浅析压力试验机承压板变形对强度试验的影响

刘飞 黄桂荣 黄元媛 况严

【关键词】材料强度；承压板变形；受力面积

压力试验机作为检验材料强度最常用的试验设备，在工业领域中占有重要地位。材料强度检验结果是否准确与压力试验机的力值传感器有很大关系，所以对压力传感器进行量值溯源，能够保证材料强度检验结果的准确。除了力值传感器，压力试验机的承压板也会对材料强度检验结果产生影响。由于铸造承压板的材料和工艺不同，压力试验机的承压板经过长期使用，会产生不可恢复的永久性形变，这种永久性形变会对材料的真实强度带来影响。

1 承压板的作用

压力试验机的承压板作为与被检材料直接接触的物体（如图1 所示），在材料强度P、受力面积S、力值F 几个重要因素中，承压板对面积S 因素的影响最为直接。一般压力试验机的承压板由金属材料制成，硬度与强度均高于被检材料。作为材料强度检测过程中与被检材料直接接触的部分，承压板受力面的水平度与粗糙度均有相应的要求。实际检测过程中，实验人员考虑最多的是被检材料的受力面积，计算材料强度时，往往计算的是被检材料的实际尺寸，但随着设备使用年限的增加，检测试件长时间与承压板的表面摩擦接触，会对承压板的水平度与粗糙度产生影响，直观表现为承压板变形。

本研究通过数据分析，探讨压力试验机承压板的变形对实际检测带来的影响，特别是在材料强度偏低的情况下，对材料强度检测结果带来的影响。

2 承压板变形对强度带来的影响

2.1 材料强度P与受力面积S、试验力值F的关系

通过公式（1）可以计算材料强度，从公式可知，材料强度P与力值F和面积S 有关。面积一定的情况下，材料强度与力值呈正相关；力值一定，材料强度与受力面积呈负相关。本文主要讨论的是同一批材料，所以强度可以默认为不变，一旦压力试验机的力值经计量检定并确认准确可靠，那么实际影响被检物强度的因素主要就是受力面积。

被检材料强度的试件在制作时，多数试件已经按照一定的试模制作成固定尺寸的标准试件，如混凝土受压件都是150 mm×150 mm×150 mm、100 mm×100 mm×100 mm、160mm×40 mm×40 mm、70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm等标准尺寸。所以在检测材料强度时，只要受力面积一定，那么影响强度变化的因素就是力值；同理当压力试验机力值被检定校准合格时，影响材料强度的因素就是受力面积。

2.2 影响受力面积的因素

在实际检测过程中，考虑受力面积影响时会出现两种情况：1）试件面积不准确；2）承压板的变形引起受力面积变化。实验室的实验人员在这两种情况下，通常关注试件本身面积和强度问题，所以在实际遇到同一批材料发生强度变化，特别是强度偏低时，首先就会分析到底是试件材料本身强度不够，还是制作的试件尺寸存在偏差。

实验人员通过直接测量发现，材料面积基本都是在标准试模中成型，材料尺寸和平整度一般变化不大。实验人员发现强度偏低时，往往会将多组相同规格的试件在另一台经检定合格的压力试验机上进行检测，鉴别材料本身强度是否存在问题。一旦实验人员排除试件本身强度和试模面积都不是影响强度突然偏低的原因后，就会怀疑压力试验机力值不准确。然后通过计量检定人员检定后再进行判断。一旦其力值也在合格范围内，这时实验人员多会判断是材料本身出现问题。

其实，实验人员经常会忽略另一个影响量——承压板。压力试验机的承压板作为直接受力的物体，虽然材质强度远远大于材料的强度，但其在多年使用后也会出现变形。承压板变形的主要原因在于实验人员在同一个位置磨损，造成承压板变形。

2.3 承压板变形对强度的影响

承压板的变形带来的主要变化是接触面积变小，达不到原试块的接触面积。实验人员通过模拟承压板变形，即磨损面积为原来面积的1%、5%、10%、15%、20%进行分析，则实际受力面积为99%S、95%S、90%S、85%S 和80%S，由公式（1）可知，要想材料强度P 不变，在使用压力试验机检测时，其检测的力值必须随受力面积的变化而变化，即力值（F）=材料强度（P）×受力面积（S）。由表1 可以分析出实际力值随面积的变化情况。

由表1 可以看出，由于接触面积的变化，其实际力值随着实际接触面积的减小而下降，磨损面积越大，实际力值越低。检测力值F 降低为原来99%F、95%F、90%F、85%F、和80%F。其变化关系如图2 所示。

通常在实际计算强度过程中，实验人员客观认为受力面积S 由试件本身尺寸测量确定且是固定的，但是实际测出的力值F 是由承压板变形后得到的，由于真正的实际受力面积已经减小导致实际力值降低，那么无论是手动计算还是电脑软件计算的强度P也会随着真实力值的减小而减小，如表2。

通过表2 分析可知，由于压力试验机承压板的变形，在对试件的强度检测过程中，受实际受力面积的变化，其得到的强度也会减小。其变化关系如图3 所示。

这也是实验室的实验人员在检测过程中，压力试验机的力值是符合等级要求的，而且同一批产品在其他检定合格的压力试验机上检测结果也为合格，但使用本台压力试验机检测出来的材料强度始终会偏低的原因。这种情况如果不进行正确的分析，而是盲目地通过添加材料的配比来增加材料的强度，无疑会给企业带来一定经济负担，生产成本也随之增加。如果实验人员意识到材料强度的降低是由于压力试验机的承压板发生了变形引起的，便能通过检查承压板的变形情况来解决这个问题。

3 判断承壓板变形的方法

承压板变形的直接表现为表面平整度达不到要求。被检材料试件长时间与承压板发生摩擦，导致承压板某个位置与其他位置不在同一平面，从而影响了接触面积。但是实验室的实验人员在检测材料强度之前不可能每次都请专业人员进行检测，这样不仅降低了效率，也增加了成本。为了有效控制成本这里可使用刀口型直角尺对承压板进行测量，测量时将刀口处紧靠承压板表面，通过肉眼观察刀口型直角尺的刀口与承压板之间是否有光线通过。通过各个方向的观察，如果发现有光线通过，且肉眼可见间隙很大，说明此压力试验机的承压板已经发生了严重的变形，并且该变形已经影响材料强度的判断，需对承压板进行抛光处理，或者直接更换已经变形的承压板，再通过其他经过检定合格的压力试验机进行验证，从而判断是否已经解决承压板变形带来的影响。

4 结论

实验人员在使用压力试验机检测材料强度时，出现压力试验机的力值准确且该批材料强度合格，但实际检测强度却偏低的情况。这时需要分析压力试验机的承压板是否发生了变形，导致材料强度发生变化，进而影响材料的实际强度的判断。这给实验工作带来一定的启发，在发现问题的时候，应通过分析来判断问题的来源并解决问题。承压板变形影响材料强度是很多实验室的实验人员最容易忽视的一个因素。通过分析影响材料强度的每个影响量，判断出影响强度实验的因素，从而改进，才能保证结果的真实可靠。