彈性模量是工程材料重要的性能參數(shù)之一，從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度；從微觀角度來說，彈性模量則是原子、離子或分子之間鍵合強度的反映?？傮w來說，金屬材料的彈性模量是一個對組織不敏感的力學性能指標，合金化、熱處理等對彈性模量的影響較小。彈性模量與原子間作用力（應力）、原子間距（應變）有關，原子間作用力決定金屬原子本性和晶格類型。對于單晶材料，呈現(xiàn)各向異性，對于多晶材料，呈現(xiàn)各向同性，各向異性材料的彈性模量在各個方向測出的結果迥異，而各向同性材料的彈性模量在各個方向測出的結果是相同的。

 

準確測量材料的彈性模量對工程應用來說顯得尤為重要，而影響彈性模量測量準確性的因素很多，其中最重要的一個因素就是拉伸試驗機的同軸度。來自力試（上海）科學儀器有限公司的王斌、胡國林、郭釗三位研究人員采用不同同軸度的拉伸試驗機，對比了單側引伸計和雙側引伸計測量金屬材料彈性模量的結果，給廣大檢測人員提供參考。

 

1 試驗材料與試驗設備

 

1.1 試驗材料

 

試驗材料為Q235普通碳素結構鋼。拉伸試樣直徑為(10±0.03) mm。

 

1.2 試驗參數(shù)

 

采用0.00007s-1的速率進行拉伸試驗，應力范圍為20~80MPa。

 

1.3 影響試驗數(shù)據(jù)的因素分析

 

采用單軸拉伸的方法測量金屬材料的彈性模量具有操作方便、數(shù)據(jù)可溯源及設備保有量大等優(yōu)點，該方法在工程領域得到了廣泛的應用。但采用單軸拉伸的方法測量金屬的彈性模量將因為以下幾個方面的原因，導致結果的離散性非常大。

 

1.3.1 變形測量裝置的分辨率

 

變形測量裝置的選用會對彈性模量產(chǎn)生巨大的影響，現(xiàn)階段而言，位移測量計、拉線編碼器、引伸計都是試驗機上可能選用的變形測量裝置，但引伸計的分辨率會更高，一般可以達到最大變形量的1/5000000，可以測出微小的變形。引伸計的主要用途就是用來求取彈性模量及非比例應力，一般的材料在彈性段變形量都不會很大，但如果選擇變形量程較大的引伸計會導致小信號的測量精度降低，這就人為地增大了應變的測量誤差，會影響彈性模量的求取精度。

 

1.3.2 系統(tǒng)的采樣頻率

 

采樣頻率，定義了每秒從連續(xù)信號中提取并組成離散信號的采樣個數(shù)，采樣頻率對彈性模量的影響主要在于彈性段起點和終點的選取。如果采樣頻率太低，則試驗完成以后的原始數(shù)據(jù)會偏少，彈性段起點終點的選擇會沒那么精準（會在設定區(qū)間的附近選擇特征點），這樣就會產(chǎn)生誤差。因此，采樣頻率越高，彈性模量越接近理論值。該次試驗采用了LE系列和LD系列兩種型號拉伸試驗機，其中LE系列設備的采樣頻率可以到2500Hz，該次試驗采用100Hz，而LD系列設備采樣頻率最高為120Hz，該次試驗采用30Hz。

 

1.3.3 系統(tǒng)的同軸度

 

ISO 6892.1：2019《Metallic Materials Tensile Testing-Part 1：Method of Test at Room Temperature》增加了單軸拉伸試驗測量金屬彈性模量部分的內(nèi)容，正在修訂的GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》也將增加規(guī)范性目錄G通過單軸拉伸試驗測定金屬材料彈性模量的內(nèi)容。由于拉伸試驗機的同軸度會對彈性模量的結果產(chǎn)生顯著影響，因此ISO 6892.1：2019對拉伸試驗機的同軸度要求較高。

 

測量金屬材料的彈性模量，如果采用單側夾持變形測量裝置，這時候如果設備同軸度不好的話就會導致試樣裝上以后會有傾斜，與試驗的加載力方向也會不在一條軸線上，會對應力與應變測量的準確性產(chǎn)生較大影響。前述的規(guī)范性目錄G(通過單軸拉伸試驗測量金屬材料彈性模量)并沒有對設備的同軸度進行嚴格的規(guī)定，可能是考慮目前大量使用的拉伸試驗機不能滿足上述要求。

 

使用試樣兩側測量應變的引伸計可以在很大程度上降低同軸度對彈性模量測量的影響。系統(tǒng)同軸度的測量采用LAT型同軸度校準系統(tǒng)，該系統(tǒng)的原理如下：通過檢測貼附于安裝在待校準同軸度的試驗機設備上的試樣四周應變片的應變，計算試樣在上、中、下各處的彎曲信息，進而推導出同軸度在橫縱方向上的角度偏差和中心位置偏差，并給出操作者量化的校準建議，最終使得同軸度滿足相關要求。LAT型同軸度校準系統(tǒng)校準和調(diào)整試驗機同軸度的最小能力為ASTM 1012 Class 5。

 

1.4 試驗設備的選用及變形測量裝置介紹

 

1.4.1 試驗設備

 

選取力試公司的LD24.104型和LE5105型拉伸試驗機進行拉伸試驗。LE系列相對于LD系列來說，LE系列設備增加了對中環(huán)，可以對設備的同軸度進行更高精度的調(diào)節(jié)。

 

1.4.2 變形測量裝置

 

采用Y100/2型雙邊引伸計作為變形測量裝置，其標距為100mm，行程為2mm。該型引伸計變形量較小，小變形的精度高。同時采用兩側引伸計單邊的數(shù)據(jù)和兩側的平均數(shù)據(jù)計算試樣加載時的彎曲率，來對比不同型號拉伸試驗機的同軸度水平。

 

2 試驗結果與分析

 

2.1 試驗設備的同軸度對比

 

彎曲率e的計算式如下：

 

 

式中：e為上下夾頭的中心線與試驗機加力軸線的彎曲率；ΔLmax為在同一測力點，同一次測量中，檢測試樣變形量較大一側的變形量；ΔL為同一測力點，同一次測量中，檢測試樣兩側變形的算術平均值。

 

LD24.104型及LE5105型拉伸試驗機的彎曲率結果見表1。通過試樣在不同的試驗力作用下，兩側引伸計在左右、前后、偏左45°、偏右45°的方向分別進行3次數(shù)據(jù)統(tǒng)計，以平均值依據(jù)式（1）計算出兩種型號拉伸試驗機的彎曲率。由表1可知，LE5105型拉伸試驗機的同軸度明顯好很多，這是因為該型拉伸試驗機增加了對中環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的緣故。

 

表1 LD24.104型及LE5105型拉伸試驗機的彎曲率結果

 

 

2.2 彈性模量

 

為了避免鉗口的不同而影響試樣的受力，減少不必要的人為因素或者硬件因素對試驗數(shù)據(jù)的影響，該次試驗采用標定設備同軸度的同樣夾塊。同時考慮到不同試樣的尺寸、直線度、同軸度都會有差距，因此該次試驗均采用同一根試樣在彈性段進行拉伸試驗，用于測定彈性模量，盡最大可能降低其他因素對試驗機同軸度以及測量數(shù)據(jù)準確性的影響。

 

表2 LD24.104型及LE5105型拉伸試驗機測得的彈性模量的統(tǒng)計結果

 

 

表2為LD24.104型和LE5105型拉伸試驗機在20～80MPa應力范圍測得的彈性模量的統(tǒng)計結果。由表2可知，加裝了對中環(huán)的LE5105型拉伸試驗機測得的彈性模量的標準差和離異系數(shù)比LD24.104型拉伸試驗機測得的更低。圖1和圖2分別為LD24.104型和LE5105型拉伸試驗機測得的彈性模量的離散分析圖。

 

 

圖1 LD24.104型拉伸試驗機測得的彈性模量的離散分析圖

 

 

圖2 LE5105型拉伸試驗機測得的彈性模量的離散分析圖

 

在同軸度不好的情況下，如果采用單側引伸計，測得的彈性模量與理論值有很大差距，而采用雙側引伸計取平均值的方法測得的彈性模量更接近理論值。采用較好同軸度的拉伸試驗機，在相同的試樣、相同的變形測量裝置和相同的試驗步驟下，單側引伸計測得的彈性模量也是比較接近理論值的。采用雙側引伸計取平均值的方法測得的彈性模量則是更接近理論值。

 

3 結論及建議

 

同軸度對采用單側引伸計測量彈性模量的影響顯著，建議采用雙側引伸計來測量彈性模量。如果采用單側引伸計測量彈性模量，應該選擇彎曲率在3%以內(nèi)的同軸度較好的拉伸試驗機。

 

GB/T 228.1—2010的修訂將增加規(guī)范性附錄G，通過單軸拉伸試驗測定金屬材料的彈性模量。希望標準制定者在修訂附錄G時充分考慮拉伸試驗機的同軸度對彈性模量的影響。