1 引言
在軍工材料檢測中，有很多材料需要測試其微小的塑性延伸強度Rp0.01，該值相當(dāng)于以往俗稱的比例極限σpo由于其近乎在彈性階段內(nèi)，所以試驗機的受力同軸度、試樣的裝卡狀態(tài)以及試樣的加工精度，都會對Rp0.01測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的影響。為此，在對該強度指標(biāo)測試中，應(yīng)保證試驗機具有良好的受力同軸度，并采用雙側(cè)平均引伸計測試。
2 Rp0.01與Rp0.2的關(guān)系
在規(guī)定塑性延伸強度中，引伸計在測試時引起的測量誤差對力值的影響一般不是成正比關(guān)系的，而是所測得塑性延伸率與力―變形曲線的截點曲率變化有關(guān)，尤其是對規(guī)定塑性延伸強度﹤Rp0.05影響最大，而對于Rp0.2則影響小得多。
由于無法得到力―變形曲線的數(shù)學(xué)表達式，就不能準(zhǔn)確地得到引伸計測量應(yīng)變的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（ΔLe）與力值的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（ΔFe）之間的關(guān)系。為得到兩者之間的近似關(guān)系，通過交截點與曲線作切線，與延伸軸的交角為a，則引伸計測量應(yīng)變的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（ΔLe）與引伸計對力值帶來的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（ΔFe）近似符合式（1）：
urel（ΔFe）=tgɑ•urel（ΔLe） （1）
在實際測量中，由于Rp0.01剛好處于彈性段與塑性段過濾處，改點與力―變形曲線的切線斜率ɑ角較小，帶來測量誤差比較小。圖1是紫銅試樣的拉伸曲線，可明顯看出Rp0.01的切線斜率ɑ角比Rp0.2大，因此在Rp0.01測試時，必需考慮該點切線斜率ɑ角的影響，從而也說明Rp0.01測試要比Rp0.2困難。
圖1 紫銅試樣的力―變形曲線
3 試驗設(shè)備和試樣的要求
3.1試驗機要求
試驗機夾持系統(tǒng)的同軸度要求：GB/T 16491-2008規(guī)定，0.5級試驗機的同軸度應(yīng)小于12%，1級試驗機的同軸度應(yīng)小于15%；GB/T 22315-2008規(guī)定：“試驗機夾持裝置應(yīng)能使試樣承受軸向力，在初軸向力與終軸向力之間，在各個方向上在試樣相對兩側(cè)測定的應(yīng)變變化量與其平均值之差的最大值（即最大彎曲應(yīng)變）不超過平均值3%。”
3.2 引伸計系統(tǒng)的要求
3.2.1 引伸計等級
GB/T 228要求：“引伸計的準(zhǔn)確度級別應(yīng)符合GB/T 12160的要求。測定規(guī)定塑性延伸強度，應(yīng)使用不劣于1級準(zhǔn)確度的引伸計”；GB/T 22315-2008規(guī)定，“引伸計應(yīng)按GB/T 12160進行體驗，其準(zhǔn)確度應(yīng)為0.5級或優(yōu)于0.5級”。
3.2.2 引伸計類型
GB/T 22315-2008規(guī)定，“測量試樣軸向變形時，使用能測量試樣相對兩側(cè)平均變形的軸向均值時，使用能測量試樣相對兩側(cè)平均變形的軸向均值引伸計，或在試樣相對兩側(cè)分別固定兩個軸向引伸計。”
圖2是在試樣兩側(cè)分別裝卡兩只單側(cè)引伸計繪制的力―變形曲線疊加圖，從中可看出，單側(cè)引伸計無法消去試驗機夾持系統(tǒng)不同軸的影響。若使用雙側(cè)平均引伸計，則可以消去試驗機夾持系統(tǒng)的偏心影響。圖3是單側(cè)引伸計測定Rp0.0 2和Rp0.2的試驗曲線，從測試數(shù)據(jù)可看到，Rp0.2相差0.1%，而Rp0.02相差達7.4%。對于測試塑性延伸率小于0.2%的塑性延伸強度，如Rp0.01、Rp0.05，采用雙側(cè)平均應(yīng)變引伸計是非常重要的。
圖2 兩只單側(cè)引伸計繪制的力―變形曲線疊加圖（廣州澳金實驗室提供）
圖3 單側(cè)引伸計測定Rp0.02和Rp0.2的影響（廣州澳金實驗室提供）
3.2.3 引伸計測量范圍
測量規(guī)定塑性延伸強度Rp時，引伸計所需的總變形量DL可由式（2）確定：
（2）
式中：εp為塑性延伸率，如Rp0.01，則εp=0.01%；E為所測材料的彈性模量；Le為引伸計標(biāo)距。
引伸計的測量范圍可按式（2）求得的變形量再加上0.2mm-0.3mm余量即可。
3.3 試樣的要求
GB/T 228要求，“試樣夾持端的形狀應(yīng)適合試驗機的夾頭。試樣軸線應(yīng)與力的作用線重合”。
如試樣的加持端與平行長度的尺寸不相同，它們之間應(yīng)以過度弧線連接。此弧的過度半徑的尺寸很重要，應(yīng)符合GB/T 228的要求。試樣平行長度Lc或試樣不具有過渡弧時，夾頭間的自由長度應(yīng)大于原始標(biāo)距Lo。對于圓形橫截面試樣，夾持端和平行長度之間的過度弧的最小半徑應(yīng)≧0.75d；對于板狀試樣，頭部與平行長度之間應(yīng)有過度半徑至少為20mm的過度弧相連接。
4 Rp0.01的測量技術(shù)
4.1 試樣裝卡要求
GB/T 228要求，“應(yīng)盡最大努力確保夾持的試驗受軸向拉力的作用，盡量減小彎曲”，這對測定規(guī)定塑性延伸強度時尤為重要；“為了得到直的試樣和確保試樣與夾頭對中，可以施加不超過規(guī)定強度或預(yù)期屈服強度的5%相應(yīng)的預(yù)拉力”。
4.2 引伸計裝卡要求
由于試樣加工狀態(tài)的不同、每次夾持試樣的狀態(tài)不同，試驗機夾持試樣時產(chǎn)生一定量的不同軸度，這樣試驗施加力時，在試樣上會產(chǎn)生附加彎矩，造成力―變形曲線彈性直線段的非直線性，從而影響塑性延伸強度的判斷，尤其對Rp0.01的測試影響更甚。
試驗機的夾持系統(tǒng)不可避免存在著不同軸度，而絕大多數(shù)試驗機上使用的引伸計基本上是單側(cè)結(jié)構(gòu)，單側(cè)結(jié)構(gòu)引伸計容易受夾具引起載荷偏心，造成F-DL曲線初始段有微彎現(xiàn)象。因此，單側(cè)引伸計對操作者裝卡的要求較高，且應(yīng)注意引伸計裝卡方向?qū)Σ牧狭W(xué)性能影響，以減少由引伸計裝卡方向引起偏心影響。
筆者曾在微機控制電子萬能試驗機上，用單側(cè)引伸計對低碳鋼試樣進行8個方向裝卡，繪制力—變形曲線，計算彈性模量。表1是單側(cè)引伸計8個方向裝卡的測試結(jié)果，根據(jù)試驗曲線和彈性模量實測數(shù)據(jù)，可以得出：單側(cè)引伸計平行于夾具的夾塊裝卡試驗結(jié)果較好，而引伸計垂直于夾具的夾塊裝卡試驗結(jié)果較差，兩者相差達4%
表1 引伸計裝卡方向?qū)椥阅Ａ繙y試的影響分析
注：引伸計前、后裝卡是垂直夾具的夾塊裝卡，引伸計左、右裝卡是平行夾具的夾塊裝卡。
④為了看出差異，彈性模量數(shù)字沒有按GB/T 22315-2008規(guī)定進行修約。
5 單雙引伸計的驗證試驗
筆者曾用單側(cè)引伸計和雙側(cè)引伸計進行測定Rp0.01的對比驗證試驗。為了便于試驗對比，同時在同一試樣上分別裝夾單側(cè)引伸計和雙側(cè)平均引伸計，引伸計標(biāo)距均為50mm。表2是單側(cè)引伸計和雙側(cè)引伸計測定Rp0.01的試驗數(shù)據(jù)。
從表2的試驗數(shù)據(jù)分析可得到：對于同一試樣，
單側(cè)引伸計與雙側(cè)平均引伸計對Rp0.01測試結(jié)果存在一定差異，黃銅最大相差2.6%，40Gr最大相差2.8%，硬鋁最大相差3.7%；當(dāng)一組試樣量足夠多時，這時單側(cè)引伸計與雙側(cè)平均引伸計測得的平均值較小，可以認為二者效果一樣。
6 結(jié)論
單側(cè)引伸計受試驗不同軸度造成負荷偏心的影響很大，而雙側(cè)平均引伸計則容易消除符合偏心所引起的誤差。故使用單側(cè)引伸計必須注意試驗機夾持系統(tǒng)的不同軸度，同時也要注意引伸計裝夾不當(dāng)帶來的誤差。建議在測Rp0.01時最好使用雙側(cè)平均引伸計。 |
