美標和中國檢定規程的試驗機同軸度測試方法對比

姜 虹, 沈 琪, 黃偉軍

[1.上海市質量監督檢驗技術研究院, 上海 201114； 2.GTM計量測試技術(中國)辦事處, 上海 200023]

材料試驗機同軸度的好壞對材料性能測試結果的影響較大。美國標準ASTM E1012-2014和中國相關檢定規程都寫明了如何對試驗機的同軸度進行檢測[1],但是兩者的方法和溯源思路是不一樣的。

國際標準ISO 23788:2012《金屬材料 疲勞試驗機同軸度的檢驗》也描述了同軸度檢測[2]，該標準類似于ASTM E1012，主要的區別在于ISO 23788：2012采用2層共8片應變片，而ASTM E1012-2014采用3層共12片應變片。中國標準GB/T 34104-2017等效采用了ISO 23788:2012[3]。

美標和中國檢定規程的主要區別在試樣棒、方法過程、定級標準及計量溯源等方面。為了驗證這兩種方法檢驗試驗機同軸度的可靠性，筆者開展了比對測試工作，以此來確認這兩種方法之間的差異。

1 試驗設備與試驗方法

1.1 試驗設備

根據ASTM E1012-2014，4個應變片位于試樣棒的不同方位的同一層，總共8片或者12片應變片布置在試樣棒的第2層或者第3層，如圖1所示。

圖1 ASTM同軸度標準試樣棒示意圖Fig.1 Schematic diagram of the alignment standard specimen rod in ASTM

用于檢測同軸度的裝置包含標準試樣棒和12通道數采系統和分析軟件。這套裝置由德國ZwickRolle集團制造提供。

用一臺精度等級為0.5的50 kN的材料試驗機來執行此次的比對試驗。多通道數采系統為QuantumX type MX1615B型多通道數采系統，激勵電壓為10 V全橋設置。該設備一共有12路通道，對應于標準試樣棒上的12片應變片。

根據中國檢定規程JJG 475-2008《電子試驗機檢定規程》和JJG 556-2011《單軸疲勞試驗機檢定規程》,同軸度檢定裝置是一套雙引伸計[4-5]。雙引伸計顧名思義就是有兩個引伸計。一個安裝在被檢試棒的左側，而另一個安裝在右側。引伸計是用來測量在拉伸過程中試棒的延伸量。如果試驗機的同軸度是理想的話，那么理論上說兩個引伸計測出來的試棒的延伸量是一樣的。

1.2 試樣棒制備

試樣棒的具體信息見表1，試樣棒尺寸如圖2所示。

表1 試樣棒的信息Tab.1 Information of the specimen rod

圖2 試樣棒的尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of dimension of the specimen rod

1.3 試驗方法

1.3.1 根據美標 ASTM E1012-2014

(1) 把標準試樣棒上端夾持住，信號清零，然后夾持下端。機器先施加一個很小的力，檢查所有12路信號是否正常反應，然后卸載。

(2) 平穩驅動機器施加到機器滿量程的4%,6%和8%，也就是2 kN,3 kN和4 kN。計算機軟件會分別記錄在這3個載荷點時候的信號數據并進行分析計算。(美標原版上要求施加滿量程的10%,20%和40%，為方便比對，該次試驗只加載到滿量程的4%,6%和8%)。

(3) 把載荷卸載到0，將標準試樣棒轉到180°位置，然后按照上述步驟再一次操作。

(4) 把載荷卸載到0，將標準試樣棒從180°方位轉回到初始位置，然后按照步驟2再一次操作。

1.3.2 根據中國檢定規程

(1) 把試樣棒兩端都夾持住。

(2) 加載一個力(機器滿量程的0.5%)，然后把雙引伸計對稱安裝在試樣棒上，如圖3所示,驅動機器到滿量程的1%載荷，然后把信號清零。平穩驅動機器加載到滿量程的10%,這個過程稱之為預加載。如此重復3次。

(3) 把載荷卸載到0，然后加載到1%載荷，并且把雙引伸計信號清零。然后平穩加載到機器的4%,6%和8%，記錄所有數據。(原本是加載到4%,6%,8%和10%,為方便地對該次試驗簡化為4%,6%和8%)。

(4) 把雙引伸計拆卸，然后更換位置到如圖3所示處。重復步驟2和3的操作。

圖3 雙引伸計的位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of positions of double extensometer

2 數據分析

根據美標ASTM E1012-2014,按柱狀標準試樣棒的計算公式計算出了中間一層應變片的數據，見表2。可見得到的最小的彎曲度數據為10.7%，在加載力為4 kN(機器50 kN的8%載荷點)時得到。

表2 ASTM標準試樣棒中間層應變片的數據Tab.2 Data of interlayer strain gauge in the ASTM standard specimen rod

根據中國規程的計算公式，計算出了同軸度的數據，見表3。

表3 采用中國檢定規程測得的同軸度數據Tab.3 Alignment data measured by China calibration guideline

對比表2和表3可知,采用美標測得的彎曲度數值幾乎是采用中國檢定規程測得的同軸度數值的兩倍。

3 討論

對于同軸度的定級，美標和中國檢定規程是不同的。美標只提同軸度等級，而不是試驗機的等級。而中國規程規定不同精度等級的試驗機對應不同等級的同軸度指標。美標定級為5,8,10級,對應的彎曲度為5%,8%,10%;中國檢定規程定級為0.5,1,2級,對應的同軸度為12%,15%,20%。

該次試驗并沒有按照美標要求施加足夠的載荷，因而不能得出結論說彎曲度10.7%就不滿足試驗機等級10級。該次試驗的同軸度表明試驗機滿足0.5級，因為同軸度10.3%,符合標準要求的12%。

另外一個討論點是關于計量溯源。ASTM E1012-2014上說：“標準試樣棒的計量溯源并不做要求，但在加工制造標準試樣棒的時候要非常注意和小心。”這意味著，只有多通道數采是需要校準溯源的。

對多通道數采進行了校準，具體數據見表4。標準值和顯示值之間的偏差小于-0.3%,這是相當理想的。

表4 多通道數采校準數據Tab.4 Multi channel data acquisition calibration data

中國檢定規程的雙引伸計的校準很容易，只要用標準引伸計(微分尺)對這兩個引伸計逐一進行計量校準就好，可以溯源到長度基準。也就是說，中國檢定規程的同軸度裝置完全可以計量溯源。

4 結論及建議

美標和中國規程的同軸度檢測的主要區別在定級標準、裝置(試樣棒)及操作方法過程和計量溯源等方面。

筆者認為美標對于同軸度的檢驗方法更加全面完整，但缺乏完善的計量溯源方式。而中國檢定規程的優點在于易操作，同時能保障計量溯源。但是雙引伸計法具有先天的不足，即不能同時保障試樣棒在全方位反映出試驗機同軸度。

中國的金屬材料拉伸試驗方法標準GB/T 228.1已經到了修訂階段，建議此標準的修訂者關注同軸度檢測技術的發展趨勢。