美標(biāo)和中國(guó)檢定規(guī)程的試驗(yàn)機(jī)同軸度測(cè)試方法對(duì)比

姜 虹, 沈 琪, 黃偉軍

[1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院, 上海 201114； 2.GTM計(jì)量測(cè)試技術(shù)(中國(guó))辦事處, 上海 200023]

材料試驗(yàn)機(jī)同軸度的好壞對(duì)材料性能測(cè)試結(jié)果的影響較大。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1012-2014和中國(guó)相關(guān)檢定規(guī)程都寫明了如何對(duì)試驗(yàn)機(jī)的同軸度進(jìn)行檢測(cè)[1],但是兩者的方法和溯源思路是不一樣的。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 23788:2012《金屬材料 疲勞試驗(yàn)機(jī)同軸度的檢驗(yàn)》也描述了同軸度檢測(cè)[2]，該標(biāo)準(zhǔn)類似于ASTM E1012，主要的區(qū)別在于ISO 23788：2012采用2層共8片應(yīng)變片，而ASTM E1012-2014采用3層共12片應(yīng)變片。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34104-2017等效采用了ISO 23788:2012[3]。

美標(biāo)和中國(guó)檢定規(guī)程的主要區(qū)別在試樣棒、方法過(guò)程、定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)量溯源等方面。為了驗(yàn)證這兩種方法檢驗(yàn)試驗(yàn)機(jī)同軸度的可靠性，筆者開展了比對(duì)測(cè)試工作，以此來(lái)確認(rèn)這兩種方法之間的差異。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)ASTM E1012-2014，4個(gè)應(yīng)變片位于試樣棒的不同方位的同一層，總共8片或者12片應(yīng)變片布置在試樣棒的第2層或者第3層，如圖1所示。

圖1 ASTM同軸度標(biāo)準(zhǔn)試樣棒示意圖Fig.1 Schematic diagram of the alignment standard specimen rod in ASTM

用于檢測(cè)同軸度的裝置包含標(biāo)準(zhǔn)試樣棒和12通道數(shù)采系統(tǒng)和分析軟件。這套裝置由德國(guó)ZwickRolle集團(tuán)制造提供。

用一臺(tái)精度等級(jí)為0.5的50 kN的材料試驗(yàn)機(jī)來(lái)執(zhí)行此次的比對(duì)試驗(yàn)。多通道數(shù)采系統(tǒng)為QuantumX type MX1615B型多通道數(shù)采系統(tǒng)，激勵(lì)電壓為10 V全橋設(shè)置。該設(shè)備一共有12路通道，對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)試樣棒上的12片應(yīng)變片。

根據(jù)中國(guó)檢定規(guī)程JJG 475-2008《電子試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程》和JJG 556-2011《單軸疲勞試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程》,同軸度檢定裝置是一套雙引伸計(jì)[4-5]。雙引伸計(jì)顧名思義就是有兩個(gè)引伸計(jì)。一個(gè)安裝在被檢試棒的左側(cè)，而另一個(gè)安裝在右側(cè)。引伸計(jì)是用來(lái)測(cè)量在拉伸過(guò)程中試棒的延伸量。如果試驗(yàn)機(jī)的同軸度是理想的話，那么理論上說(shuō)兩個(gè)引伸計(jì)測(cè)出來(lái)的試棒的延伸量是一樣的。

1.2 試樣棒制備

試樣棒的具體信息見表1，試樣棒尺寸如圖2所示。

表1 試樣棒的信息Tab.1 Information of the specimen rod

圖2 試樣棒的尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of dimension of the specimen rod

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 根據(jù)美標(biāo) ASTM E1012-2014

(1) 把標(biāo)準(zhǔn)試樣棒上端夾持住，信號(hào)清零，然后夾持下端。機(jī)器先施加一個(gè)很小的力，檢查所有12路信號(hào)是否正常反應(yīng)，然后卸載。

(2) 平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)機(jī)器施加到機(jī)器滿量程的4%,6%和8%，也就是2 kN,3 kN和4 kN。計(jì)算機(jī)軟件會(huì)分別記錄在這3個(gè)載荷點(diǎn)時(shí)候的信號(hào)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析計(jì)算。(美標(biāo)原版上要求施加滿量程的10%,20%和40%，為方便比對(duì)，該次試驗(yàn)只加載到滿量程的4%,6%和8%)。

(3) 把載荷卸載到0，將標(biāo)準(zhǔn)試樣棒轉(zhuǎn)到180°位置，然后按照上述步驟再一次操作。

(4) 把載荷卸載到0，將標(biāo)準(zhǔn)試樣棒從180°方位轉(zhuǎn)回到初始位置，然后按照步驟2再一次操作。

1.3.2 根據(jù)中國(guó)檢定規(guī)程

(1) 把試樣棒兩端都夾持住。

(2) 加載一個(gè)力(機(jī)器滿量程的0.5%)，然后把雙引伸計(jì)對(duì)稱安裝在試樣棒上，如圖3所示,驅(qū)動(dòng)機(jī)器到滿量程的1%載荷，然后把信號(hào)清零。平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)機(jī)器加載到滿量程的10%,這個(gè)過(guò)程稱之為預(yù)加載。如此重復(fù)3次。

(3) 把載荷卸載到0，然后加載到1%載荷，并且把雙引伸計(jì)信號(hào)清零。然后平穩(wěn)加載到機(jī)器的4%,6%和8%，記錄所有數(shù)據(jù)。(原本是加載到4%,6%,8%和10%,為方便地對(duì)該次試驗(yàn)簡(jiǎn)化為4%,6%和8%)。

(4) 把雙引伸計(jì)拆卸，然后更換位置到如圖3所示處。重復(fù)步驟2和3的操作。

圖3 雙引伸計(jì)的位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of positions of double extensometer

2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)美標(biāo)ASTM E1012-2014,按柱狀標(biāo)準(zhǔn)試樣棒的計(jì)算公式計(jì)算出了中間一層應(yīng)變片的數(shù)據(jù)，見表2?？梢姷玫降淖钚〉膹澢葦?shù)據(jù)為10.7%，在加載力為4 kN(機(jī)器50 kN的8%載荷點(diǎn))時(shí)得到。

表2 ASTM標(biāo)準(zhǔn)試樣棒中間層應(yīng)變片的數(shù)據(jù)Tab.2 Data of interlayer strain gauge in the ASTM standard specimen rod

根據(jù)中國(guó)規(guī)程的計(jì)算公式，計(jì)算出了同軸度的數(shù)據(jù)，見表3。

表3 采用中國(guó)檢定規(guī)程測(cè)得的同軸度數(shù)據(jù)Tab.3 Alignment data measured by China calibration guideline

對(duì)比表2和表3可知,采用美標(biāo)測(cè)得的彎曲度數(shù)值幾乎是采用中國(guó)檢定規(guī)程測(cè)得的同軸度數(shù)值的兩倍。

3 討論

對(duì)于同軸度的定級(jí)，美標(biāo)和中國(guó)檢定規(guī)程是不同的。美標(biāo)只提同軸度等級(jí)，而不是試驗(yàn)機(jī)的等級(jí)。而中國(guó)規(guī)程規(guī)定不同精度等級(jí)的試驗(yàn)機(jī)對(duì)應(yīng)不同等級(jí)的同軸度指標(biāo)。美標(biāo)定級(jí)為5,8,10級(jí),對(duì)應(yīng)的彎曲度為5%,8%,10%;中國(guó)檢定規(guī)程定級(jí)為0.5,1,2級(jí),對(duì)應(yīng)的同軸度為12%,15%,20%。

該次試驗(yàn)并沒(méi)有按照美標(biāo)要求施加足夠的載荷，因而不能得出結(jié)論說(shuō)彎曲度10.7%就不滿足試驗(yàn)機(jī)等級(jí)10級(jí)。該次試驗(yàn)的同軸度表明試驗(yàn)機(jī)滿足0.5級(jí)，因?yàn)橥S度10.3%,符合標(biāo)準(zhǔn)要求的12%。

另外一個(gè)討論點(diǎn)是關(guān)于計(jì)量溯源。ASTM E1012-2014上說(shuō)：“標(biāo)準(zhǔn)試樣棒的計(jì)量溯源并不做要求，但在加工制造標(biāo)準(zhǔn)試樣棒的時(shí)候要非常注意和小心?！边@意味著，只有多通道數(shù)采是需要校準(zhǔn)溯源的。

對(duì)多通道數(shù)采進(jìn)行了校準(zhǔn)，具體數(shù)據(jù)見表4。標(biāo)準(zhǔn)值和顯示值之間的偏差小于-0.3%,這是相當(dāng)理想的。

表4 多通道數(shù)采校準(zhǔn)數(shù)據(jù)Tab.4 Multi channel data acquisition calibration data

中國(guó)檢定規(guī)程的雙引伸計(jì)的校準(zhǔn)很容易，只要用標(biāo)準(zhǔn)引伸計(jì)(微分尺)對(duì)這兩個(gè)引伸計(jì)逐一進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)就好，可以溯源到長(zhǎng)度基準(zhǔn)。也就是說(shuō)，中國(guó)檢定規(guī)程的同軸度裝置完全可以計(jì)量溯源。

4 結(jié)論及建議

美標(biāo)和中國(guó)規(guī)程的同軸度檢測(cè)的主要區(qū)別在定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、裝置(試樣棒)及操作方法過(guò)程和計(jì)量溯源等方面。

筆者認(rèn)為美標(biāo)對(duì)于同軸度的檢驗(yàn)方法更加全面完整，但缺乏完善的計(jì)量溯源方式。而中國(guó)檢定規(guī)程的優(yōu)點(diǎn)在于易操作，同時(shí)能保障計(jì)量溯源。但是雙引伸計(jì)法具有先天的不足，即不能同時(shí)保障試樣棒在全方位反映出試驗(yàn)機(jī)同軸度。

中國(guó)的金屬材料拉伸試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1已經(jīng)到了修訂階段，建議此標(biāo)準(zhǔn)的修訂者關(guān)注同軸度檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。