美标和中国检定规程的试验机同轴度测试方法对比

姜 虹, 沈 琪, 黄伟军

[1.上海市质量监督检验技术研究院, 上海 201114； 2.GTM计量测试技术(中国)办事处, 上海 200023]

材料试验机同轴度的好坏对材料性能测试结果的影响较大。美国标准ASTM E1012-2014和中国相关检定规程都写明了如何对试验机的同轴度进行检测[1],但是两者的方法和溯源思路是不一样的。

国际标准ISO 23788:2012《金属材料 疲劳试验机同轴度的检验》也描述了同轴度检测[2]，该标准类似于ASTM E1012，主要的区别在于ISO 23788：2012采用2层共8片应变片，而ASTM E1012-2014采用3层共12片应变片。中国标准GB/T 34104-2017等效采用了ISO 23788:2012[3]。

美标和中国检定规程的主要区别在试样棒、方法过程、定级标准及计量溯源等方面。为了验证这两种方法检验试验机同轴度的可靠性，笔者开展了比对测试工作，以此来确认这两种方法之间的差异。

1 试验设备与试验方法

1.1 试验设备

根据ASTM E1012-2014，4个应变片位于试样棒的不同方位的同一层，总共8片或者12片应变片布置在试样棒的第2层或者第3层，如图1所示。

图1 ASTM同轴度标准试样棒示意图Fig.1 Schematic diagram of the alignment standard specimen rod in ASTM

用于检测同轴度的装置包含标准试样棒和12通道数采系统和分析软件。这套装置由德国ZwickRolle集团制造提供。

用一台精度等级为0.5的50 kN的材料试验机来执行此次的比对试验。多通道数采系统为QuantumX type MX1615B型多通道数采系统，激励电压为10 V全桥设置。该设备一共有12路通道，对应于标准试样棒上的12片应变片。

根据中国检定规程JJG 475-2008《电子试验机检定规程》和JJG 556-2011《单轴疲劳试验机检定规程》,同轴度检定装置是一套双引伸计[4-5]。双引伸计顾名思义就是有两个引伸计。一个安装在被检试棒的左侧，而另一个安装在右侧。引伸计是用来测量在拉伸过程中试棒的延伸量。如果试验机的同轴度是理想的话，那么理论上说两个引伸计测出来的试棒的延伸量是一样的。

1.2 试样棒制备

试样棒的具体信息见表1，试样棒尺寸如图2所示。

表1 试样棒的信息Tab.1 Information of the specimen rod

图2 试样棒的尺寸示意图Fig.2 Schematic diagram of dimension of the specimen rod

1.3 试验方法

1.3.1 根据美标 ASTM E1012-2014

(1) 把标准试样棒上端夹持住，信号清零，然后夹持下端。机器先施加一个很小的力，检查所有12路信号是否正常反应，然后卸载。

(2) 平稳驱动机器施加到机器满量程的4%,6%和8%，也就是2 kN,3 kN和4 kN。计算机软件会分别记录在这3个载荷点时候的信号数据并进行分析计算。(美标原版上要求施加满量程的10%,20%和40%，为方便比对，该次试验只加载到满量程的4%,6%和8%)。

(3) 把载荷卸载到0，将标准试样棒转到180°位置，然后按照上述步骤再一次操作。

(4) 把载荷卸载到0，将标准试样棒从180°方位转回到初始位置，然后按照步骤2再一次操作。

1.3.2 根据中国检定规程

(1) 把试样棒两端都夹持住。

(2) 加载一个力(机器满量程的0.5%)，然后把双引伸计对称安装在试样棒上，如图3所示,驱动机器到满量程的1%载荷，然后把信号清零。平稳驱动机器加载到满量程的10%,这个过程称之为预加载。如此重复3次。

(3) 把载荷卸载到0，然后加载到1%载荷，并且把双引伸计信号清零。然后平稳加载到机器的4%,6%和8%，记录所有数据。(原本是加载到4%,6%,8%和10%,为方便地对该次试验简化为4%,6%和8%)。

(4) 把双引伸计拆卸，然后更换位置到如图3所示处。重复步骤2和3的操作。

图3 双引伸计的位置示意图Fig.3 Schematic diagram of positions of double extensometer

2 数据分析

根据美标ASTM E1012-2014,按柱状标准试样棒的计算公式计算出了中间一层应变片的数据，见表2。可见得到的最小的弯曲度数据为10.7%，在加载力为4 kN(机器50 kN的8%载荷点)时得到。

表2 ASTM标准试样棒中间层应变片的数据Tab.2 Data of interlayer strain gauge in the ASTM standard specimen rod

根据中国规程的计算公式，计算出了同轴度的数据，见表3。

表3 采用中国检定规程测得的同轴度数据Tab.3 Alignment data measured by China calibration guideline

对比表2和表3可知,采用美标测得的弯曲度数值几乎是采用中国检定规程测得的同轴度数值的两倍。

3 讨论

对于同轴度的定级，美标和中国检定规程是不同的。美标只提同轴度等级，而不是试验机的等级。而中国规程规定不同精度等级的试验机对应不同等级的同轴度指标。美标定级为5,8,10级,对应的弯曲度为5%,8%,10%;中国检定规程定级为0.5,1,2级,对应的同轴度为12%,15%,20%。

该次试验并没有按照美标要求施加足够的载荷，因而不能得出结论说弯曲度10.7%就不满足试验机等级10级。该次试验的同轴度表明试验机满足0.5级，因为同轴度10.3%,符合标准要求的12%。

另外一个讨论点是关于计量溯源。ASTM E1012-2014上说：“标准试样棒的计量溯源并不做要求，但在加工制造标准试样棒的时候要非常注意和小心。”这意味着，只有多通道数采是需要校准溯源的。

对多通道数采进行了校准，具体数据见表4。标准值和显示值之间的偏差小于-0.3%,这是相当理想的。

表4 多通道数采校准数据Tab.4 Multi channel data acquisition calibration data

中国检定规程的双引伸计的校准很容易，只要用标准引伸计(微分尺)对这两个引伸计逐一进行计量校准就好，可以溯源到长度基准。也就是说，中国检定规程的同轴度装置完全可以计量溯源。

4 结论及建议

美标和中国规程的同轴度检测的主要区别在定级标准、装置(试样棒)及操作方法过程和计量溯源等方面。

笔者认为美标对于同轴度的检验方法更加全面完整，但缺乏完善的计量溯源方式。而中国检定规程的优点在于易操作，同时能保障计量溯源。但是双引伸计法具有先天的不足，即不能同时保障试样棒在全方位反映出试验机同轴度。

中国的金属材料拉伸试验方法标准GB/T 228.1已经到了修订阶段，建议此标准的修订者关注同轴度检测技术的发展趋势。