摘 要：萬能材料試驗機(jī)（以下簡稱試驗機(jī)）主要用于測量材料力學(xué)性能參數(shù)，適用于金屬、非金屬材料及構(gòu)件的拉伸、壓縮、彎曲和剪切等力學(xué)性能試驗。由于試驗機(jī)上下試樣夾持裝置的設(shè)計、加工、裝配及使用等多方面的因素，導(dǎo)致試驗機(jī)存在同軸度誤差，從而影響材料檢測試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。文章依據(jù)材料試驗機(jī)的檢定規(guī)程重點分析了同軸度的不同檢測方法。

關(guān)鍵詞：萬能材料試驗機(jī)；同軸度；檢定規(guī)程

1 概述

試驗機(jī)的同軸度是指試驗機(jī)的試樣夾持裝置在任意位置上和施加力的過程中，上下夾頭中心線與試驗機(jī)的加力軸線間同軸的程度。由于試驗機(jī)的試樣夾持裝置的設(shè)計、加工及裝配等多方面因素，使其不可避免存在同軸度誤差，受到同軸度誤差的影響，在使用試驗機(jī)檢測材料力學(xué)性能過程中，會使材料承受拉力同時產(chǎn)生了附加力，影響到試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了保證被檢材料在檢測過程中受同軸度的影響最小，JJG 139-2014《拉力、壓力和萬能試驗機(jī)》、JJG 475-2008《電子萬能試驗機(jī)》和JJG 1063-2010《電液伺服萬能試驗機(jī)》檢定規(guī)程均對試驗機(jī)的同軸度提出了技術(shù)要求和檢測方法，文章以JJG 139-2014《拉力、壓力和萬能試驗機(jī)》檢定規(guī)程中規(guī)定的方法為例對萬能材料試驗機(jī)的同軸度檢測方法進(jìn)行分析。

2 試驗機(jī)同軸度的技術(shù)要求

對于1級試驗機(jī)的同軸度在首次檢定中需對其檢測，后續(xù)檢定不再檢測同軸度：對于0.5級試驗機(jī)的同軸度不論是首次檢定還是后續(xù)檢定，均要對其同軸度進(jìn)行檢測。試驗機(jī)的試樣夾持裝置在任意位置，上、下夾頭的同軸度應(yīng)滿足如下要求：

（1）當(dāng)試驗機(jī)的最大力值不大于30kN時不應(yīng)超過ф2mm/500mm；

（2）當(dāng)試驗機(jī)的最大力值大于30kN時應(yīng)符合表1的規(guī)定。

3 試驗機(jī)同軸度的檢測方法

3.1 應(yīng)變測量法

3.1.1 測量原理：將檢驗試樣放入試驗機(jī)的夾持裝置中，試驗機(jī)對其施加一定力值后通過同軸度自動檢測儀內(nèi)部的引伸計或者其他變形測量裝置測量檢驗試樣所產(chǎn)生的彈性變形從而獲得同軸度大小。

3.1.2 測量方法：對于最大試驗力大于30kN的試驗機(jī)，根據(jù)規(guī)程要求選擇合適的檢驗試樣，使用同軸度測試儀（或其他相應(yīng)準(zhǔn)確度的測量裝置）進(jìn)行檢定。檢定時，先將檢驗試樣夾持在夾頭上并施加試驗機(jī)的最大試驗力約1%的初始力，調(diào)整同軸度測量儀的零點，再施加試驗力至最大試驗力的4%，施加過程中應(yīng)注意使用的最大力不應(yīng)使檢驗試樣產(chǎn)生塑性變形，測量試樣相對兩側(cè)的彈性變形，在相互垂直的方向上各測量3次。同軸度按公式（1）計算，每次檢定的結(jié)果均應(yīng)滿足表1的要求。

式中：e-加力系統(tǒng)中上、下夾頭的中心線與試驗機(jī)加力軸線的同軸度，%；△L-在同一測量點，同一次測量中，檢驗試樣兩側(cè)變形的算術(shù)平均值，mm；△Lmax-在同一測量點，同一次測量中，檢驗試樣變形較大一側(cè)的變形值，mm。

3.1.3 如何選擇合適的檢驗試樣

根據(jù)檢定規(guī)程要求，針對不同量程的試驗機(jī)應(yīng)選用不同材質(zhì)、不同直徑的檢驗試樣對其進(jìn)行同軸度的測量，通過以下試驗數(shù)據(jù)具體說明下如何檢驗試樣，以45#鋼（彈性模量E=210GPa，屈服強(qiáng)度為355MPa）以及合金鋁（彈性模量E=72GPa，屈服強(qiáng)度為125MPa）這兩種材質(zhì)為例進(jìn)行分析。

（1）對于量程30kN的試驗機(jī)，在做同軸度測量時，使用材質(zhì)為45#鋼、ф10mm的檢驗試樣，按照3.1.2測量方法，在其受到最大力為30×4%=1.2（kN），此時檢驗試樣所受應(yīng)力為：

對于有效長度100mm的試棒，實際變形量：△l=100×72.9×10-6=7.29（μm）

若使用材質(zhì)為合金鋁、ф10mm的檢驗試樣，同理可得σ=15.3MPa），△l=21.25（μm）

（2）對于量程100kN的試驗機(jī)，在做同軸度測量時，使用材質(zhì)為45#鋼、ф10mm的檢驗試樣，按照3.1.2測量方法，在其受到最大力為100×4%=4（kN），此時檢驗試樣所受應(yīng)力為：

對于有效長度100mm的試棒，實際變形量：△l=100×242.9×10-6 =24.29（μm）

若使用材質(zhì)為合金鋁、ф10mm的檢驗試樣，同理可得σ=51（MPa），△l=70.83（μm）

（3）對于量程600kN的試驗機(jī)，在做同軸度測量時，使用材質(zhì)為45#鋼、ф10mm的檢驗試樣，按照3.1.2測量方法，在其受到最大力為600×4%=24（kN），此時檢驗試樣所受應(yīng)力為：

對于有效長度100mm的試棒，實際變形量：△l=100×1455.7×10-6=145.57（μm）

若使用材質(zhì)為45#鋼、ф12mm的檢驗試樣，同理可得σ=212.3（MPa），△l=101.1（μm）

（4）對于量程1000kN的試驗機(jī)，在做同軸度測量時，使用材質(zhì)為45#鋼、ф12mm的檢驗試樣，按照3.1.2測量方法，在其受到最大力為1000×4%=40（kN），此時檢驗試樣所受應(yīng)力為：

對于有效長度100mm的試棒，實際變形量：△l=100×1685×10-6=168.5（μm）

因為選擇檢驗試樣需要遵循的原則是在試樣受到最大力時不超過其極限強(qiáng)度而能獲得最大應(yīng)變，所以通過以上四組試驗數(shù)據(jù)可知：試驗機(jī)的量程為30kN～100kN時應(yīng)選用材質(zhì)為合金鋁、ф10mm的檢驗試樣；試驗機(jī)的量程為100kN～600kN時應(yīng)選用材質(zhì)為45#鋼、ф10mm的檢驗試樣；試驗機(jī)的量程為600kN～1000kN時應(yīng)選用材質(zhì)為45#鋼、ф12mm的檢驗試樣；試驗機(jī)的量程不小于1000kN時應(yīng)選用材質(zhì)為45#鋼、直徑大于12mm的檢驗試樣。

3.2 幾何測量法

通過3.1.3的試驗數(shù)據(jù)可知對于量程小于30kN的試驗機(jī)，如果采用應(yīng)變測量法檢測試驗機(jī)的同軸度，即使采用鋁合金材質(zhì)的檢驗試樣，也只有產(chǎn)生二十幾微米以下的實際變形量，目前國內(nèi)同軸度檢測裝置很難準(zhǔn)確地測得這么小的變形量，那么對于量程低于30kN的試驗機(jī)應(yīng)采用幾何測量法測量其同軸度，測量方法是：使用重錘和配套定心盤進(jìn)行檢查，定心盤中心刻有ф2mm的圓，檢查時，先將錐形重錘懸掛在試驗機(jī)上夾具中心處，定心盤固定在試驗機(jī)下夾具中心處。移動活動夾具，使試驗空間不小于500mm（不足500mm的試驗空間，需移至其極限空間位置），調(diào)節(jié)懸掛線長度，并使錘尖盡量接近定心盤面，檢查錘尖是否落在其規(guī)定直徑圓內(nèi)。

4 與美標(biāo)同軸度測量方法對比

美標(biāo)ASTM E1012-14《Standard Practice for Verification of Testing Frame and Specimen Alignment Under Tensile and Compressive Axial Force Application》中對試驗機(jī)的同軸度參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)一要求，規(guī)定了級別與最大允許誤差。其檢測方法與國標(biāo)的同軸度應(yīng)變測量法有些類似，只是美標(biāo)同軸度的測量方法要求檢驗試樣需在有效長度內(nèi)上、中、下三個截面內(nèi)放入應(yīng)變片，在其受力過程中測得每個截面的應(yīng)變，對試驗機(jī)的同軸度進(jìn)行評級，如果每個截面所測得應(yīng)變不一致，那么取最大值作為評級結(jié)果；國標(biāo)的同軸度檢測方法則是通過同軸度測量儀內(nèi)部的引伸計裝置測得檢驗試樣在受力過程中中間位置的變形量作為試驗機(jī)的同軸度，雖然二者檢測方法細(xì)節(jié)上有些差別，但其目的都是為了更準(zhǔn)確的測得試驗機(jī)的同軸度大小。

5 結(jié)束語

文章依據(jù)JJG 139-2014《拉力、壓力和萬能試驗機(jī)》檢定規(guī)程深入說明了國標(biāo)同軸度檢測的原理及其方法，以及根據(jù)不同試驗機(jī)量程選擇不同材質(zhì)及尺寸的檢驗試樣，通過相應(yīng)的同軸度檢測方法準(zhǔn)確的測得試驗機(jī)的同軸度大小，進(jìn)而改進(jìn)試驗機(jī)廠家的產(chǎn)品設(shè)計及其加工工藝，一旦試驗機(jī)的同軸度誤差減小，那么通過萬能材料試驗機(jī)檢測材料力學(xué)性能的試驗數(shù)據(jù)將更加地準(zhǔn)確可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG 139-2014.拉力、壓力和萬能試驗機(jī)[S].

[2]ASTM.E1012-14.Standard Practice for Verification of Testing Frame and Specimen Alignment Under Tensile and Compressive Axial Force Application[S].

作者簡介：薛金，男，福建福州人，工程師，研究方向為力學(xué)計量。