李 鶴

(航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095)

1 疲勞試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)機(jī)

隨著醫(yī)療器械、汽車(chē)行業(yè)、船舶、航空航天、軍工產(chǎn)品等輕重工業(yè)的蓬勃發(fā)展，研究和測(cè)試其所需的材料性能、零部件的疲勞現(xiàn)象顯得格外重要。

疲勞是指材料、零件和構(gòu)件在循環(huán)加載下，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生局部永久性損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展直到完全斷裂的現(xiàn)象。對(duì)疲勞的研究最早可追溯到1869年,德國(guó)人沃勒(A.Whler)通過(guò)對(duì)車(chē)輛部件進(jìn)行拉伸疲勞試驗(yàn)及旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)指出，一些金屬存在疲勞極限，并將疲勞試驗(yàn)結(jié)果繪成應(yīng)力與循環(huán)周次關(guān)系的曲線(xiàn)，又稱(chēng)為Whler曲線(xiàn)。此后，為了更方便地研究和分析金屬疲勞問(wèn)題，疲勞試驗(yàn)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

疲勞試驗(yàn)機(jī)是一種主要用于測(cè)定金屬及其合金材料在室溫狀態(tài)下的拉伸、壓縮或拉壓交變負(fù)荷疲勞性能的試驗(yàn)儀器。根據(jù)其工作原理，可以分為電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)、液壓脈沖式疲勞試驗(yàn)機(jī)、機(jī)械式疲勞試驗(yàn)機(jī)、電磁共振式疲勞試驗(yàn)機(jī)等。

以常用的電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)為例，其控制原理如圖1所示。工作時(shí)，試驗(yàn)機(jī)依靠液壓作動(dòng)缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)施加循環(huán)載荷，通過(guò)對(duì)傳感器實(shí)時(shí)信號(hào)采集實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的閉環(huán)控制。同時(shí)，系統(tǒng)還對(duì)試樣變形進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，一方面用于對(duì)工作狀態(tài)的判斷，同時(shí)用于對(duì)試樣性能的分析。試樣夾持系統(tǒng)是直接將載荷施加到被測(cè)試樣上的構(gòu)件，其工作狀態(tài)(如加力同軸度等)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果具有重要影響。由此可知，此類(lèi)疲勞試驗(yàn)機(jī)在應(yīng)用過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)有力、變形、同軸度及其他功能性指標(biāo)等，這些參數(shù)的持續(xù)準(zhǔn)確是整機(jī)性能的重要保證。

圖1 電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)控制原理示意圖

2 軸向加力疲勞試驗(yàn)機(jī)的校準(zhǔn)方法

疲勞試驗(yàn)機(jī)自身性能的可靠性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性將直接影響疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。因此，為了保證疲勞試驗(yàn)機(jī)各項(xiàng)技術(shù)性能的可靠性和所提供材料試驗(yàn)結(jié)果的可比性，各使用單位都需要對(duì)其進(jìn)行周期性的溯源性校準(zhǔn)。

在國(guó)內(nèi)，判定一臺(tái)疲勞試驗(yàn)機(jī)是否符合要求一般依據(jù)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 556-2011《軸向加力疲勞試驗(yàn)機(jī)》[1](以下簡(jiǎn)稱(chēng)JJG 556)，該規(guī)程規(guī)定了受力同軸度靜態(tài)力、循環(huán)力以及引伸計(jì)系統(tǒng)的計(jì)量特性、檢定條件和檢定方法等內(nèi)容。

針對(duì)客戶(hù)的需求和相關(guān)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證的需要，有些機(jī)構(gòu)希望用美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)的標(biāo)準(zhǔn)(簡(jiǎn)稱(chēng)為美標(biāo))來(lái)判定試驗(yàn)機(jī)是否符合要求，主要涉及ASTM E4-21《Standard Practices for Force Calibration and Verification of Testing Machines》[2](以下簡(jiǎn)稱(chēng)ASTM E4), ASTM E467-21《Standard Practices for Verification of Constant Amplitude Dynamic Forces in an Axial Fatigue Testing System》[3](以下簡(jiǎn)稱(chēng)ASTM E467)和ASTM E1012-2019《Standard Practice for Verification of Testing Frame and Specimen Alignment Under Tensile and Compressive Axial Force Application》[4](以下簡(jiǎn)稱(chēng)ASTM E1012)。這些標(biāo)準(zhǔn)主要從某個(gè)測(cè)量參數(shù)的角度出發(fā)，對(duì)其技術(shù)要求和校準(zhǔn)方法給出詳細(xì)規(guī)定，其針對(duì)的設(shè)備類(lèi)型可能不僅僅是疲勞試驗(yàn)機(jī)，而是具有該測(cè)量參數(shù)的一類(lèi)測(cè)試設(shè)備，這是當(dāng)前國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和ASTM標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)明顯差異。

本文從靜態(tài)力、循環(huán)力和同軸度3個(gè)方面，對(duì)當(dāng)前軸向加力疲勞試驗(yàn)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為疲勞試驗(yàn)機(jī))全面校準(zhǔn)涉及的國(guó)內(nèi)外相關(guān)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析。

3 靜態(tài)力

疲勞試驗(yàn)機(jī)靜態(tài)力的準(zhǔn)確度是其控制系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的根本保證。鑒于靜態(tài)力的實(shí)現(xiàn)和校準(zhǔn)均相對(duì)容易，JJG 556中對(duì)試驗(yàn)機(jī)靜態(tài)力的要求相對(duì)于循環(huán)力來(lái)講相對(duì)更高，而在ASTM標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力的要求從技術(shù)指標(biāo)上看是一致的，并無(wú)差異。關(guān)于靜態(tài)力，兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)中給出的校準(zhǔn)方法有較大差異，以下進(jìn)行逐項(xiàng)分析。

3.1 技術(shù)指標(biāo)

在JJG 556中需要計(jì)算試驗(yàn)機(jī)的靜態(tài)力示值相對(duì)誤差、示值重復(fù)性和示值進(jìn)回程差。而在ASTM E4中則需要計(jì)算試驗(yàn)機(jī)的靜態(tài)力示值誤差、示值相對(duì)誤差和示值重復(fù)性。

3.2 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器具

在JJG 556中對(duì)力檢定裝置的要求是準(zhǔn)確度等級(jí)不低于0.3級(jí)、頻率響應(yīng)變化不超過(guò)±0.1dB或固有頻率不低于被檢試驗(yàn)機(jī)最高工作頻率的15倍、采樣頻率不低于檢定頻率50倍的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀。在ASTM E4中除了可以使用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀外，還可以使用等臂天平或砝碼來(lái)測(cè)試試驗(yàn)機(jī)的靜態(tài)力值。

3.3 檢測(cè)點(diǎn)的選擇

在JJG 556中，一般可以選擇各量程的20%、40%、60%、80%、100%作為檢定點(diǎn)，檢定點(diǎn)數(shù)量不得少于5個(gè)。測(cè)量下限值小于20%滿(mǎn)量程的試驗(yàn)機(jī)，應(yīng)選擇10%、5%、2%作為檢定點(diǎn)，測(cè)量下限應(yīng)不小于滿(mǎn)量程2%。

在ASTM E4中，力值校準(zhǔn)點(diǎn)不得少于5個(gè)，相鄰兩個(gè)校準(zhǔn)力之差大于或等于測(cè)量上限和下限之差的1/20，小于等于測(cè)量上限和下限之差的1/3。

舉例：測(cè)量范圍(10～100)kN的試驗(yàn)機(jī)，其測(cè)量上限為100kN，測(cè)量下限為10kN，那么上限和下限之差為90kN。第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)是10kN，第二個(gè)測(cè)量點(diǎn)大于等于14.5kN，小于等于40kN。考慮到在測(cè)量范圍內(nèi)取5個(gè)以上的點(diǎn)，一般選擇量程的10%、20%、40%、70%、100%作為檢定點(diǎn)。測(cè)量下限不應(yīng)小于指示器分辨力的200倍。

而在ASTM E467中，除了要校準(zhǔn)測(cè)量上限值和下限值外，還要校準(zhǔn)“上限值±上限值和下限值之差(測(cè)量范圍)的5%”，以及“下限值±上限值和下限值之差(測(cè)量范圍)的5%”。

3.4 檢測(cè)次數(shù)

在JJG 556中，逐級(jí)遞增施加力，檢定進(jìn)程；逐級(jí)遞減卸除力，檢定回程。卸至零負(fù)荷后60s記錄零點(diǎn)。此過(guò)程至少進(jìn)行3次。在ASTM E4中，如上過(guò)程至少進(jìn)行2次。

4 循環(huán)力

疲勞試驗(yàn)機(jī)的循環(huán)力有時(shí)也習(xí)慣性地稱(chēng)為動(dòng)態(tài)力，是疲勞試驗(yàn)機(jī)有別于其他拉壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的最大特征。不同結(jié)構(gòu)原理的疲勞試驗(yàn)機(jī)，其循環(huán)力的復(fù)現(xiàn)和校準(zhǔn)難度均有所不同。在JJG 556中，疲勞試驗(yàn)機(jī)的種類(lèi)分為A類(lèi)(適用于電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī))和B類(lèi)(適用于液壓脈沖疲勞試驗(yàn)機(jī)、機(jī)械式疲勞試驗(yàn)機(jī)、電磁共振型疲勞試驗(yàn)機(jī)等其他形式的疲勞試驗(yàn)機(jī))，不同種類(lèi)的疲勞試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)確度等級(jí)不同，而ASTM E467則沒(méi)有此區(qū)分。如果A類(lèi)疲勞試驗(yàn)機(jī)的循環(huán)力范圍示值相對(duì)誤差、循環(huán)力范圍示值重復(fù)性、循環(huán)力峰值示值相對(duì)誤差、循環(huán)力峰值示值重復(fù)性小于等于±2%，B類(lèi)疲勞試驗(yàn)機(jī)相對(duì)應(yīng)的指標(biāo)小于等于±3%，即可判定疲勞試驗(yàn)機(jī)的循環(huán)力符合要求。而ASTM E467中而規(guī)定，循環(huán)力峰值示值相對(duì)誤差和循環(huán)力谷值示值相對(duì)誤差需小于等于±1%。

循環(huán)力的具體校準(zhǔn)方法比較如下所述。

4.1 循環(huán)次數(shù)

在JJG 556中，同一頻率下需要記錄10個(gè)連續(xù)循環(huán)周期的數(shù)據(jù)；在ASTM E467中，同一頻率下則需要記錄50個(gè)循環(huán)周期的數(shù)據(jù)。

4.2 技術(shù)指標(biāo)

在JJG 556-2011中，對(duì)疲勞試驗(yàn)機(jī)的要求主要為循環(huán)力范圍示值相對(duì)誤差、循環(huán)力范圍示值重復(fù)性、循環(huán)力峰值示值相對(duì)誤差、循環(huán)力峰值示值重復(fù)性。分別按式(1)-式(6)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，δR為循環(huán)力范圍示值相對(duì)誤差，%；FCp為循環(huán)力檢定時(shí)，試驗(yàn)機(jī)力指示裝置指示的循環(huán)力峰值示值，N；FCv為循環(huán)力檢定時(shí)，試驗(yàn)機(jī)力指示裝置指示的循環(huán)力谷值示值，N；RR為循環(huán)力范圍示值重復(fù)性，%；δp為循環(huán)力峰值示值相對(duì)誤差，%；RP為循環(huán)力峰值示值重復(fù)性，%；Fpmax為循環(huán)力檢定時(shí)，力檢定裝置循環(huán)力峰值示值的最大值，N；Fpmin為循環(huán)力檢定時(shí)，力檢定裝置循環(huán)力峰值示值的最小值，N。

表1 循環(huán)力校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

在ASTM E467中，分別計(jì)算50次循環(huán)的循環(huán)力峰值示值相對(duì)誤差和循環(huán)力谷值示值相對(duì)誤差，取絕對(duì)值最大的那組數(shù)據(jù)作為判定依據(jù)。計(jì)算公式如下：

(7)

(8)

式中，F(xiàn)pj50為第j個(gè)力循環(huán)時(shí)，力檢定裝置指示的循環(huán)力峰值示值(j=1，2，3，…，50)，N；FRj50為第j個(gè)力循環(huán)時(shí)，力檢定裝置指示的循環(huán)力范圍(j=1，2，3，…，50)，N；Fvj50為第j個(gè)力循環(huán)時(shí)，力檢定裝置指示的循環(huán)力谷值示值(j=1，2，3，…，50)，N；δv為循環(huán)力谷值示值相對(duì)誤差，%。

舉例：假設(shè)表1中的10組數(shù)據(jù)為50次循環(huán)中的典型數(shù)據(jù)，即其他40組數(shù)據(jù)中并無(wú)極限誤差對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。按ASTM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)表1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的結(jié)果如表2所示。

表2 按ASTM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)表1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的結(jié)果

從上述結(jié)果來(lái)看，依據(jù)JJG 556得出δp=0.58%，依據(jù)ASTM E467得出δp=0.66%。同樣是計(jì)算循環(huán)力峰值示值相對(duì)誤差，但因?yàn)镴JG 556把循環(huán)力范圍平均值代入計(jì)算，而ASTM E467則是用每組數(shù)據(jù)單獨(dú)計(jì)算并取最大值，所以導(dǎo)致兩種計(jì)算結(jié)果有差別。

5 同軸度

5.1 檢測(cè)方法

在檢定規(guī)程JJG 556中，對(duì)于同軸度的計(jì)量方法有兩種，一種是使用引伸計(jì)記錄標(biāo)準(zhǔn)試樣4個(gè)方向的讀數(shù)來(lái)計(jì)算最大彎曲應(yīng)變比，即同軸度，另一種方法是利用電阻應(yīng)變計(jì)式受力同軸度檢定儀來(lái)檢定試驗(yàn)機(jī)的同軸度，其原理方法和第一種方法類(lèi)似，在標(biāo)準(zhǔn)試樣的4個(gè)方向上貼上電阻應(yīng)變片，通過(guò)讀取4個(gè)方向上的彈性形變量來(lái)計(jì)算同軸度，電阻應(yīng)變計(jì)的分布方式如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)同軸度棒上單組電阻應(yīng)變計(jì)的分布方式

計(jì)算公式如下：

εa=(ε1+ε2+ε3+ε4)/4

(9)

式中，εa為平均軸向應(yīng)變，mm/mm；ε1、ε2、ε3、ε4分別為同一橫截面位置1、2、3、4的3次應(yīng)變測(cè)量值的各自平均值，mm/mm。

b1=ε1-εa

(10)

b2=ε2-εa

(11)

b3=ε3-εa

(12)

b4=ε4-εa

(13)

式中，b1、b2、b3、b4分別為同一橫截面4個(gè)位置的局部彎曲應(yīng)變，mm/mm。

(14)

式中，B為最大彎曲應(yīng)變，mm/mm。

e=(B/εa)×100%

(15)

式中，e為受力同軸度(最大彎曲應(yīng)變比)，%。

在ASTM E1012中則是利用應(yīng)變片式對(duì)中傳感器來(lái)測(cè)試同軸度，傳感器至少有4個(gè)應(yīng)變片，分為2組，按傳感器橫截面形狀可分為3種：

第一種是圓柱形(如圖3所示)，計(jì)算公式同JJG 556-2011一樣。

圖3 軸向每個(gè)相鄰應(yīng)變片之間間隔90°

第二種為厚矩形(如圖4所示)，計(jì)算公式除最大彎曲應(yīng)變有所不同，其他計(jì)算方式同JJG 556一樣。

(16)

圖4 每個(gè)平面放置4個(gè)厚矩形應(yīng)變片

第三種為薄矩形(如圖5所示)，計(jì)算公式如下：

(17)

(18)

(19)

(20)

式中，εε1、εε3為薄面中心位置處的等應(yīng)變，mm/mm；εε2、εε4為厚面中心位置處的等應(yīng)變，mm/mm；w為寬面寬度，mm；d為從應(yīng)變片式同軸度傳感器邊緣到應(yīng)變片中心位置的距離，mm。

用εε1、εε2、εε3、εε4替換式(10)-式(13)中的ε1、ε2、ε3、ε4計(jì)算同一橫截面4個(gè)位置的局部彎曲應(yīng)變b1、b2、b3、b4，平均軸向應(yīng)變、最大彎曲應(yīng)變和最大彎曲應(yīng)變比的計(jì)算方式和厚矩形相同。

圖5 每個(gè)平面放置4個(gè)薄矩形應(yīng)變片

5.2 清零方式

在JJG 556中，在安裝好標(biāo)準(zhǔn)試樣和引伸計(jì)，或者安裝好電阻應(yīng)變計(jì)式受力同軸度棒后，施加試驗(yàn)機(jī)最大力值的1%后清零。而ASTM E1012中則要求，在確保應(yīng)變片式對(duì)中傳感器上下兩端同心且平行的情況下安裝其中一端到被測(cè)試驗(yàn)機(jī)上，在不施加力的情況下使傳感器應(yīng)變讀數(shù)清零，而后將傳感器另一端連接到試驗(yàn)機(jī)上，此時(shí)傳感器應(yīng)變讀數(shù)不再清零。

5.3 檢測(cè)點(diǎn)的選擇

在JJG 556中，除零點(diǎn)外，還應(yīng)記錄標(biāo)準(zhǔn)試樣或電阻應(yīng)變計(jì)式受力同軸度棒在試驗(yàn)機(jī)施加滿(mǎn)量程4%、6%、8%、10%力值下引伸計(jì)或應(yīng)變讀數(shù)。在ASTM E1012中，當(dāng)應(yīng)變片式對(duì)中傳感器的微應(yīng)變達(dá)到1000、2000、3000時(shí)記錄數(shù)據(jù)。但考慮到有些試驗(yàn)機(jī)量程較小或保護(hù)傳感器的原因，無(wú)法使傳感器達(dá)到3000微應(yīng)變，更多時(shí)候采用第二種方法，除零點(diǎn)外記錄傳感器在試驗(yàn)機(jī)滿(mǎn)量程10%、20%、40%的數(shù)據(jù)，且至少有一個(gè)點(diǎn)的微應(yīng)變大于1000。

5.4 測(cè)試方向

在JJG 556中，除了計(jì)算0°處的同軸度外，沒(méi)有其他測(cè)試方向的要求。在ASTM E1012中， 除了計(jì)算0°處的同軸度外，還應(yīng)旋轉(zhuǎn)應(yīng)變片式對(duì)中傳感器至180°，再回到0°分別計(jì)算不同角度下的同軸度。

5.5 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

在JJG 556中，如果A類(lèi)的同軸度小于等于8%，B類(lèi)的同軸度小于等于12%，即可判定試驗(yàn)機(jī)的同軸度符合要求。在ASTM E1012中，根據(jù)彎曲百分比的大小可以分為5級(jí)、8級(jí)和10級(jí)。

6 結(jié)束語(yǔ)

雖然存在一定的不同之處，但國(guó)內(nèi)的檢定規(guī)程和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)之間也有許多共同之處，如檢測(cè)力值用到的標(biāo)準(zhǔn)都可以是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀，同軸度都可以用應(yīng)變片式對(duì)中傳感器，其技術(shù)指標(biāo)也有類(lèi)似之處，如都考查靜態(tài)力值的示值相對(duì)誤差和示值重復(fù)性、循環(huán)力峰值示值相對(duì)誤差等。兩類(lèi)規(guī)范的應(yīng)用場(chǎng)景主要與執(zhí)行的檢測(cè)方法體系有關(guān)，至于由疲勞試驗(yàn)機(jī)的校準(zhǔn)方法不同而導(dǎo)致的材料疲勞性能試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果不同的程度，尚需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證。

在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系之下，都按規(guī)范的要求完成系統(tǒng)完整的校準(zhǔn)流程，即可保證疲勞試驗(yàn)機(jī)技術(shù)能力的完好，再經(jīng)正確應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性還是可以預(yù)期的。