Page 51 - 理化检验-物理分册2021年第一期
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张先锋, 等: 影响铝合金弹性模量测量精度的因素



            表明, 两种控制模式下 10 个试样的屈服强度 R P0.2
            的最大值与最小值之间的差异仅为 2.2 MPa , 抗拉

                    的差异也仅为 2.2 MPa , 说明平行试样强

            强度 R m
            度性能无明显差异, 也证明了铝合金的屈服强度测
            量结果不受控制模式的影响。另外, 10 个试样之间
            断后伸长率 A 的差异最大不超过 1% ( 绝对值)、 断
            面收缩率 Z 的差异最大不超过 2% ( 绝对值), 测量
            结果也都极为接近。因此, 可以证明该批材料的均
            匀性较好, 适用于作为对比试样。
                                                                   图 2  两种控制模式下试样的实际应变 - 时间关系对比

                                                                Fi g  2 Com p arisonofactualstrain-timerelationshi pofs p ecimens

                                                                             undertwocontrolmodes
                                                               实变形速率相差极大, 但弹性模量的测量结果却无
                                                               显著差异, 这是因为金属材料弹性变形的速率接近
                            图 1  拉伸试样示意图
                                                               于声速, 远远高于试验过程中的拉伸速度, 因此, 不

                    Fi g  1 Schematicdia g ramoftensiles p ecimen
                                                               同控制模式下试样变形速率的差异并不能对测量结
                 根据影响因素设计试验方案为:( 1 ) 以相同的应
                                                               果造成影响。由此可以判断, 在金属材料弹性模量
            变速率分别采用应变控制与位移控制模式测量弹性
                                                               的测量中, 控制模式不是影响测量结果的关键因素。
            模量;( 2 ) 在试样 0° 方向上夹持引伸计, 待试样拉伸
                                                                   经过 计 算, 10 个 试 样 弹 性 模 量 的 平 均 值 为


            至试验机读数为 200 MPa 后卸载至 20 MPa , 再将
                                                              71.1GPa , 以此数值作为该批材料弹性模量的真实

            引伸计分别夹持于试样的 90° , 180° , 270°3 个方向
                                                               值用于后续试验的数据分析。
            上并进行相同的试验操作测量弹性模量;( 3 ) 在试样
                                                              2.2  引伸计的影响
            上 夹 持 引 伸 计, 待 试 样 拉 伸 至 试 验 机 读 数 为
                                                                   同一试样 4 个方向上弹性模量的测量结果如

            200MPa后卸载至 20 MPa , 保 持 试 样 与 引 伸 计 位              表 1 所示, 可见 4 个方向的弹性模量差异较大, 而弹

            置不动, 重复此操作 3 次, 逐次测量试样的 弹性模                        性模量的平均值比较接近真实值( 71.1GPa )。这是

            量。试验过程中使用同一支引伸计, 引伸计的标距
                                                               因为受到试样加工水平、 工装加工精度以及试样装

            长度为 50mm , 计量精度为 0.5 级。
                                                               配能力的影响, 由“ 工装 + 试样 + 设备” 组成的测量
            2  试验结果与分析                                         系统的同轴性不理想, 试样往往是处在偏心拉伸的
                                                               情况下进行的试验, 因此, 测量中各个方向上的变形
            2.1  控制模式的影响                                       并不一致, 最终导致弹性模量产生差异。
                 分别采用应变控制与位移控制模式进行试验,                              根据 GB / T22315-2008 规定, 弹性模量试验

            前者的应变速率为 0.005min , 后者的位移速率为                       中测量应变时应“ 使用能测量试样相对两侧平均变

                                       -1

                        -1
            0.3mm · min , 按照 GB / T228.1-2010 中 10.3.1         形的轴向均值引伸计, 或在试样相对两侧分别固定
            的计算, 理论上两者的变形速率是相同的, 但实际上                          两个轴向引伸计”。胡国华等             [ 5 ] 的研究结果指出采
            由于设备、 工装的变形以及试样与工装之间间隙的                            用双侧引伸计同时测量试样两侧的变形能够有效地
            存在都会影响到试样的真实变形速率。经测定, 位                            消除偏心拉伸带来的影响。结合表 1 , 通过计算可
            移 控 制 模 式 下 试 样 的 真 实 变 形 速 率 仅 为                  以发现, 同一试样任意两个相对方向上弹性模量测
            0.002min ( 0.1%~0.25% 变 形 量 之 间 的 计 算 结            量结果的平均值都比较接近材料的真实值, 说明该

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            果), 远低于设定值, 而应变控制模式下试样的真实                          试验方案的效果等同于使用了双侧引伸计。因此,
            变形 速 率 为 0.005min , 与 试 验 设 定 值 相 同, 如             该文为没有配置双侧引伸计的试验室准确测量弹性

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            图 2 所示, 图中直线的斜率为变形速率。                              模量提供了一条新思路, 通过该方案可以解决单个
                 应 变 控 制 模 式 下 弹 性 模 量 的 平 均 值 为               引伸计法测量结果离散性偏大的问题。另外, 一些

            71.28GPa , 位移控制模式下弹性模量的平均 值 为                      文献资料    [ 6 ] 也表明, 引伸计的精度、 引伸计的计量范
            70.94GPa 。虽然两种控制模式下试样弹性段的真                         围等都是弹性模量测量结果准确性的影响因素。

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