引伸计的应用与原理（一）

引伸计是材料力学性能测试重要手段之一,是测量材料承受拉伸(压缩)力时所产生应变的必要手段。 

一  引伸计的分类 

引伸计按工作原理分类有机械式、电子式。 

机械式引伸计,如百分表式、杠杆式、光学式引伸计,是由指针或光标直接指示位移示值; 

电子式引伸计,如电阻应变式、电感式引伸计、电容式、光栅式、激光式、自动引伸计、光学电子式(视频式)等等。工作中需配备相应的接口转换器、放大器、计算机或指示装置能自动记录或显示所测位移示值。故标定电子式引伸计时必须包括与其配套的整个测量系统。 

随着测试技术的不断发展,引伸计由手动装夹、人为目测记录,发展到人工装夹自动测试普通电子式引伸计,以及机电一体复合式智能自动引伸计。无论任何形式,只要满足试验材料性能测试要求、使用条件,根据实验室具体情况,可选择任何形式符合试验方法技术要求的适用的引伸计。 

二 引伸计的应用 

1   应力应变的关系 

任何材料在应用中都要承受一定的力,无论是外力还是内力。只要受到力就要产生变形,也就是应力应变是永远伴随在一起的。在材料的力学性能测试中,一般首先提及的是强度,测量所能承受的力。其实在工程和实际应用中:都需要得到允许某一变形条件下,所能承载的力;或在最大许用载荷下,它所产生的的最大变形。 

为满足工程需要选用的材料,必须满足其必要的力学性能:相关材料在特征应变条件所对应的应力指标,获得这一数据的测试必须使用引伸计。 

通常测试的金属、非金属材料,在弹性阶段绝大部分都遵守虎克定律:对于线弹性材料,在弹性限度内物体的形变和引起形变的外力成正比,应力正比于应变,其系数为E: 

(1) 

E    弹性模量 

σ   应力 

ε   应变 

由上式不难看出弹性模量E、σ、ε三者之间的关系,而从这一公式中可看出,在弹性变形阶段应是一条直线,为我们以后测试数据计算的重要参照系。 

对于所有金属材料力学性能的判定,引伸计都是用来测定其特征应变条件下所对应的应力。但是无论所测量任何特征应变,首先都起始于弹性变形,并在此基础发展进行的。 

2   测试的相关技术参数 

     在材料试验中的拉伸、压缩、塑性指标、拉压疲劳、扭转试验、断裂韧度试验中,都应用引伸计进行应变测量。在上述试验的应变闭环控制中,将根据引伸计所采集的信息进行控制。 

(1)弹性模量E:在轴向应力与应变比例关系范围内的应力与应变的比值。E的测试应按弹性模量方法标准要求,保证试验机的同轴度条件下,选用平均应变引伸计,准确测试弹性直线段应力与应变关系。 

   适用于拉伸、压缩弹性模量的测试。由于试样的形式、尺寸不同,引伸计的结构为适应试验的要求,而有所不同。 

(2)非比例延伸强度Rp:测量产生了某一非比例延伸变形量值所对应的应力。既然是非比例变形,所对应的则是相对比例变形——弹性直线段的偏离,它依赖于弹性直线段,弹性直线段测试的好坏与斜率判断,直接影响该数据准确性。尤其对于

对于Rp0.2的数据测试影响相对小一些,原因是这是属于屈服现象发生时的应力,此时塑性变形产生且增加迅速,力值增加缓慢或不变。所以相对弹性直线段0.2%的平行线,相交于力变形曲线平缓段。 

对于Rp0.2的塑性变形斜率大的材料,影响还是很大的,不是千篇一律的。 

适用于拉伸、压缩弹性模量的测试。由于试样的形式、尺寸不同,引伸计的结构为适应试验的要求,而有所不同。一般装配使用情况见图1。 

(3)规定总延伸强度Rt:测量产生了规定的总延伸量值所对应的应力。这里最重要的是其所含概的弹性变形段,必须是真实的单轴拉伸(压缩)弹性应变直线段,而不是由于试样弯曲、以及夹持不当等原因造成的虚位移。并不是简单误解为,只要测试其总延伸变形量即可! 

不考虑试样的状态、夹持条件,是无法准确测试规定总延伸强度Rt的!!! 

 (4)金属薄板塑性应变比r、硬化指数n的测试: 

金属薄板塑性应变比r是:同一试样单轴应力拉伸,宽度方向真实应变与厚度方向真实应变比。 

硬化指数(n值)是:在单轴拉伸应力作用下,真实应力与真实塑性应变数学方程式中的真实塑性应变指数。 

用方程式 表示,此方程可转化成对数方程 

具体试验情况见图3 

(5)应变疲劳性能测试,需采用动态引伸计,以适应在循环加载条件下的应变测试与控制。这类引伸计的正负向变形输出一致,良好的动态性能,极高的稳定可靠性。 

(6)金属材料扭转性能测试,精确测定金属材料的切变模量G(测试试样微小扭角),测定规定非比例扭转强度τp0.3等数据。 

电阻应变式扭转引伸计可用于上述性能的测试。 

具体装配应用见图2,其中:图2-①圆形标距定位套、图2-②转动臂、图2-③固定臂、图2-④引伸计传感器刀口定位螺丝、图2-⑤两力臂的4个固紧螺丝。 

一般对扭转引伸计系统,两臂固定试样之间标距为规定要求(例如100 mm),旋转臂与固定延伸臂刀口之距离为6mm,且两刀片平行。再进一步拧紧两臂4个固紧螺丝(图2-⑤)之后,于两平行刀片之间装卡夹式引伸计(图2-⑥),其应垂直并与刀片结合稳定。注意:夹式引伸计的引线不应影响测量。 

(7)断裂韧度试验 

采用夹式引伸计对材料的断裂韧度KIC、JIC、COD测试。可应用于紧凑拉伸试样、三点弯曲试样等多种试样。由于断裂韧度试样种类教多,为保证断裂韧度试验,应根据试验要求、试样特征,选择或设计与试样开口能够良好配合,准确测量的夹式引伸计。 

图 1  用于拉伸测试Rp0.2等数据的单轴拉伸试验 

图2  扭转引伸计系统装配图 

图 3   金属薄板塑性应变比r与硬化指数试验示意图 

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