材料試驗(yàn)機(jī)同軸度對材料性能的影響分析

鄭 輝，張 濤，王 鵬

（天津市計量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津 300192）

1 前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步提升，制造業(yè)在國內(nèi)的發(fā)展十分迅速，高端制造業(yè)對材料的要求也愈發(fā)嚴(yán)格，而材料試驗(yàn)機(jī)則是對各種材料和結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度、疲勞等機(jī)械性能測試、試驗(yàn)、合格性判斷的重要工具。材料試驗(yàn)機(jī)的計量性能必須處于良好的狀態(tài)，其測試數(shù)據(jù)才具有準(zhǔn)確性和可靠性，因此，國家計量檢定規(guī)程規(guī)定材料試驗(yàn)機(jī)必須進(jìn)行周期檢定來保證其數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

材料試驗(yàn)機(jī)同軸度是試驗(yàn)機(jī)檢定的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其指的是試驗(yàn)機(jī)施加試驗(yàn)力時，上、下夾頭的中心線與試驗(yàn)機(jī)拉力軸線的重合程度。由于設(shè)計、加工、安裝、使用等多方面因素的影響，材料試驗(yàn)機(jī)不可避免地存在同軸度誤差[1]。在材料力學(xué)性能測試中，試驗(yàn)機(jī)受力同軸度對試驗(yàn)結(jié)果的影響極大，尤其是對彈性模量E、規(guī)定小應(yīng)變塑性延伸強(qiáng)度以及脆性材料的測試，同軸度誤差將對裝配的試樣加載額外的非軸向力而產(chǎn)生彎曲，并形成一定的附加應(yīng)力，因此，同軸度是決定材料試驗(yàn)機(jī)性能的重要指標(biāo)。

2 同軸度對材料拉伸強(qiáng)度的影響

在對試樣做性能試驗(yàn)時,要取得試樣準(zhǔn)確可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不僅要求試驗(yàn)機(jī)的測力示值誤差小，而且還要求試驗(yàn)機(jī)的同軸度達(dá)到一定的要求。

2.1 幾何同軸度

在試樣不受力的情況下,使用量具用幾何的方法測量出上、下夾頭之間的幾何中心線與加載軸線的偏離程度，為幾何同軸度，如圖1所示。

圖1 幾何同軸度示意圖

在公式（1）中，α角表示幾何同軸度。當(dāng)α角越大時，測得的試樣抗拉強(qiáng)度越差。

式（1）中：σb（α=0）為真實(shí)抗拉強(qiáng)度；σb（α≠0）為試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度[2]。

2.2 受力同軸度

試樣在受力狀態(tài)下，用同軸度測試儀測出的同軸度稱為受力同軸度。受力同軸度主要反映了試樣斷面上的應(yīng)力不均勻程度。受力同軸度越大，試樣斷面上的應(yīng)力越不均勻，測得試樣的性能越低于其真實(shí)值。同軸度計算公式為：

式（2）中：e為加力系統(tǒng)中上、下夾頭的中心線與試驗(yàn)機(jī)加力軸線的同軸度，%；△Lmax為在同一測量點(diǎn)、同一次測量中檢驗(yàn)試樣較大一側(cè)的變形值，mm；為在同一測量點(diǎn)，同一次測量中，檢驗(yàn)試樣兩側(cè)變形的算術(shù)平均值，mm。

同軸度的偏差容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不準(zhǔn)確，因此，在使用試驗(yàn)機(jī)對材料進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)時，必須保證同軸度的準(zhǔn)確，這就需要試驗(yàn)機(jī)檢定過程中對同軸度的檢定做到準(zhǔn)確。

3 同軸度校準(zhǔn)方法

當(dāng)前，在各現(xiàn)行有效的規(guī)程規(guī)范包括JJG 139—2014《拉力、壓力和萬能試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程》在內(nèi)，規(guī)定的材料試驗(yàn)機(jī)的同軸度的檢測方法大多有兩種類型，即同軸度檢查和同軸度檢定。

3.1 同軸度檢查

幾何同軸度是利用百分表、水平儀或其他測量工具在不受力狀態(tài)下利用幾何方法測出的同軸度，對于試驗(yàn)力不大于30 kN的試驗(yàn)機(jī)，使用重錘和配套定心盤進(jìn)行檢查，定心盤中心刻有φ2 mm的圓，檢查時，先將錐形重錘懸掛在上夾具中心處，定心盤固定在下夾具中心。移動活動夾具，使試驗(yàn)空間不小于500 mm，調(diào)節(jié)懸掛線長度，并使錘尖盡量接近定心盤盤面，檢查錘尖是否落在規(guī)定直徑圓內(nèi)。

3.2 同軸度檢定

受力同軸度是由安裝在上下夾頭之間的試樣，在受力的狀態(tài)下測出的同軸度。具體方法如下：對于最大試驗(yàn)力大于30 kN的試驗(yàn)機(jī)，選擇合適的檢驗(yàn)試樣，使用同軸度測試儀（或其他相應(yīng)準(zhǔn)確度的測量裝置）進(jìn)行檢定，檢定時，先將檢驗(yàn)試樣夾持在夾頭上，并施加試驗(yàn)機(jī)最大試驗(yàn)力約1%的初始力，調(diào)整同軸度測力儀的零點(diǎn)，再施加試驗(yàn)力至最大試驗(yàn)力的4%，同時注意檢驗(yàn)中使用的最大力不應(yīng)使檢驗(yàn)試樣產(chǎn)生塑性變形，測量試樣相對兩側(cè)的彈性變形，在相互垂直的方向上各測3次[3]。

4 同軸度的調(diào)整方法

在試驗(yàn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)中，單個夾頭夾持同軸度是描述同心棒中心線與夾頭夾持中心線重合的程度，e、Δ值小說明單個夾頭同軸度好。在調(diào)整試驗(yàn)機(jī)同軸度時，因立柱、橫梁鎖緊方式已定，要改動比較困難，調(diào)整單個夾頭夾持同軸度是關(guān)鍵。依據(jù)檢定規(guī)程要求，試驗(yàn)機(jī)同軸度要求500 mm長時，e為2 mm，所以單個夾頭夾持同軸度e值盡量小。e值大，說明同心棒中心線與夾頭夾持中心線位移大，說明兩夾頭塊不一致或左右夾頭塊的基角不一致，可改變基角加以修正。測量試驗(yàn)機(jī)的同軸度，目的是要尋找和得到較好的夾頭同軸度。從試驗(yàn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)看，活動橫梁兩端與立柱間的間隙是關(guān)鍵，間隙兩端不一致會引起橫梁升降時，橫梁傳感器基面不平行，直接影響上夾頭夾持傾斜。在調(diào)整兩端間隙時，可以在活動橫梁上放一水平儀，其間隙調(diào)整至活動橫梁升降自如，并且水平儀的水平變化盡量小，這是保證上下夾頭同軸度的基礎(chǔ)。其實(shí)這個環(huán)節(jié)出廠時已調(diào)得差不多，使用者應(yīng)該在更換夾頭時或在更換夾頭塊后，注意測量和調(diào)整上下夾頭的同軸度[4]。

5 結(jié)論

本文通過對材料試驗(yàn)機(jī)同軸度的分析，總結(jié)了同軸度對材料拉伸強(qiáng)度兩種不同影響的方式，包括幾何同軸度和受力同軸度的影響，介紹了計量部門對于試驗(yàn)機(jī)同軸度的檢定方法，最后給出試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行材料性能實(shí)驗(yàn)時同軸度的調(diào)整方法，以減小同軸度誤差對材料性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。