在力學(xué)實(shí)驗(yàn)室日常測(cè)試工作中，比較常用的拉伸試驗(yàn)方法是根據(jù)試樣平行長度計(jì)算得到橫梁位移速率后，采用橫梁位移速率控制來進(jìn)行試驗(yàn)。該方法通過規(guī)定橫梁位移速率來控制試樣的變形速率，但在實(shí)際載荷的作用下，拉伸試驗(yàn)機(jī)與試樣一起發(fā)生微小變形，這就導(dǎo)致在拉伸過程中，試樣的實(shí)際變形速率達(dá)不到橫梁位移速率。來自上海材料研究所的程柄午、許鶴君兩位研究人員采用一系列對(duì)比試驗(yàn)的方法對(duì)橫梁位移速率進(jìn)行修正，從而消除試驗(yàn)機(jī)剛度對(duì)拉伸試驗(yàn)的影響。
1 、試驗(yàn)機(jī)剛度的計(jì)算
在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，可按照試驗(yàn)對(duì)象將整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)分為兩大部分：第一部分為試樣平行段，這一部分為拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)對(duì)象；第二部分為試樣平行段兩端的過渡弧以及拉伸試驗(yàn)機(jī)和其相連的試驗(yàn)用工裝。
整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)滿足式(1)。
第二部分滿足式(2)。
將式(2)與式(3)代入式(1)，得到
將式(4)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，得到
在試驗(yàn)機(jī)載荷允許的范圍內(nèi)，其各部件均發(fā)生彈性變形，受力與變形呈線性關(guān)系，即試驗(yàn)機(jī)的剛度為定值。但是在實(shí)際試驗(yàn)過程中，研究對(duì)象為試樣平行段，但平行段兩端過渡弧的微小塑性變形會(huì)對(duì)
第二部分的整體剛度產(chǎn)生一定影響，在達(dá)到規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2時(shí)，過渡弧的塑性變形對(duì)整體剛度不會(huì)有太大的影響。
式(5)可近似寫為
ISO 6892-1：2016 Metallic Material-Tensile Testing中剛度的計(jì)算公式為
在拉伸試驗(yàn)進(jìn)行中的某一時(shí)刻，有
化簡可得
計(jì)算區(qū)間選擇被測(cè)試樣的彈性階段，在試樣與試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)變形均為彈性變形的情況下，能較為準(zhǔn)確地計(jì)算拉伸試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的剛度。
采用316L不銹鋼棒材和兩臺(tái)電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，分別用萬向節(jié)螺紋連接工裝(1#試驗(yàn)機(jī))和平推夾持螺紋工裝(2#試驗(yàn)機(jī))對(duì)剛度進(jìn)行計(jì)算。對(duì)1#試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)剛度分析，結(jié)果如圖1~3所示，取3次剛度的平均值。
由圖1~3可知：隨著拉力的增加，曲線的斜率逐漸增大，即隨著試驗(yàn)機(jī)各部分以及試驗(yàn)工裝之間連接縫隙的消失和萬向節(jié)的張緊，試驗(yàn)機(jī)的剛度增加，達(dá)到一個(gè)定值時(shí)，剛度保持不變。
在屈服力范圍內(nèi)進(jìn)行線性擬合，取3次平均值,得到采用萬向節(jié)螺紋連接工裝(1#試驗(yàn)機(jī))時(shí)的系統(tǒng)剛度Cm為30552N/mm。使用同樣的方法，可得到采用平推夾持螺紋工裝(2#試驗(yàn)機(jī))時(shí)的系統(tǒng)剛度Cm為92279N/mm。
2 、連續(xù)屈服點(diǎn)Rp0.2橫梁位移速率修正
2.1 前置試驗(yàn)
將316不銹鋼加工成標(biāo)準(zhǔn)圓棒拉伸試樣，直徑為10mm，平行段長度為60mm。使用系統(tǒng)剛度較好的試樣連接方式(2#試驗(yàn)機(jī))，采用應(yīng)變速率控制方法(閉環(huán)控制，應(yīng)變速率設(shè)定為0.00025s-1)與等效計(jì)算的橫梁位移速率控制(開環(huán)控制，橫梁位移速率設(shè)定為0.9mm/min)，得到應(yīng)變速率控制的力-時(shí)間曲線如圖4所示，橫梁位移速率控制的力-時(shí)間曲線如圖5所示，橫梁位移速率控制的應(yīng)變-時(shí)間曲線如圖6所示。
在1#試驗(yàn)機(jī)上再進(jìn)行一次橫梁位移速率控制拉伸試驗(yàn)，橫梁位移速率設(shè)定為0.9mm/min，得到橫梁位移速率控制的力-時(shí)間曲線如圖7所示。橫梁位移速率控制的應(yīng)變-時(shí)間曲線如圖8所示。
進(jìn)行以上兩次試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定的橫梁位移速率均為0.015mm/s。由圖6，8可知：1#與2#兩臺(tái)拉伸試驗(yàn)機(jī)的系統(tǒng)剛度差別較大，可以發(fā)現(xiàn)，在1#試驗(yàn)機(jī)上得到的屈服點(diǎn)應(yīng)變速率為0.000172s-1，2#試驗(yàn)機(jī)上得到的屈服點(diǎn)應(yīng)變速率為0.000210s-1，在達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，兩試樣的屈服應(yīng)變速率差別較大。但是通過計(jì)算，能夠發(fā)現(xiàn)屈服點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)，即應(yīng)變速率。若想將屈服點(diǎn)的應(yīng)變速率修正到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，就需要對(duì)橫梁位移速率進(jìn)行修正。分別將3次試驗(yàn)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)中進(jìn)行計(jì)算，得到修正后的橫梁位移速率，分別得到3個(gè)修正橫梁位移速率vc1=1.335mm/min，vc2=1.236mm/min，vc3=1.118mm/min。
2.2 補(bǔ)充試驗(yàn)
在1#拉伸試驗(yàn)機(jī)上，使用3次計(jì)算得到的修正橫梁位移速率各進(jìn)行3次拉伸試驗(yàn)，共9次試驗(yàn)，結(jié)果如圖9~14所示。
對(duì)每次試驗(yàn)的屈服點(diǎn)區(qū)間(偏置0.2%應(yīng)變)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如表1所示。
在1#試驗(yàn)機(jī)上采用橫梁位移速率1.335mm/min得到的屈服點(diǎn)應(yīng)變速率較符合預(yù)期，且采用剛度較好的試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)的情況下，計(jì)算所得的橫梁位移速率為1.236mm/min，也能得到較為滿意的結(jié)果。
3 、橫梁位移速率修正的應(yīng)用
在實(shí)驗(yàn)室日常檢測(cè)中，需要對(duì)橫梁位移速率進(jìn)行修正，并有效地消除試驗(yàn)機(jī)剛度的影響，若想有效地對(duì)剛度進(jìn)行修正，首先需要較為準(zhǔn)確地計(jì)算試驗(yàn)機(jī)的剛度。針對(duì)電子拉伸試驗(yàn)機(jī)的剛度計(jì)算方法，不同的試樣夾持方式對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)剛度是有一定影響的，例如：采取液壓平推夾具試驗(yàn)機(jī)的剛度曲線較為平直(見圖14)；對(duì)于采用楔形夾具試驗(yàn)機(jī)，其通過預(yù)緊后，得到的剛度曲線也是較為理想的，若試驗(yàn)機(jī)帶有萬向節(jié)結(jié)構(gòu)或試驗(yàn)機(jī)與試樣之間的連接工裝間隙較大，剛度曲線就會(huì)呈現(xiàn)圖1~3所示的形式。在進(jìn)行橫梁位移速率修正時(shí)，就需要取試樣屈服時(shí)的力所在區(qū)間來計(jì)算試驗(yàn)機(jī)的剛度。在設(shè)定同一橫梁位移速率的情況下，拉伸試驗(yàn)彈性段與屈服段的力速率存在一定的聯(lián)系，但是筆者對(duì)所在實(shí)驗(yàn)室的歷史數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，屈服段的力速率不僅與試樣的尺寸形狀以及材料有關(guān)，還與試驗(yàn)機(jī)剛度以及屈服段力-時(shí)間曲線的趨勢(shì)也有關(guān)系。
4 、結(jié)語
(1) 對(duì)于剛度較差的試驗(yàn)系統(tǒng)，橫梁位移速率與試樣實(shí)際變形速率相差較大，需要對(duì)橫梁位移速率進(jìn)行補(bǔ)償以提高試驗(yàn)效率，同時(shí)令屈服點(diǎn)的應(yīng)變速率滿足要求，以獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果。
(2) 剛度較好的試驗(yàn)機(jī)得到的屈服點(diǎn)力速率能夠較準(zhǔn)確地對(duì)橫梁位移速率進(jìn)行修正。
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