分享：拉伸试验机的刚度修正

程柄午,许鹤君 (上海材料研究所,上海 200437) 

摘 要:在拉伸试验过程中,不同的试样连接方式会对试验系统的整体刚度产生影响,在连续屈 服阶段的应变速率会超出标准规定的允许误差范围,对试验数据也会产生一定的影响。采用对比 试验的方法,可以有效地对横梁位移速率进行修正,并消除试验机刚度对拉伸试验的影响。所得结 果可以提高拉伸试验机的工作效率。

关键词:横梁位移速率修正;试验机刚度;试验效率 中图分类号:TG115.5;TB31 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)12-0043-04

在力学实验室日常测试工作中,比较常用的拉 伸试验方法是根据试样平行长度计算得到横梁位移 速率后,采用横梁位移速率控制来进行试验。该方 法通过规定横梁位移速率来控制试样的变形速率, 但在实际载荷的作用下,拉伸试验机与试样一起发 生微小变形,这就导致在拉伸过程中,试样的实际变 形速率达不到横梁位移速率。笔者采用一系列对比 试验的方法对横梁位移速率进行修正,从而消除试 验机刚度对拉伸试验的影响。 

1 试验机刚度的计算 

在进行拉伸试验时,可按照试验对象将整个试 验系统分为两大部分:第一部分为试样平行段,这一 部分为拉伸试验的试验对象;第二部分为试样平行 段两端的过渡弧以及拉伸试验机和其相连的试验用 工装。 整个试验系统满足式(1)。 δc =δp +δm (1) 式中:δc 为试验机横梁位移;δp 为试样平行段变形 量;δm 为试验机系统变形量。 第二部分满足式(2)。 δp =eLc (2) δm =F/Cm (3) 式中:e 为试样平行段的应变;Lc 为试样平行段的 长度;F 为拉力;Cm 为试验机系统的刚度。 将式(2)与式(3)代入式(1),得到 δc =eLc +C F m (4) 将式(4)对时间t求导,得到 vc = de dt Lc + d(F d / t Cm) (5) 式中:vc 为试验机横梁位移速率。 在试验机载荷允许的范围内,其各部件均发生 弹性变形,受力与变形呈线性关系,即试验机的刚度为定值。但是在实际试验过程中,研究对象为试样 平行段,但平行段两端过渡弧的微小塑性变形会对 第二部分的整体刚度产生一定影响,在达到规定塑 性延伸强度Rp0.2 时,过渡弧的塑性变形对整体刚度 不会有太大的影响。 式(5)可近似写为 vc = de dt Lc +C dF mdt (6) ISO 6892-1:2016 Metallic Material-Tensile Testing 中刚度的计算公式为 Cm = m·S0 vc ?e -Lc (7) 式中:m 为应力-应变曲线上给定点的斜率;S0 为试 样的原始横截面积;?e 为试样的应变速率。 在拉伸试验进行中的某一时刻,有 Cm = dF dε dS/dt dε/dt -Lc (8) 式中:ε为应变;S 为横梁位移;t为时间。 化简可得 Cm =dSdF Lcdε (9) 计算区间选择被测试样的弹性阶段,在试样与 试验机系统变形均为弹性变形的情况下,能较为准 确地计算拉伸试验机系统的刚度。 采用 316L 不 锈 钢 棒 材 和 两 台 电 子 拉 伸 试 验 机,分别用万向节螺纹连接工装(1 # 试验机)和平推 夹持螺纹工装(2 # 试验机)对刚度进行计算。对1 # 试验机进行系统刚度分析,结果如图1~3所示,取 3次刚度的平均值。 图1 刚度曲线1(1 # 试验机) 由图1~3可知:随着拉力的增加,曲线的斜率 逐渐增大,即随着试验机各部分以及试验工装之间 连接缝隙的消失和万向节的张紧,试验机的刚度增 图2 刚度曲线2(1 # 试验机) 图3 刚度曲线3(1 # 试验机) 加,达到一个定值时,刚度保持不变。 在屈服力范围内进行线性拟合,取3次平均值, 得到采用万向节螺纹连接工装(1 # 试验机)时的系 统刚度Cm 为30552N/mm。使用同样的方法,可 得到采用平推夹持螺纹工装(2 # 试验机)时的系统 刚度Cm 为92279N/mm。

2 连续屈服点Rp0.2 横梁位移速率修正

2.1 前置试验

将316不锈钢加工成标准圆棒拉伸试样,直径 为10mm,平行段长度为60mm。使用系统刚度较 好的试样连接方式(2 # 试验机),采用应变速率控制方法(闭环控制,应变速率设定为0.00025s -1)与等 效计算的横梁位移速率控制(开环控制,横梁位移速 率设定为0.9mm/min),得到应变速率控制的力-时 间曲线如图4所示,横梁位移速率控制的力-时间曲 线如图5所示,横梁位移速率控制的应变-时间曲线 如图6所示。 在1 # 试验机上再进行一次横梁位移速率控制 拉伸试验,横梁位移速率设定为0.9mm/min,得到 横梁位移速率控制的力-时间曲线如图7所示。横 梁位移速率控制的应变-时间曲线如图8所示。 进行以上两次试验时,设定的横梁位移速率均 为0.015mm/s。由图6,8可知:1 # 与2 # 两台拉伸 44试验机的系统刚度差别较大,可以发现,在1 # 试验 机上得到的屈服点应变速率为0.000172s -1,2 # 试 验机上得到的屈服点应变速率为0.000210s -1,在 达到屈服点时,两试样的屈服应变速率差别较大。 但是通过计算,能够发现屈服点得到的数据,即应变 速率。若想将屈服点的应变速率修正到标准规定 值,就需要对横梁位移速率进行修正。分别将3次 图8 横梁位移速率控制的应变-时间曲线(1 # 试验机) 试验得到的力速率 211.7,171.1,146.7N/s,Cm = 30552N/mm, de dt =0.00025s -1 代入到式(6)中进 行计算,得到修正后的横梁位移速率,分别得到3个 修正 横 梁 位 移 速 率 vc1 =1.335 mm/min,vc2 = 1.236mm/min,vc3 =1.118mm/min。

2.2 补充试验 

在1 # 拉伸试验机上,使用3次计算得到的修正 横梁位移速率各进行3次拉伸试验,共9次试验,结 果如图9~14所示。对每次试验的屈服点区间(偏置0.2%应变)进 行线性拟合,结果如表1所示。 在1 # 试验机上采用横梁位移速率1.335mm/min 得到的屈服点应变速率较符合预期,且采用刚度较 好的试验机进行试验的情况下,计算所得的横梁位结果。 表1 线性拟合结果(1 # 试验机) 横梁位移速率/ (mm·min -1) 应变速率/ (×10 -4s -1) 平均应变速率/ (×10 -4s -1) 1.118 2.25,2.13,2.19 2.19 1.236 2.45,2.50,2.33 2.43 1.335 2.52,2.57,2.46 2.52

3 横梁位移速率修正的应用

在实验室日常检测中,需要对横梁位移速率进 行修正,并有效地消除试验机刚度的影响,若想有效 地对刚度进行修正,首先需要较为准确地计算试验 机的刚度。针对电子拉伸试验机的刚度计算方法, 不同的试样夹持方式对试验系统刚度是有一定影响 的,例如:采取液压平推夹具试验机的刚度曲线较为 平直(见图14);对于采用楔形夹具试验机,其通过 预紧后,得到的刚度曲线也是较为理想的,若试验机 带有万向节结构或试验机与试样之间的连接工装间 隙较大,刚度曲线就会呈现图1~3所示的形式。在 进行横梁位移速率修正时,就需要取试样屈服时的 力所在区间来计算试验机的刚度。在设定同一横梁 位移速率的情况下,拉伸试验弹性段与屈服段的力 速率存在一定的联系[1],但是笔者对所在实验室的 历史数据分析后发现,屈服段的力速率不仅与试样 的尺寸形状以及材料有关,还与试验机刚度以及屈 服段力-时间曲线的趋势也有关系。

4 结语

(1)对于刚度较差的试验系统,横梁位移速率 与试样实际变形速率相差较大,需要对横梁位移速 率进行补偿以提高试验效率,同时令屈服点的应变 速率满足要求,以获得更加准确的结果。 (2)刚度较好的试验机得到的屈服点力速率能 够较准确地对横梁位移速率进行修正。

来源：材料与测试网