如何选择引伸计及应用

 在材料力学性能测试过程中，应力与应变是相互依存的。任何材料，只要受到应力，就一定产生应变；只要产生应变，其一定受到了应力。引伸计就是能测定材料在特征应变条件下的应变数据，并且具备较高分辨率与较高准确度的应变测试仪器。引伸计不同于传统应变测试中常用到的应变片，它可以长期重复使用，并可以根据使用条件和使用要求，选择不同规格和量程，还能测量应变片不能涉及的超大应变——试样塑性变形的测试。更重要的是，引伸计性能稳定、准确度高，可以实现计量溯源。

2 引伸计的分类

   引伸计是测量构件及其他物体两点之间变形的一种仪器，通常由传感器、放大器和记录器三部分组成。在实际应用中，引伸计的种类很多，主要由以下分类方式；

   按工作原理分：机械式引伸计和电子式引伸计。机械式引伸计，是由指针或光标直接指示位移示值，如百分表式、杠杠式、光学式引伸计；电子式引伸计、采用电子元件构成，如电阻应变式、电感式引伸计、电容式、光栅式、激光式、非接触式（视频激光）等。

   按装夹方式分：人工装卡引伸计和自动引伸计。人工装卡引伸计为常用引伸计，是由试验人员将隐身装卡在试验之上进行试验；自动引伸计为机电一体复合式自动引伸计，与试验主机为一整体机构，由程序设定计算机控制，进行装卡、打开引伸计。全自动引伸计主要用于大量同类试样的大规模校验。

   按量程分：小变形引伸计和大变形引伸计。小变形引伸计，一般应用于5mm变形以下，或更小的变形量；大变形引伸计，一般应用于20mm至500mm（或更大）的变形量，大变形引伸计主要用于测试特定要求硬化指数n或试样延伸率。

   按标距分：小标距引伸计、普通标距引伸计和大标距引伸计。

   按用于环境分：低温引伸计和高温引伸计。

   按试验加载方向分：拉伸引伸计、压缩引伸计、拉压双向引伸计和扭转引伸计。

   按测量方式分：接触式引伸计和非接触引伸计。其中，接触式引伸计包括单向引伸计和双向平均引伸计；非接触式引伸计包括视频引伸计和激光引伸计。

3 引伸计的选择

   引伸计的选择要根据测试对象的应用要求来确定，归纳起来，主要包括弹性变形范围的测试、弹塑性变形范围的测试和塑性变形范围的测试三个方面。

3.1 用于弹性变形范围测试的引伸计选择

   主要指弹性模量E测试，必须选择高精度引伸计，测量0.01应变范围内必须保证准确度。但是要考虑试验机不同轴度的影响，选择双向平均引伸计。

3.2 用于弹塑性变形范围测试的引伸计选择

   主要指从弹性变形至屈服阶段范围内的应变测量。对于塑性试样应测试拉伸屈服应力σ_y、χ%应变拉伸应力σ_χ、拉伸应变ε、拉伸屈服应变ε_y等数据；对于金属试样应测试非比例延伸强度R_p0.2、规定总延伸强度R等数据。

3.3用于塑性变形范围测试的引伸计选择

   主要指从弹性阶段拉伸直至较大塑性变形范围，或以至拉断的变形测量。对于塑料试样应测试拉伸断裂应变ε_Ｂ、拉伸强度应变ε_Ｍ、拉伸标称应变ε_t、断裂标称应变ε_tB、拉伸强度标称应变ε_ｔＭ等数据；对于金属试样应测试拉伸硬化指数ｎ、相关延伸率Ａ系列数据。

４引伸计的应用

   引伸计主要应用于材料的力学性能测试中，测定能表征相关材料在特征应变条件下所对应的应变数据。

   在测试过程中，通过测试试验所得的应力－应变曲线，以获得试验方法标准中所要求的相关应变条件下的强度指标。根据被测材料的质地特征，引伸计一般应用于塑料材料和金属材料应变数据的测试。这两种测试根据材料的特性以及定义的提法上的差异，其要求测试的项目会有所不同。塑料材料包括：拉伸屈服应力σ_ｙ、χ％应变拉伸应力σ_ｘ、拉伸弹性模量Ｅ_ｔ等数据的测试；金属材料包括：非比例延伸强度Ｒ_p0.2量Ｅ数据以及延伸率的测试，同时必须保证相关技术要求。

4.1 特征应变条件应力的测试

当被测材料为塑料时，应力－应变曲线如图１所示（GB/T 1040塑料标准中给出的曲线）。图１中，曲线a为脆性材料；曲线b和c为有屈服点的韧性材料；曲线d为无屈服点的韧性材料。

图1 典型应力—应变曲线

当被测材料为金属时，也有类似的曲线，如图２、图３所示。其中，图２是一个有明显物理屈服点的钢材试验曲线。

   尤其金属材料，随着新材料、新工艺的不断的发展，材料性能不断提高。对于钢材，相当材料力学性能中的屈服强度Ｒ_ｅｌ越发不明显，需要测试非比例延伸强度Ｒ_p0.2延伸强度Ｒ_ｔ，这就必须使用引伸计进行测试。

图2 有明显物理屈服点的钢材试验曲线

图3 无物理屈服点硬铝材料试验曲线

例如，图３曲线是一没有明显物理屈服点的硬铝曲线。图中Ｘ轴所示为引伸计变形值，在除以引伸计标距后为应变，Ｙ轴所示为施加力值（在除以试样截面积后为应力）。在其性变形直线段，该阶段试样所施加的力与变形成线性关系。如果试验机、引伸计符合弹性模量标准的要求，则可通过此曲线计算弹性模量Ｅ。图中弹性段平移引伸计0.2%变形量的黑色直线，与白色力/变形曲线的交点，即为所测的非比例延伸强度Ｒ_p0.2。

4.2弹性模量Ｅ的测试

单轴受力状态时，在弹性范围内线性的应力应变关系常称为广义虎克定律，在弹性范围任何材料都符合下列公式：

                                 Ｅ＝σ/ε

式中，Ｅ为弹性模量；σ为应力；ε为应变。

由上式不难看出：弹性模量Ｅ是材料在弹性范围所承受的应力与应变之比，应变是必要的参数。因此，弹性模量Ｅ的测试实质是测试弹性变形的直线段斜率，故其准确度由应力与应变准确度所决定。

应力准确度：取决于试验机施加的力值与试样横截面积。由于塑料强度比较低，施加力值比较小，故夹具与试样夹持方法非常关键，夹具与试样的加载试样链系统要尽量同轴。

应变测量的准确度：它要求引伸计要真实反映试样受力中心轴线与施力轴线同轴受力时所产生的应变。由于试样受力同轴是相对的，不同轴是永恒的，为获得真实应变，采用平均应变引伸计，会较单引伸计测量更真实可靠。

图４、图５中绘制的应力应变曲线，线性良好，可以根据GB/T 1040要求取0.005与0.0025两点连线之斜率为弹性模量。

图4 塑料拉伸曲线（弹性模量段）

图5 塑料拉伸曲线（弹性模量段）

图6是对一个金属试样测试的经典曲线。

图6 试样双侧变形典型曲线

在同一只试样两相对方向上分别装上两只引伸计，测试记录拉伸时试样两侧的应变量。从图６中可以清晰地看出：在弹性阶段两侧变形直线性较差，尤其在小载荷条件时。

根据虎克定律，该阶段应是线性的，应该为一条直线。为什么会有这样的差异？通过对曲线的分析，当将两条曲线合成时，即为一条标准的直线。这证明引伸计的测试是正确的，差异实质上是试验机拉力系统的不同轴度引起的。因此，可得出如下结论：

（１）试验机的不同轴是永恒的，只是不同轴程度的大小。

（２）试样受力后，两相对方向应变量之和是相等的。

同时应注意，作为普通拉力试验机，如采用楔型夹持装置或挂钩式夹具，每次装卡试样的同轴度都是有差异的，只是在某一范围。如果由不同操作人员操作，其波动范围会更大。

作为弹性模量Ｅ的测试，要求测试试样受力后所产生的真实应变，由于试样拉伸不同轴度是永恒的，而试样受力后两相对方向的应变量之和是相等的，所以要求测试Ｅ时，对于100mm试样测试，Ｅ值应采用双向平均引伸计。当然，对于能够保证试验受力同轴度很好的试验机，也可以采用单向引伸计。

5 结论

引伸计是能测定相关材料在特征应变条件下所对应的应变数据，同时具备较高分辨力与较高准确度的应变测试仪器。对引伸计选择使用，要从被检材料质地和被检材料形变范围这两个方面综合考虑。在引伸计的测试应用中，应注意应力和应变测量准确度对弹性模量Ｅ的影响，特别对于试验机不同轴度问题应考虑采用双向平均引伸计进行测试。

由上述曲线可以看出，Ｘ轴Ｙ轴是相辅相成的，缺一不可。引伸计在力学性能测试中，是应变测试的必要手段，是非常重要的，它的准确度直接影响所测数据的准确度。   但是，无论塑料材料还是金属材料，在力学性能测试中的技术数据基本都是相似的，主要包括特征应变条件应力的测试和弹性模量Ｅ的测试。其中，选择测量屈服延伸率Ａ的引伸计时，其测量范围一般需大于被测应变值50%。在要求装卡引伸计测试至试样断裂时，还应根据实际需要，选择更大的测量范围，并且保证所用引伸计具有抵抗试样断裂冲击的功能。因此，引伸计的测量范围选择至少有0.02应变，一般可选择0.05或0.1应变。