姜 虹, 沈 琪, 黃偉軍

[1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院, 上海 201114； 2.GTM計量測試技術(shù)(中國)辦事處, 上海 200023]

材料試驗機同軸度的好壞對材料性能測試結(jié)果的影響較大。美國標準ASTM E1012-2014和中國相關(guān)檢定規(guī)程都寫明了如何對試驗機的同軸度進行檢測[1],但是兩者的方法和溯源思路是不一樣的。

國際標準ISO 23788:2012《金屬材料 疲勞試驗機同軸度的檢驗》也描述了同軸度檢測[2]，該標準類似于ASTM E1012，主要的區(qū)別在于ISO 23788：2012采用2層共8片應(yīng)變片，而ASTM E1012-2014采用3層共12片應(yīng)變片。中國標準GB/T 34104-2017等效采用了ISO 23788:2012[3]。

美標和中國檢定規(guī)程的主要區(qū)別在試樣棒、方法過程、定級標準及計量溯源等方面。為了驗證這兩種方法檢驗試驗機同軸度的可靠性，筆者開展了比對測試工作，以此來確認這兩種方法之間的差異。

1 試驗設(shè)備與試驗方法

1.1 試驗設(shè)備

根據(jù)ASTM E1012-2014，4個應(yīng)變片位于試樣棒的不同方位的同一層，總共8片或者12片應(yīng)變片布置在試樣棒的第2層或者第3層，如圖1所示。

圖1 ASTM同軸度標準試樣棒示意圖Fig.1 Schematic diagram of the alignment standard specimen rod in ASTM

用于檢測同軸度的裝置包含標準試樣棒和12通道數(shù)采系統(tǒng)和分析軟件。這套裝置由德國ZwickRolle集團制造提供。

用一臺精度等級為0.5的50 kN的材料試驗機來執(zhí)行此次的比對試驗。多通道數(shù)采系統(tǒng)為QuantumX type MX1615B型多通道數(shù)采系統(tǒng)，激勵電壓為10 V全橋設(shè)置。該設(shè)備一共有12路通道，對應(yīng)于標準試樣棒上的12片應(yīng)變片。

根據(jù)中國檢定規(guī)程JJG 475-2008《電子試驗機檢定規(guī)程》和JJG 556-2011《單軸疲勞試驗機檢定規(guī)程》,同軸度檢定裝置是一套雙引伸計[4-5]。雙引伸計顧名思義就是有兩個引伸計。一個安裝在被檢試棒的左側(cè)，而另一個安裝在右側(cè)。引伸計是用來測量在拉伸過程中試棒的延伸量。如果試驗機的同軸度是理想的話，那么理論上說兩個引伸計測出來的試棒的延伸量是一樣的。

1.2 試樣棒制備

試樣棒的具體信息見表1，試樣棒尺寸如圖2所示。

表1 試樣棒的信息Tab.1 Information of the specimen rod

圖2 試樣棒的尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of dimension of the specimen rod

1.3 試驗方法

1.3.1 根據(jù)美標 ASTM E1012-2014

(1) 把標準試樣棒上端夾持住，信號清零，然后夾持下端。機器先施加一個很小的力，檢查所有12路信號是否正常反應(yīng)，然后卸載。

(2) 平穩(wěn)驅(qū)動機器施加到機器滿量程的4%,6%和8%，也就是2 kN,3 kN和4 kN。計算機軟件會分別記錄在這3個載荷點時候的信號數(shù)據(jù)并進行分析計算。(美標原版上要求施加滿量程的10%,20%和40%，為方便比對，該次試驗只加載到滿量程的4%,6%和8%)。

(3) 把載荷卸載到0，將標準試樣棒轉(zhuǎn)到180°位置，然后按照上述步驟再一次操作。

(4) 把載荷卸載到0，將標準試樣棒從180°方位轉(zhuǎn)回到初始位置，然后按照步驟2再一次操作。

1.3.2 根據(jù)中國檢定規(guī)程

(1) 把試樣棒兩端都夾持住。

(2) 加載一個力(機器滿量程的0.5%)，然后把雙引伸計對稱安裝在試樣棒上，如圖3所示,驅(qū)動機器到滿量程的1%載荷，然后把信號清零。平穩(wěn)驅(qū)動機器加載到滿量程的10%,這個過程稱之為預(yù)加載。如此重復(fù)3次。

(3) 把載荷卸載到0，然后加載到1%載荷，并且把雙引伸計信號清零。然后平穩(wěn)加載到機器的4%,6%和8%，記錄所有數(shù)據(jù)。(原本是加載到4%,6%,8%和10%,為方便地對該次試驗簡化為4%,6%和8%)。

(4) 把雙引伸計拆卸，然后更換位置到如圖3所示處。重復(fù)步驟2和3的操作。

圖3 雙引伸計的位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of positions of double extensometer

2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)美標ASTM E1012-2014,按柱狀標準試樣棒的計算公式計算出了中間一層應(yīng)變片的數(shù)據(jù)，見表2?？梢姷玫降淖钚〉膹澢葦?shù)據(jù)為10.7%，在加載力為4 kN(機器50 kN的8%載荷點)時得到。

表2 ASTM標準試樣棒中間層應(yīng)變片的數(shù)據(jù)Tab.2 Data of interlayer strain gauge in the ASTM standard specimen rod

根據(jù)中國規(guī)程的計算公式，計算出了同軸度的數(shù)據(jù)，見表3。

表3 采用中國檢定規(guī)程測得的同軸度數(shù)據(jù)Tab.3 Alignment data measured by China calibration guideline

對比表2和表3可知,采用美標測得的彎曲度數(shù)值幾乎是采用中國檢定規(guī)程測得的同軸度數(shù)值的兩倍。

3 討論

對于同軸度的定級，美標和中國檢定規(guī)程是不同的。美標只提同軸度等級，而不是試驗機的等級。而中國規(guī)程規(guī)定不同精度等級的試驗機對應(yīng)不同等級的同軸度指標。美標定級為5,8,10級,對應(yīng)的彎曲度為5%,8%,10%;中國檢定規(guī)程定級為0.5,1,2級,對應(yīng)的同軸度為12%,15%,20%。

該次試驗并沒有按照美標要求施加足夠的載荷，因而不能得出結(jié)論說彎曲度10.7%就不滿足試驗機等級10級。該次試驗的同軸度表明試驗機滿足0.5級，因為同軸度10.3%,符合標準要求的12%。

另外一個討論點是關(guān)于計量溯源。ASTM E1012-2014上說：“標準試樣棒的計量溯源并不做要求，但在加工制造標準試樣棒的時候要非常注意和小心?！边@意味著，只有多通道數(shù)采是需要校準溯源的。

對多通道數(shù)采進行了校準，具體數(shù)據(jù)見表4。標準值和顯示值之間的偏差小于-0.3%,這是相當理想的。

表4 多通道數(shù)采校準數(shù)據(jù)Tab.4 Multi channel data acquisition calibration data

中國檢定規(guī)程的雙引伸計的校準很容易，只要用標準引伸計(微分尺)對這兩個引伸計逐一進行計量校準就好，可以溯源到長度基準。也就是說，中國檢定規(guī)程的同軸度裝置完全可以計量溯源。

4 結(jié)論及建議

美標和中國規(guī)程的同軸度檢測的主要區(qū)別在定級標準、裝置(試樣棒)及操作方法過程和計量溯源等方面。

筆者認為美標對于同軸度的檢驗方法更加全面完整，但缺乏完善的計量溯源方式。而中國檢定規(guī)程的優(yōu)點在于易操作，同時能保障計量溯源。但是雙引伸計法具有先天的不足，即不能同時保障試樣棒在全方位反映出試驗機同軸度。

中國的金屬材料拉伸試驗方法標準GB/T 228.1已經(jīng)到了修訂階段，建議此標準的修訂者關(guān)注同軸度檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。