應(yīng)變式測試在殘余變形上的應(yīng)用

王培俠，王景琳，仲想生

（深圳萬測試驗設(shè)備有限公司，廣東 深圳 518101；2.中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引言

在金屬材料力學(xué)性能測試和研究中,需要測試的項目很多。如常溫拉伸，高溫短時拉伸、蠕變、斷裂韌性等。這些試驗主要是測量或控制試樣的應(yīng)力和應(yīng)變。隨著材料試驗機(jī)自動化程度的不斷提高，應(yīng)力和應(yīng)變的測量普遍采用電測量轉(zhuǎn)換成電量，再經(jīng)過放大器、顯示器或控制器來顯示.

1 殘余變形引伸計的結(jié)構(gòu)

圖1

殘余變形由卡具和彈性元件組成，卡具由刀刃、零位塊、引線塊、標(biāo)距桿、調(diào)節(jié)刀刃、夾緊滑塊、導(dǎo)向桿、夾緊螺桿結(jié)構(gòu)件組成，及左右兩部分結(jié)構(gòu)組成的電橋回路等組成[1]，見圖1。為減輕重量，彈性元件采用鈦合金，剛性臂采用鋁合金。

殘余變形與數(shù)字顯示儀連接，分兩個通道連接，儀表分兩個窗體顯示測量的數(shù)據(jù)；儀表可以與計算機(jī)通過R232接口連接，見圖2。

圖2

殘余變形引伸計適用范圍：殘余變形引伸計適用于鋼筋機(jī)械連接件拉伸或同軸度的測量,在試樣的兩側(cè)對稱的安裝兩個引伸計后，其中一個測量試樣的由于彎矩產(chǎn)生的拉伸變形，另外一個測量試樣的由于彎矩產(chǎn)生的壓縮變形。

2 應(yīng)變片的測試原理

(1)應(yīng)變片的測試原理[2]。將應(yīng)變片粘貼在被測物體上，使其隨著被測物體的應(yīng)變一起變形，這樣里面的金屬箔材就會隨著應(yīng)變伸長或縮短。很多金屬在機(jī)械性能上伸長或縮短時其電阻會隨之變化，應(yīng)變片就是應(yīng)用這個原理，通過測量電阻的變化而實現(xiàn)應(yīng)變的測量。應(yīng)變片的敏感絲柵是銅鉻合金，其電阻的變化率為常數(shù)，與應(yīng)變成正比例關(guān)系。

(2)應(yīng)變的測定方法。應(yīng)變片的測量方法大致分為機(jī)械、光學(xué)、電子測定法，每種方法都考慮到物體的應(yīng)變，從幾何學(xué)角度上表現(xiàn)為物體上兩點間的距離的變化，從而對其進(jìn)行測量。在物體材料的彈性系數(shù)已知的情況下，根據(jù)應(yīng)變計算出應(yīng)力。所以經(jīng)常通過測量應(yīng)變計算由于外力的作用在物體內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力。

（3）如何用應(yīng)變片測量應(yīng)變。拉伸金屬線時電阻會發(fā)生變化。根據(jù)試驗可知，很多金屬在彈性范圍內(nèi)（包括拉伸和壓縮）電阻變化率與應(yīng)變成正比例關(guān)系，把這種金屬絲柵貼在物體的表面，就可以通過測量電阻的變化來測量應(yīng)變。測量電阻的變化一般通過組成電橋回路，并通過放大器裝置放大，再經(jīng)過模擬轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號接入計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如：測量裝置可以對沖擊現(xiàn)象進(jìn)行測量，如行駛中的車輛，飛行中的飛機(jī)等各部位的變化應(yīng)力可以通過應(yīng)變片和測量裝置進(jìn)行初步的測量。

3 應(yīng)變片的測試?yán)碚揫2]

(1)應(yīng)力：是在施加的外力的影響下物體內(nèi)部產(chǎn)生的力，如：在柱體的上面向其施加外力P的時候，物體為了保持原形在內(nèi)部產(chǎn)生抵抗外力的力—內(nèi)力，此時內(nèi)力等于外力P，柱體的垂直應(yīng)力=外力P/截面積A ，即

(2)應(yīng)變：圓柱棒體拉伸的時候會產(chǎn)生伸長變形，伸長量△l，棒的長度則變?yōu)閘+△l，此時伸長量與原長的比所表示的伸長率就是應(yīng)變，即ε1＝，與外力同方向的伸長（或壓縮）方向上的應(yīng)變稱為軸向應(yīng)變。

（3）應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系：各種材料的應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系已經(jīng)通過試驗進(jìn)行了測定，應(yīng)力與應(yīng)變成直線關(guān)系的范圍內(nèi)胡克定律成立，σ＝E·ε或

（4）應(yīng)變片的測試

應(yīng)變片的測試采用韋斯通電橋（見圖3），韋斯通電橋適用于檢測電阻的微小變化，應(yīng)變片的電阻變化也可以用這個電路來測量，韋斯通電橋由四個電阻組合而成，如果 R1=R2=R3=R4或R1×R2=R3×R4，則無論輸入多大的電壓，輸出電壓e總為0，這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)，如果平衡狀態(tài)被破壞，就會產(chǎn)生與電阻變化相對應(yīng)的輸出電壓。

圖4中，將這個電路中的R1換成應(yīng)變片，有應(yīng)變產(chǎn)生時，應(yīng)變片電阻的變化量為△R，則輸出電壓e

圖3

從上式可以看出，如果測出電橋的輸出電壓就可以計算出應(yīng)變的大小。

電橋的構(gòu)成。上例電路中只聯(lián)入一個應(yīng)變片，時稱為單一應(yīng)變片法，除此之外，還有雙應(yīng)變片法及四應(yīng)變片法。

（5）應(yīng)變片測試在殘余變形上的應(yīng)用

殘余變形是由不均勻變形引起、各部分變形協(xié)調(diào)所需的、加工后卸載仍存留的彈性變形。拉伸斷裂后不可恢復(fù)的那段長度變形屬于塑性變形。殘余變形是工程理論概念，雖然也是卸載后不可恢復(fù)的變形，但是概念著重于結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)造成的整體變形，是相對于殘余應(yīng)力而產(chǎn)生的變形。常見的殘余變形有焊接殘余變形，由于熱脹冷縮的原因，在焊接后，焊件冷卻，造成收縮甚至是彎曲這種不可恢復(fù)的變形叫做殘余變形。

圖4

4 殘余變形引伸計應(yīng)變測試

應(yīng)變片組成的殘余變形引伸計由左右兩部分組成，左部分和右部分是完全獨立的兩個電橋，這樣在左右兩邊的伸長變形量不同的情況下，可以測出兩邊的變形量，這樣就可以比較兩邊伸長量的差異，測量兩邊伸長量，準(zhǔn)確地求出殘余變形量。

表1、表2、表3、表4是我們檢定的這種殘余變形引伸計的測量數(shù)據(jù)。

表1 殘余變形引伸計校準(zhǔn)記錄

表2 殘余變形引伸計校準(zhǔn)記錄

表3 殘余變形引伸計校準(zhǔn)記錄

表4 殘余變形引伸計校準(zhǔn)記錄

從以上校準(zhǔn)記錄得出：測試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值相比，進(jìn)程、回程誤差測量結(jié)果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)的重復(fù)性好

5 引伸計測量殘余變形量的分析

殘余變形量的測量屬于線性小變形量測量，殘余變形量的值一般小于100μm。對于受拉力作用的試樣，變形量如此小的情況下，試驗機(jī)的同軸度、試驗本身的同軸性等都會造成受拉試樣的相對兩側(cè)產(chǎn)生較大的變形偏差，如表5所示，變形量達(dá)到0.1 mm時，試驗機(jī)同軸度不同，兩相對側(cè)變形量的偏差情況。由表中可見，同軸度為20%時，兩側(cè)變形量的相對偏差已達(dá)到了40%，所以對于小變形量的測量，應(yīng)考慮試樣兩側(cè)變形量的偏差問題。

殘余變形的測量從結(jié)構(gòu)和試驗測試來看，我們采用左右兩邊獨立的兩個電橋，分別測出兩邊的變形量，然后通過計算兩側(cè)變形量的平均值，來求取殘余變形。通過采用試樣兩側(cè)平均變形量的測量方法，充分地考慮了設(shè)備的同軸度，及人為因素造成的測量結(jié)果誤差，這樣最終的測量結(jié)果不會因為一邊的測量值大，而引起殘余變形量大的問題。

6 結(jié)論

表5 同軸度不同造成試樣兩側(cè)的變形偏差值

通過以上試驗數(shù)據(jù)得知：應(yīng)變測試在殘余變形引伸計上的測試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值相比，進(jìn)回程誤差測量結(jié)果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，測量精度高，數(shù)據(jù)的重復(fù)性好。

通過應(yīng)變式測試在殘余變形上的應(yīng)用的結(jié)構(gòu)及理論研究分析、試驗數(shù)據(jù)的比對和測量變形量的分析，殘余變形引伸計上應(yīng)用應(yīng)變式測試很好地解決了JGJ107-2010《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于殘余變形測量需要專門研發(fā)測量器具的問題，并完美地解決了變形測量中變標(biāo)距、夾持不方便、左右不對稱、同軸度引起的變形偏差等的問題，且測量準(zhǔn)確度高，可十分方便地應(yīng)用在我公司及其它公司所生產(chǎn)的拉力機(jī)上。該殘余變形引伸計通過軟件可高效、自動地計算殘余變形，免去人工讀取數(shù)據(jù)引起的人為的誤差。其千分表測量精度高，且進(jìn)回程誤差測量結(jié)果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，精度高，該引伸計裝、夾、取方便快捷，是測量殘余變形十分理想的裝置。

[1]仲想生，尚學(xué)軍．π型電阻應(yīng)變式引伸計的理論分析[J]．傳感器世界，1998（4）．

[2]吳宗岱，陶寶琪．應(yīng)變測試原理與技術(shù)［M］．國防工業(yè)出版社，1982．