材料试验机同轴度对材料性能的影响分析

郑 辉，张 涛，王 鹏

（天津市计量监督检测科学研究院，天津 300192）

1 前言

随着国民经济的进一步提升，制造业在国内的发展十分迅速，高端制造业对材料的要求也愈发严格，而材料试验机则是对各种材料和结构件强度、疲劳等机械性能测试、试验、合格性判断的重要工具。材料试验机的计量性能必须处于良好的状态，其测试数据才具有准确性和可靠性，因此，国家计量检定规程规定材料试验机必须进行周期检定来保证其数据准确可靠。

材料试验机同轴度是试验机检定的一项重要内容，其指的是试验机施加试验力时，上、下夹头的中心线与试验机拉力轴线的重合程度。由于设计、加工、安装、使用等多方面因素的影响，材料试验机不可避免地存在同轴度误差[1]。在材料力学性能测试中，试验机受力同轴度对试验结果的影响极大，尤其是对弹性模量E、规定小应变塑性延伸强度以及脆性材料的测试，同轴度误差将对装配的试样加载额外的非轴向力而产生弯曲，并形成一定的附加应力，因此，同轴度是决定材料试验机性能的重要指标。

2 同轴度对材料拉伸强度的影响

在对试样做性能试验时,要取得试样准确可靠的试验数据，不仅要求试验机的测力示值误差小，而且还要求试验机的同轴度达到一定的要求。

2.1 几何同轴度

在试样不受力的情况下,使用量具用几何的方法测量出上、下夹头之间的几何中心线与加载轴线的偏离程度，为几何同轴度，如图1所示。

图1 几何同轴度示意图

在公式（1）中，α角表示几何同轴度。当α角越大时，测得的试样抗拉强度越差。

式（1）中：σb（α=0）为真实抗拉强度；σb（α≠0）为试验抗拉强度[2]。

2.2 受力同轴度

试样在受力状态下，用同轴度测试仪测出的同轴度称为受力同轴度。受力同轴度主要反映了试样断面上的应力不均匀程度。受力同轴度越大，试样断面上的应力越不均匀，测得试样的性能越低于其真实值。同轴度计算公式为：

式（2）中：e为加力系统中上、下夹头的中心线与试验机加力轴线的同轴度，%；△Lmax为在同一测量点、同一次测量中检验试样较大一侧的变形值，mm；为在同一测量点，同一次测量中，检验试样两侧变形的算术平均值，mm。

同轴度的偏差容易导致实验结果的不准确，因此，在使用试验机对材料进行性能实验时，必须保证同轴度的准确，这就需要试验机检定过程中对同轴度的检定做到准确。

3 同轴度校准方法

当前，在各现行有效的规程规范包括JJG 139—2014《拉力、压力和万能试验机检定规程》在内，规定的材料试验机的同轴度的检测方法大多有两种类型，即同轴度检查和同轴度检定。

3.1 同轴度检查

几何同轴度是利用百分表、水平仪或其他测量工具在不受力状态下利用几何方法测出的同轴度，对于试验力不大于30 kN的试验机，使用重锤和配套定心盘进行检查，定心盘中心刻有φ2 mm的圆，检查时，先将锥形重锤悬挂在上夹具中心处，定心盘固定在下夹具中心。移动活动夹具，使试验空间不小于500 mm，调节悬挂线长度，并使锤尖尽量接近定心盘盘面，检查锤尖是否落在规定直径圆内。

3.2 同轴度检定

受力同轴度是由安装在上下夹头之间的试样，在受力的状态下测出的同轴度。具体方法如下：对于最大试验力大于30 kN的试验机，选择合适的检验试样，使用同轴度测试仪（或其他相应准确度的测量装置）进行检定，检定时，先将检验试样夹持在夹头上，并施加试验机最大试验力约1%的初始力，调整同轴度测力仪的零点，再施加试验力至最大试验力的4%，同时注意检验中使用的最大力不应使检验试样产生塑性变形，测量试样相对两侧的弹性变形，在相互垂直的方向上各测3次[3]。

4 同轴度的调整方法

在试验机整体结构中，单个夹头夹持同轴度是描述同心棒中心线与夹头夹持中心线重合的程度，e、Δ值小说明单个夹头同轴度好。在调整试验机同轴度时，因立柱、横梁锁紧方式已定，要改动比较困难，调整单个夹头夹持同轴度是关键。依据检定规程要求，试验机同轴度要求500 mm长时，e为2 mm，所以单个夹头夹持同轴度e值尽量小。e值大，说明同心棒中心线与夹头夹持中心线位移大，说明两夹头块不一致或左右夹头块的基角不一致，可改变基角加以修正。测量试验机的同轴度，目的是要寻找和得到较好的夹头同轴度。从试验机整体结构看，活动横梁两端与立柱间的间隙是关键，间隙两端不一致会引起横梁升降时，横梁传感器基面不平行，直接影响上夹头夹持倾斜。在调整两端间隙时，可以在活动横梁上放一水平仪，其间隙调整至活动横梁升降自如，并且水平仪的水平变化尽量小，这是保证上下夹头同轴度的基础。其实这个环节出厂时已调得差不多，使用者应该在更换夹头时或在更换夹头块后，注意测量和调整上下夹头的同轴度[4]。

5 结论

本文通过对材料试验机同轴度的分析，总结了同轴度对材料拉伸强度两种不同影响的方式，包括几何同轴度和受力同轴度的影响，介绍了计量部门对于试验机同轴度的检定方法，最后给出试验机进行材料性能实验时同轴度的调整方法，以减小同轴度误差对材料性能实验结果的影响。