美標和中國檢定規(guī)程的試驗機同軸度測試方法對比
材料試驗機同軸度的好壞對材料性能測試結(jié)果的影響較大。美國標準ASTM E1012—2014和中國相關(guān)檢定規(guī)程都寫明了如何對試驗機的同軸度進行檢測，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，該標準類似于ASTM E1012，主要的區(qū)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。
美標和中國檢定規(guī)程的主要區(qū)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，來自上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院和GTM計量測試技術(shù)(中國)辦事處的姜虹、沈琪和黃偉軍三位研究人員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(jù)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
用于檢測同軸度的裝置包含標準試樣棒和12通道數(shù)采系統(tǒng)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50kN的材料試驗機來執(zhí)行此次的比對試驗。多通道數(shù)采系統(tǒng)為QuantumX type MX1615B型多通道數(shù)采系統(tǒng)，激勵電壓為10V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(jù)中國檢定規(guī)程JJG 475—2008《電子試驗機檢定規(guī)程》和JJG 556—2011《單軸疲勞試驗機檢定規(guī)程》，同軸度檢定裝置是一套雙引伸計。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(cè)，而另一個安裝在右側(cè)。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
圖2 試樣棒的尺寸示意圖
1.3 試驗方法
1.3.1 根據(jù)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(wěn)驅(qū)動機器施加到機器滿量程的4%，6%和8%，也就是2kN，3kN和4kN。計算機軟件會分別記錄在這3個載荷點時候的信號數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)回到初始位置，然后按照步驟2再一次操作。
1.3.2 根據(jù)中國檢定規(guī)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(qū)動機器到滿量程的1%載荷，然后把信號清零。平穩(wěn)驅(qū)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(wěn)加載到機器的4%，6%和8%，記錄所有數(shù)據(jù)。(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
2 數(shù)據(jù)分析
根據(jù)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(shù)據(jù)，見表2。可見得到的最小的彎曲度數(shù)據(jù)為10.7%，在加載力為4kN(機器50kN的8%載荷點)時得到。
表2 ASTM標準試樣棒中間層應變片的數(shù)據(jù)
根據(jù)中國規(guī)程的計算公式，計算出了同軸度的數(shù)據(jù)，見表3。表3 采用中國檢定規(guī)程測得的同軸度數(shù)據(jù)
對比表2和表3可知，采用美標測得的彎曲度數(shù)值幾乎是采用中國檢定規(guī)程測得的同軸度數(shù)值的兩倍。3 討論
對于同軸度的定級，美標和中國檢定規(guī)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(guī)程規(guī)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(guī)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(jié)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(guān)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(shù)采是需要校準溯源的。
對多通道數(shù)采進行了校準，具體數(shù)據(jù)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(shù)采校準數(shù)據(jù)
中國檢定規(guī)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(guī)程的同軸度裝置完全可以計量溯源。4 結(jié)論及建議
美標和中國規(guī)程的同軸度檢測的主要區(qū)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。
姜虹等人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(guī)程的優(yōu)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(jīng)到了修訂階段，建議此標準的修訂者關(guān)注同軸度檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。
作者：姜虹，沈琪，黃偉軍；作者簡介：姜虹（1988-)，女，工程師，主要從事計量檢測相關(guān)工作。單位：1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院；2.GTM計量測試技術(shù)(中國)辦事處
