光标定位技术在拉伸试验中的应用

张春花

（河钢唐钢不锈钢公司，河北唐山063000）

0 引言

拉伸试验是钢产品的一项常规物理性能检验，试验用拉力拉伸试样，一般拉至断裂，测定一项或几项力学性能[1]。使用的仪器设备主要为全自动拉伸试验机和半自动拉伸试验机。在拉伸试验过程中，应最大程度地确保夹持的试样受轴向拉力的作用，这将直接影响数据结果的准确性。全自动拉伸试验机采用试验机配备的机械手自动夹持试样；半自动拉伸试验机采用人工手动装卸试样。人工手动装卸试样，在夹持试样时需要操作人员通过目测粗略观察试样夹持是否垂直和对中，垂直度误差较大，试样断裂后易产生错位，影响试验结果的准确性。目前，很多企业在试验时配置的拉伸试验机均为半自动拉伸试验机，若全部更换为全自动试验机，成本较高。为了提高试验准确性，对现有的半自动试验机进行改造，改进现有的测试技术和创新的测试技术，通过实验室的小试样，更加准确地反映金属材料各种构件在使用过程中的实际性能[2]。

1 现状原因分析

1.1 现有设备调查

试验室现在使用的拉伸试验机为长春机械科学研究院生产的电子万能试验机，型号为DNS100，为该厂最新型的产品。

图1 DNS100型电子万能试验机

DNS系列电子万能试验机是用于材料力学性能测试的新型机电一体化试验设备。本系列产品由计算机系统和板卡式数字测量控制系统组成，能够自动、精确地测量和控制试验力、位移和变形等试验参数，是一种多功能、高精度的静态试验机。该设备可以进行试验力、变形等速率控制以及恒试验力、恒变形等试验。根据非连续屈服试样的拉伸应力-应变曲线特征,为简单起见，可将其大致分为4个阶段,即弹性阶段、屈服阶段、均匀塑性变形阶段和颈缩阶段[3]。各种试验数据由计算机进行处理和屏幕显示。

试验机配备的硬件和软件性能高端，唯一不足之处在于没有自动装卸试样功能。

1.2 分析试验状态

（1）将制备好的拉伸试验片在拉伸试验机上做拉伸试验，利用应力-应变拉伸曲线，得出抗拉强度、屈服强度、伸长率等数据。拉伸试验断裂的试样对接后，两断裂部分有的试样不在一条直线上，拉伸试样各部位的塑性变形在断口处最大，向两边逐渐减少，如图2所示。

（2）金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑形极限而呈现完全分开的状态[4]。分析试样断裂的影响，将最近8个月的试验数据进行统计，分析正常断裂试样比例，结果见表1。

表1 使用前错位与正常数据数量比对 /个

通过表1数据可以看出，正常断裂试样比例占88．87%左右，未达到制定的90%的目标值。

（3）对数据准确度的影响，将与其他通过实验室认可CNAS的单位对标的试验结果进行统计，分析结果见表2。

图2 拉伸断裂试样

1.3 人工操作分析

在高应变速率下，位错积累增殖产生的应变强化，以及位错加速阻力引起的应变率强化，导致材料强度上升。因此，在试验过程中，严格按照国标中规定的应变速率模式进行控制。有资料显示，夹具的影响在作物理性能试验中发生的机率最高，约占80%以上。夹持方法对试验脆性材料或规定塑性延伸强度、规定总延伸强度、规定残余延伸强度或屈服强度的测定尤为重要[5]。人工手动夹持试样时，没有垂直参照物对照，如图3所示，易造成试样夹持不正。通过查阅资料，易产生图4（b）、（c）类异常断裂[6]。

表2 使用前与其他单位对比结果

图3 手动夹持试样

图4 几种断裂类型

2 光标定位技术应用

通过试验与探索，将光标定位技术应用到拉伸试验中。

2.1 光标定位装置的使用

在拉伸试验机框架安装光标定位装置，使人工夹持试样不再只局限于人眼观察，而是依靠垂直光标定位装置的十字线激光镭射灯的光标线定位。试样放到夹具中，光标定位装置自动发出光标照射试样的上下和中间位置，进行垂直对中定位，确认定位正确后，再夹持试样。如图5所示，试样夹持垂直度高。

图5 使用光标定位夹持试样

2.2 光标定位装置的原理

光标定位装置由十字线激光镭射灯、灯座、调整底座、固定支架组成。固定支架由两枚支架固定螺丝固定连接在拉伸试验机框架上，两枚支架固定螺丝的打孔位置距离试验机上夹具顶部500mm，每台试验机夹头大小形状不同，打孔安装位置也不同，基本原则是使十字光标线的垂直光标线和水平光标线的交叉点在最长试样的中间位置，且要求两个螺丝孔的高度一样，才能保证固定支架平面水平。

调整底座由水平杆和调节杆组成，水平杆由底座固定螺丝固定连接在固定支架的上平面上，调节杆的下端通过角度调整螺栓与水平杆为可转动的转轴连接，转轴由角度调节螺栓固定，用于调节调节杆的角度，调整杆的上端与灯座固定连接。转动调节杆可以调整灯座的角度，使灯座中的十字线激光镭射灯的光线照到试样的正确位置。

十字线激光镭射灯套装在灯座内，十字线激光镭射灯与灯座由镭射灯紧固螺丝紧固，十字线激光镭射灯的照射方向与拉伸试验机的试样表面相对。十字线激光镭射灯发射的垂直光标线长度为400 mm，可以满足不同试样长度试样的要求，现用试样平行部最长为300 mm。水平光标线的长度为200 mm，可满足不同宽度试样的要求，现用试样最宽为40 mm。

使用时，打开夹具液压开关，垂直对中装置电源线与油泵开关连接，随同油泵启动自动开启，十字线激光镭射灯发射红色十字定位光标照射到到试样安装部位，将试样放置在夹块内，根据垂直光标线的位置为参照来调整试样垂直度，调整好后，按下试样夹紧按钮，试验机夹紧试样，利用计算机操作开始进行拉伸试验。试验结束后，松开夹紧按钮，取下试样，关闭夹具液压开关，垂直对中装置随同油泵关闭自动关闭。

3 改进效果

3.1 断裂后试样垂直度增加

图6 使用前与使用后对比

（1）安装使用光标定位后，对使用定位后的效果进行了集中试验分析，结果显示在进行的46个试样中，有44个合格样品，占95．65%，高于之前88．87%的比例，说明使用效果良好。

（2）对使用光标定位后3个月的试验数据进行汇总，分析结果见表3。

表3 使用后错位与正常数据数量比对/个

经过试验统计，表3的结果显示拉伸试样断裂后垂直度比例平均96．33%，超出目标值90%，远高于之前88．87%的比例，节省了重复试验的时间，提高了试验效率。

3.2 数据准确度提升

用光标定位后3个月，将与其他通过实验室认可CNAS的单位对标的试验结果进行统计，分析结果见表4。

表4 使用后与其他单位对比结果

经过试验统计，图6显示使用光标定位后，与其他单位对比偏差缩小，数据准确度提升。

4 结论

光标定位技术应用在拉伸试验手动垂直夹持试样，弥补了半自动拉伸试验机夹样的自身不足，能够快速准确地定位试样垂直度，试样夹持效果好；使用时，打开夹具液压开关，光标定位装置电源线与油泵开关连接，随同油泵启动自动开启，试验结束后，关闭夹具液压开关，光标定位装置随同油泵关闭自动关闭，不增加额外操作步骤；可实现宽度全段控制，自动启动，具有不受试样长短不一的影响、不受夹持头部晃动的影响、占用空间小、装卸方便等优点；可弥补手动夹持试样目测的垂直误差，达到全自动拉伸试验机的效果，适用于手动夹持试样拉伸试验机的安装推广使用。