劉飛 黃桂榮 黃元媛 況嚴(yán)

【關(guān)鍵詞】材料強(qiáng)度；承壓板變形；受力面積

壓力試驗(yàn)機(jī)作為檢驗(yàn)材料強(qiáng)度最常用的試驗(yàn)設(shè)備，在工業(yè)領(lǐng)域中占有重要地位。材料強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果是否準(zhǔn)確與壓力試驗(yàn)機(jī)的力值傳感器有很大關(guān)系，所以對(duì)壓力傳感器進(jìn)行量值溯源，能夠保證材料強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確。除了力值傳感器，壓力試驗(yàn)機(jī)的承壓板也會(huì)對(duì)材料強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。由于鑄造承壓板的材料和工藝不同，壓力試驗(yàn)機(jī)的承壓板經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用，會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的永久性形變，這種永久性形變會(huì)對(duì)材料的真實(shí)強(qiáng)度帶來(lái)影響。

1 承壓板的作用

壓力試驗(yàn)機(jī)的承壓板作為與被檢材料直接接觸的物體（如圖1 所示），在材料強(qiáng)度P、受力面積S、力值F 幾個(gè)重要因素中，承壓板對(duì)面積S 因素的影響最為直接。一般壓力試驗(yàn)機(jī)的承壓板由金屬材料制成，硬度與強(qiáng)度均高于被檢材料。作為材料強(qiáng)度檢測(cè)過(guò)程中與被檢材料直接接觸的部分，承壓板受力面的水平度與粗糙度均有相應(yīng)的要求。實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)人員考慮最多的是被檢材料的受力面積，計(jì)算材料強(qiáng)度時(shí)，往往計(jì)算的是被檢材料的實(shí)際尺寸，但隨著設(shè)備使用年限的增加，檢測(cè)試件長(zhǎng)時(shí)間與承壓板的表面摩擦接觸，會(huì)對(duì)承壓板的水平度與粗糙度產(chǎn)生影響，直觀表現(xiàn)為承壓板變形。

本研究通過(guò)數(shù)據(jù)分析，探討壓力試驗(yàn)機(jī)承壓板的變形對(duì)實(shí)際檢測(cè)帶來(lái)的影響，特別是在材料強(qiáng)度偏低的情況下，對(duì)材料強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)的影響。

2 承壓板變形對(duì)強(qiáng)度帶來(lái)的影響

2.1 材料強(qiáng)度P與受力面積S、試驗(yàn)力值F的關(guān)系

通過(guò)公式（1）可以計(jì)算材料強(qiáng)度，從公式可知，材料強(qiáng)度P與力值F和面積S 有關(guān)。面積一定的情況下，材料強(qiáng)度與力值呈正相關(guān)；力值一定，材料強(qiáng)度與受力面積呈負(fù)相關(guān)。本文主要討論的是同一批材料，所以強(qiáng)度可以默認(rèn)為不變，一旦壓力試驗(yàn)機(jī)的力值經(jīng)計(jì)量檢定并確認(rèn)準(zhǔn)確可靠，那么實(shí)際影響被檢物強(qiáng)度的因素主要就是受力面積。

被檢材料強(qiáng)度的試件在制作時(shí)，多數(shù)試件已經(jīng)按照一定的試模制作成固定尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試件，如混凝土受壓件都是150 mm×150 mm×150 mm、100 mm×100 mm×100 mm、160mm×40 mm×40 mm、70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm等標(biāo)準(zhǔn)尺寸。所以在檢測(cè)材料強(qiáng)度時(shí)，只要受力面積一定，那么影響強(qiáng)度變化的因素就是力值；同理當(dāng)壓力試驗(yàn)機(jī)力值被檢定校準(zhǔn)合格時(shí)，影響材料強(qiáng)度的因素就是受力面積。

2.2 影響受力面積的因素

在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，考慮受力面積影響時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種情況：1）試件面積不準(zhǔn)確；2）承壓板的變形引起受力面積變化。實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)人員在這兩種情況下，通常關(guān)注試件本身面積和強(qiáng)度問(wèn)題，所以在實(shí)際遇到同一批材料發(fā)生強(qiáng)度變化，特別是強(qiáng)度偏低時(shí)，首先就會(huì)分析到底是試件材料本身強(qiáng)度不夠，還是制作的試件尺寸存在偏差。

實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)直接測(cè)量發(fā)現(xiàn)，材料面積基本都是在標(biāo)準(zhǔn)試模中成型，材料尺寸和平整度一般變化不大。實(shí)驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度偏低時(shí)，往往會(huì)將多組相同規(guī)格的試件在另一臺(tái)經(jīng)檢定合格的壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行檢測(cè)，鑒別材料本身強(qiáng)度是否存在問(wèn)題。一旦實(shí)驗(yàn)人員排除試件本身強(qiáng)度和試模面積都不是影響強(qiáng)度突然偏低的原因后，就會(huì)懷疑壓力試驗(yàn)機(jī)力值不準(zhǔn)確。然后通過(guò)計(jì)量檢定人員檢定后再進(jìn)行判斷。一旦其力值也在合格范圍內(nèi)，這時(shí)實(shí)驗(yàn)人員多會(huì)判斷是材料本身出現(xiàn)問(wèn)題。

其實(shí)，實(shí)驗(yàn)人員經(jīng)常會(huì)忽略另一個(gè)影響量——承壓板。壓力試驗(yàn)機(jī)的承壓板作為直接受力的物體，雖然材質(zhì)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的強(qiáng)度，但其在多年使用后也會(huì)出現(xiàn)變形。承壓板變形的主要原因在于實(shí)驗(yàn)人員在同一個(gè)位置磨損，造成承壓板變形。

2.3 承壓板變形對(duì)強(qiáng)度的影響

承壓板的變形帶來(lái)的主要變化是接觸面積變小，達(dá)不到原試塊的接觸面積。實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)模擬承壓板變形，即磨損面積為原來(lái)面積的1%、5%、10%、15%、20%進(jìn)行分析，則實(shí)際受力面積為99%S、95%S、90%S、85%S 和80%S，由公式（1）可知，要想材料強(qiáng)度P 不變，在使用壓力試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)時(shí)，其檢測(cè)的力值必須隨受力面積的變化而變化，即力值（F）=材料強(qiáng)度（P）×受力面積（S）。由表1 可以分析出實(shí)際力值隨面積的變化情況。

由表1 可以看出，由于接觸面積的變化，其實(shí)際力值隨著實(shí)際接觸面積的減小而下降，磨損面積越大，實(shí)際力值越低。檢測(cè)力值F 降低為原來(lái)99%F、95%F、90%F、85%F、和80%F。其變化關(guān)系如圖2 所示。

通常在實(shí)際計(jì)算強(qiáng)度過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)人員客觀認(rèn)為受力面積S 由試件本身尺寸測(cè)量確定且是固定的，但是實(shí)際測(cè)出的力值F 是由承壓板變形后得到的，由于真正的實(shí)際受力面積已經(jīng)減小導(dǎo)致實(shí)際力值降低，那么無(wú)論是手動(dòng)計(jì)算還是電腦軟件計(jì)算的強(qiáng)度P也會(huì)隨著真實(shí)力值的減小而減小，如表2。

通過(guò)表2 分析可知，由于壓力試驗(yàn)機(jī)承壓板的變形，在對(duì)試件的強(qiáng)度檢測(cè)過(guò)程中，受實(shí)際受力面積的變化，其得到的強(qiáng)度也會(huì)減小。其變化關(guān)系如圖3 所示。

這也是實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)人員在檢測(cè)過(guò)程中，壓力試驗(yàn)機(jī)的力值是符合等級(jí)要求的，而且同一批產(chǎn)品在其他檢定合格的壓力試驗(yàn)機(jī)上檢測(cè)結(jié)果也為合格，但使用本臺(tái)壓力試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)出來(lái)的材料強(qiáng)度始終會(huì)偏低的原因。這種情況如果不進(jìn)行正確的分析，而是盲目地通過(guò)添加材料的配比來(lái)增加材料的強(qiáng)度，無(wú)疑會(huì)給企業(yè)帶來(lái)一定經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，生產(chǎn)成本也隨之增加。如果實(shí)驗(yàn)人員意識(shí)到材料強(qiáng)度的降低是由于壓力試驗(yàn)機(jī)的承壓板發(fā)生了變形引起的，便能通過(guò)檢查承壓板的變形情況來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

3 判斷承壓板變形的方法

承壓板變形的直接表現(xiàn)為表面平整度達(dá)不到要求。被檢材料試件長(zhǎng)時(shí)間與承壓板發(fā)生摩擦，導(dǎo)致承壓板某個(gè)位置與其他位置不在同一平面，從而影響了接觸面積。但是實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)人員在檢測(cè)材料強(qiáng)度之前不可能每次都請(qǐng)專業(yè)人員進(jìn)行檢測(cè)，這樣不僅降低了效率，也增加了成本。為了有效控制成本這里可使用刀口型直角尺對(duì)承壓板進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)將刀口處緊靠承壓板表面，通過(guò)肉眼觀察刀口型直角尺的刀口與承壓板之間是否有光線通過(guò)。通過(guò)各個(gè)方向的觀察，如果發(fā)現(xiàn)有光線通過(guò)，且肉眼可見間隙很大，說(shuō)明此壓力試驗(yàn)機(jī)的承壓板已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的變形，并且該變形已經(jīng)影響材料強(qiáng)度的判斷，需對(duì)承壓板進(jìn)行拋光處理，或者直接更換已經(jīng)變形的承壓板，再通過(guò)其他經(jīng)過(guò)檢定合格的壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，從而判斷是否已經(jīng)解決承壓板變形帶來(lái)的影響。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)人員在使用壓力試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)材料強(qiáng)度時(shí)，出現(xiàn)壓力試驗(yàn)機(jī)的力值準(zhǔn)確且該批材料強(qiáng)度合格，但實(shí)際檢測(cè)強(qiáng)度卻偏低的情況。這時(shí)需要分析壓力試驗(yàn)機(jī)的承壓板是否發(fā)生了變形，導(dǎo)致材料強(qiáng)度發(fā)生變化，進(jìn)而影響材料的實(shí)際強(qiáng)度的判斷。這給實(shí)驗(yàn)工作帶來(lái)一定的啟發(fā)，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，應(yīng)通過(guò)分析來(lái)判斷問(wèn)題的來(lái)源并解決問(wèn)題。承壓板變形影響材料強(qiáng)度是很多實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)人員最容易忽視的一個(gè)因素。通過(guò)分析影響材料強(qiáng)度的每個(gè)影響量，判斷出影響強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的因素，從而改進(jìn)，才能保證結(jié)果的真實(shí)可靠。