样进行试验，对所测得的曲线用加载系统的力——变形曲线进行修正，即可得到被测试样的力——变形曲线。这里还需要强调的是，上、下压板（压头）必须有足够的刚度，它绝不能在加载过程中产生翘曲，因为上、下压板（压头）上的引出杆对这一翘曲会有极大的放大作用。另外，在压缩变形测量中，偏载对测试结果的影响也是非常大的，所以通常采用平均应变引伸计进行测量。7、变标距引伸计：有些实验室在测试中会根据需要不断的变换引伸计的标距长度，而配备过多的不同标距的引伸计是不现实的，此时只能使用变标距引伸计。变标距引伸计可以用普通引伸计经加装标距接长杆和可移动刀口来实现。需要注意的是：多数情况下，移动刀口较大范围改变标距后，需要对引伸计重新进行标定，以保证引伸计的准确度。

[align=center][b]金属材料拉伸试验中引伸计的选择[/b][/align][align=center][b] [/b][/align][align=center]中国船舶重工集团公司第七二五研究所 试验测试与计量技术研究中心 孙前进[/align][align=center] [/align][align=left] 中国船舶重工集团公司第七二五研究所（洛阳船舶材料研究所）试验测试与计量技术研究中心作为权威性的第三方检测实验室，长期碳素钢、不锈钢、镍基合金、钛合金、铜合金、铝合金及橡塑制品等各种材质拉伸试验。基于长期从事拉伸试验的经验，楼主简单说一下金属材料拉伸试验中引伸计的选择原则。[/align][align=left] 在金属材料拉伸性能测试过程中，应力与应变是相互依存的。任何材料，只要受到应力，就一定产生应变；只要产生应变，其一定受到了应力。引伸计是能够精确测定材料在特定应力条件下的应变数据，并且具备较高的分辨率与精确度的应变测试仪器。[/align][align=left] 引伸计主要用于测定相关材料在特定应变条件下所对应的应力数据。通过测试相应的应力-应变曲线，可以获得对应应变条件下材料的相关力学性能指标。而应力-应变曲线的测量，可以通过引伸计来测量材料应变的变化。[/align][align=left] 金属材料的拉伸性能测试项目主要包括：规定非比例延伸强度[i]R[sub]p[/sub][/i]（如[i]R[sub]p0.2[/sub][/i]、[i]R[sub]p1.0[/sub][/i]）、规定总延伸强度[i]Ｒ[sub]t[/sub][/i]（如[i]Ｒ[sub]t0.5[/sub][/i]）、规定残余延伸强度[i]Ｒ[sub]r[/sub][/i]（如[i]Ｒ[sub]r0.2[/sub][/i]）、屈服点延伸率[i]Ａ[sub]e[/sub][/i]、拉伸弹性模量[i]E[/i]、拉伸泊松比[i]μ[/i]以及材料应变硬化指数[i]n[/i]值和塑性应变比[i]r[/i]值。[/align][align=left] 金属材料的拉伸性能测试过程中，引伸计的选择要根据测试对象的应用要求来确定。主要包括弹性变形阶段应变的测试、弹塑性变形阶段（屈服阶段）应变的测试和塑性变形阶段应变的测试三个方面。[/align][align=left] （1）用于弹性变形阶段测试的引伸计主要指弹性模量[i]Ｅ[/i]、泊松比[i]μ[/i]及板状试样塑性应变比[i]r[/i]值的测试用引伸计。用于该阶段测试的纵向引伸计必须保证引伸计在1%的应变范围内具有较高的精确度。通常情况下，金属材料在弹性范围内的变形量很小，其应变值低于1%，因此用于该阶段测试的纵向引伸计在1%应变范围内具有足够的精确度。考虑到试验机同轴度的影响，弹性模量的测试最好选择双向平均引伸计。泊松比[i]μ[/i]及板状试样塑性应变比[i]r[/i]值的测试不仅需要使用高精度的纵向引伸计，测试过程中也应当在试样上装夹高精度的横向引伸计来测量试样横向的变形量。[/align][align=left] （2）用于弹塑性变形阶段（屈服阶段）测试的引伸计的选择主要指从弹性变形至屈服阶段范围内的应变的测量。金属材料弹塑性变形阶段的测试项目主要包括规定非比例延伸强度[i]R[sub]p[/sub][/i]、规定总延伸强度[i]Ｒ[sub]t[/sub][/i]、规定残余延伸强度[i]Ｒ[sub]r[/sub][/i]等数据。对于大多数金属材料而言，当材料发生2%的变形，在对应的应力-应变曲线上，可获得相应的[i]R[sub]p[/sub][/i]值、[i]Ｒ[sub]t[/sub][/i]值及[i]Ｒ[sub]r[/sub][/i]值，因此，要求相应的引伸计的测量范围应大于2%变形量，一般可选择5%或10%应变。[/align][align=left] （3）用于塑性变形阶段测试的引伸计选择主要指从弹性阶段拉伸直至较大塑性变形范围，或以至拉断的变形测量。该阶段的测试项目主要为拉伸硬化指数[i]ｎ[/i]值的测试和屈服点延伸率[i]Ａ[sub]e[/sub][/i]的测试。[i]n[/i]值和测量用[i]Ａ[sub]e[/sub][/i]值测量用轴向引伸计一般要求有较大的变形量，轴向引伸计的应变量程应大于20%，特别是对一些塑性较好的材料（如奥氏体不锈钢等），轴向引伸计的应变量不低于50%。轴向引伸计量程的选择，应根据待测试样的塑性的实际需要来选择合适的引伸计，且所用引伸计应具有抵抗试样断裂冲击的功能。[/align]