双侧电子引伸计在材料力学性能测试中的应用

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　　摘 要：在常规的材料力学性能测试中，电子引伸计是测量拉伸试样轴向变形的首选测量装置。由于夹头对中和夹具磨损等原因，试样往往发生偏心拉伸，试样不同方向的母线伸长量不一定相同。单侧引伸计测量的变形与安装方位有很大关系，因而其测量结果极不稳定，容易产生比较大的测量误差。双侧引伸计由于使用两个刀口测量试样对称双侧变形的平均值，扣除了弯曲变形的影响，可以测量试样的纯粹拉伸伸长量，从而在材料弹性模量E测定等实验中得到较高的精度。
　　关键词：电子引伸计；电子万能材料试验机；偏心拉伸
　　1 概述
　　在材料的力学性能测试中，广泛地使用了各种电子引伸计，其中使用最多的是粘贴电阻应变片的夹式单侧电子引伸计，亦称电子引伸计。目前试验机所配套使用的电子引伸计多数是装夹在试样的一侧，测量拉伸试样单侧的变形。但是由于夹头对中和夹具磨损、试样的几何形状不能达到理想状态等原因，会产生同心度误差，试样往往处在偏心拉伸情况下进行试验，其表面线段的变形不仅有纯粹拉伸伸长，一般还包括有弯曲产生的伸长或缩短，在这种情形下进行拉伸伸长量的测量会发生较大误差，严重影响了测试精度。
　　2 电子引伸计的测试原理与特点
　　2.1 夹式单侧电子引伸计的测试原理
　　图1为夹式电子引伸计的示意图（图中的R1、R2、R3及R4为电阻应变片）。这是一种单侧电子引伸计，它的两块刀片用橡皮筋拉紧安装在试样的原始标距L两端的横截面ab及cd上，当试样产生纯粹的拉伸伸长ΔL时，假设ab截面不动，cd截面平移距离ΔL至c1d1处，引伸计可以准确地测到试样的纯粹拉伸伸长ΔL。但在偏心拉伸的情况下，试样还要发生纯弯曲变形，ab和c1d1截面会发生偏转至a1b1和c2d2位置，引伸计测到的总伸长为
　　如夹式电子引伸计偶然安装在试样弯曲的中性层处，此处弯曲应力为零，由（2）式可得误差： δmax =0
　　由此可以看出，由于偏心距e的大小及位置和引伸计安装方位的随机性，造成测量结果的不稳定性。一般的材料试验机在使用一段时间后，很难保证上、下夹头的同心度误差小于0.1mm。因此，在使用常规的夹式电子引伸计时发生±8%及以上的相对误差的可能性较大。
　　2.2 双侧电子引伸计的测试特点
　　图2为双侧电子引伸计的示意图，它的上面一个传感臂在水平面内有一个弯钩绕过试样，因而它的一个显著特点就在于两块感受试样伸长的刀片安装在试样对称两侧。此双侧电子引伸计实际上是在测量试样标距L两端横截面之间的一根“对角线”ad的伸长，当试样标距发生纯粹拉伸时，可通过恒定的函数关系式，利用测量ad线段的伸长量，来求得拉伸伸长ΔL。
　　在实际拉伸试验中，通常与纯粹拉伸变形同时发生的纯弯曲变形使ad 线段中的ao部分产生伸长（或缩短）变形，而od部分产生缩短（或伸长）变形，由于对称性，这两部分变形数值相等符号相反，他们的代数和为零，即是纯弯曲变形不会使ad线段的长度发生变化，这就是双侧电子引伸计能避免偏心拉伸中的弯曲影响而测到纯粹拉伸变形的原理。
　　3 双侧电子引伸计在材料力学实验中的应用
　　为进一步验证双侧电子引伸计的极端测量误差大大优于夹式电子引伸计的极端误差，我们进行了一组拉伸试验，在现有的夹式电子引伸计（YYU-25/50）的基础上，将其改装成双侧电子引伸计。利用电子万能材料试验机（CMT4304）按引伸计不同的安装方向，在改装前后，对A3钢做弹性模量E测定的拉伸试验，所得数据如下：
　　根据上表的数据进行定量分析可知，双侧电子引伸计克服了单侧夹式电子引伸计易受试样偏心拉伸影响的缺点，试验数据精确稳定，较好的满足了实际使用中的精度要求。
　　基于上述，我们认为电子万能材料试验机具有良好的实验精度和灵活性，在配合双侧电子引伸计使用的情况下，能较好的克服偏心拉伸的影响，从减少试验误差和提高试验效率两方面满足了我公司科研和生产的需要，提高了公司材料力学性能检测水平。
　　参考文献
　　[1] 刘鸿文，吕荣坤编.材料力学试验（第二版）.北京：高等教育出版社，1998，P.13.
　　[2] 胡国华，艾彦等编.双侧和单侧电子引伸计的比较.理化检验.物理分册，2006，（07）.
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