苏英
（天津钢管集团有限公司，天津，300301）
摘要:针对目前国内仍有许多金属材料拉伸试验机不能或不适宜进行应力、应变、位移三段控制的实际情况，探讨了用位移控制替代应力控制和应变控制的金属材料拉伸试验全程位移控制法，避开了三种控制方式之间的转换。在没有对拉伸速率提出特殊要求的情况下，可以近似应用本方法。 关键词: 拉伸试验 位移控制 应力控制 应变控制 控制方式转换 系统柔度
The method for tensile test With
displacement control mode in all process
Yingqun su
Tianjin Pipe(group) CO., LTD, Tianjin 300301
Abstract Whereas most metallic materials tensile test machines in our country are not able or not suitable to do tests in three segment controls with stress ,strain ,and displacement control modes, this paper brings out the idea of displacement control method in all process which use displacement control as a substitute for stress control and strain control to avoid the transition between the three control modes. It can be used in the case that the tensile speed is not required especially.
Key word tensile testing displacement control stress control strain control control modes transition system flexible
1、 引言
为了准确测定金属材料拉伸性能，使试验结果具有可比性，各国拉伸试验标准无一例外地规定了试样拉伸时弹性阶段应力速率、屈服阶段应变速率和破断前两夹头分离速率。满足这种要求的一种方法是直接进行应力、应变、位移三段控制。鉴于目前国内用于金属材料拉伸试验的仪器大多不能直接实现应力、应变、位移三段控制，即使有的试验机能够实现，因控制方式转换时不平稳，测试人员一般不会使用这种方法。另外，由于某些类型引
伸计结构设计缺陷、试样表面不良状态等多种原因，会使刀口打滑引发应变控制的危险性，测试人员不敢轻易使用应变控制。为了寻求一种既能满足试验标准对拉伸速度的要求，又能简化试验程序的方法，笔者曾在1994年《天津钢管创刊号》上发表了题为《申克 RBO 万能材料试验机速度控制研究》的论文，推导了夹头位移速率与应力增加速率的关系，提出了用位移控制代替应力控制的方法。十几年来，笔者所在实验室一直采用全程位移控制法进行拉伸性能的产品检验和科研实验,实际测定的应力速率和应变速率与设定值比较接近，可以满足试验标准对拉伸试验不同阶段的拉伸速度要求。本方法适用于：⑴仅能进行位移控制，而不具有应力、应变控制功能的试验机；⑵即使具有应力、应变控制功能，但不能进行应力、应变、位移三种控制方式转换的试验机；⑶能进行应力、应变、位移三种控制方式转换，但转换时有“过冲”，既转换不平稳的试验机；⑷能进行应力、应变、位移三种控制方式转换，但因应变控制的危险性，不希望进行应变控制的测试者；⑸拉伸试验软件设计者。
2 全程位移控制法
2.1试验系统柔度对拉伸速度的影响
拉伸试验时，试样对试验系统（包括机架、加载机构、载荷测量装置、试样夹持部分等等）施加一个反向载荷，使试验系统发生变形。如果试验系统的变形量大，说明试验系统柔度大。试验系统柔度的定义是：系统在承受载荷时，每增加单位力所产生的弹性变形量，单位为mm/N。位移传感器一般固定在移动横梁或移动夹头上，显而易见，经位移传感器测量的位移不能代表试样标距部分的位移。要想通过位移传感器反馈信号控制试样标距部分位移，必须考虑系统柔度的影响。
2.2 用位移控制替代应力控制
由于系统柔度的作用，夹头（横梁）位移S应该等于试样平行长度位移△L与系统柔度K作用产生的位移之和，既
S＝△L+KF ⑴
式中，F为试样承受载荷
在试样拉伸的线弹性段，应力σ与应变ε成正比，既
σ= Eε ⑵
式中E为拉伸弹性模量
而ε＝△L/Lc ⑶
式中Lc为试样平行长度
将⑶代入⑵，得
△L＝Lcσ/E ⑷
设试样变形所用时间为t，则△L/t为试样平行部分变形速率，应力速率＝σ/t。由⑷式两边除以t，得
△L/t＝Lc/E ⑸
用V表示夹头（横梁）位移速率，则V＝S/t，由⑴式得
V＝△L/t+KF/t ⑹
将⑸带入⑹得
V＝Lc/E+KF/t ⑺
用S0表示试样平行部分横截面积，将⑺式变形：
V＝Lc/E+K S0（F/ S0）/t＝Lc/E+K S0σ/t＝（Lc/E+K S0），既
V＝（Lc/E+K S0） ⑻
⑻式确立了拉伸试验弹性阶段夹头位移速率与应力速率的关系。式中Lc、E、S0都是已知项，K值由实验测定后也是已知量。给定一个试验要求的应力速率，就可由⑻式计算出夹头（横梁）位移速率V，对机器控制参数进行设定后，可由试验程序准确控制。
现在看一个实例：试验仪器为GALDABINI SUN 100 电子万能材料试验机，在已知试验状态系统K值条件下（K＝1.97×10-5 mm / N），想要用位移控制达到试样应力速率为25 N/ mm2/s的目的。已知Lc＝75mm， S0约为480mm，由⑻式计算，V＝0.245mm/s。用这个位移速度进行弹性阶段拉伸试验结果见表1。
表1 SUN 100试验机速度控制验证实验结果
试样号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
S0（mm2） | 481.0 | 455.3 | 486.5 | 482.7 | 512.3 |
实测（N/ mm2蜂蜜包装盒/s） | 24.9 | 22.9 | 26.9 | 25.4 | 27.9 |
与期望值偏差（N/ mm2/s） | -0.1 | -2.1 | +1.9 | +0.4 | +2.9 |
| | | | | |
再来看一个实例：试验仪器为SCHENCK RBO 600 电液伺服万能材料试验机，在已知系统K值条件下（K＝5.41×10-6 mm / N），想要用位移控制达到试样应力速率为28 N/ mm2的目的。已知Lc＝82mm， S0约为320mm，由⑻式计算，V＝0.059mm/s。用这个位移速度进行弹性阶段拉伸试验结果见表2。
表2 SCHENCK RBO 600试验机速度控制验证实验结果
试样号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
S0（mm2） | 313.2 | 309.3 | 316.5 | 323.8 | 339.2 |
实测 | 27.5 | 27.4 | 28.1 | 27.9 | 27.1 |
与期望值偏差（N/ mm2） | -0.5 | -0.6三维激光扫描系统 | +0.1 | -2.1 | -2.9 |
| | | | | |
两台试验机的速度控制验证实验表明，用位移控制替代应力控制是方便可行的，可以近似达到预期目的。
当然，如果机器能进行应力、位移控制方式之间的转换，且转换时无“过冲”，可以直接使
用应力控制，过渡到2.3节。
2.3 用位移控制替代应变控制
保温系统设载荷增加速率为＝F/t，试样伸长速率为V试样＝△L/t，则由⑹式，夹头炒茶机（横梁）移动速率为：
V＝V试样+K ⑼
试样在弹性范围内加载时， V试样＝Ve，则
V＝Ve+K ⑽
当试样进入屈服阶段时，V试样＝Vp, 应力速率接近0，既＝0，则由⑼式
V＝Vp ⑾
各国试验标准对试样平行长度的应变速率做了规定。例如，GB/T228－2002规定，E≥150000N/mm2时的应变速率为0.00025/s～0.0025/s，这里用表示。
若将其转化为夹头（横梁）位移速率，则仅需将乘以试样平行长度，既
V＝Lc ⑿
于是，就可以用⑿式设定夹头（横梁）位移速率，实现间接控制试样应变速率的目的。
2.4 用位移控制完成抗拉强度测试
试样屈服阶段完成后，为了测定抗拉强度，多数国外标准仅对两夹头（横梁）分离速率做出了规定，只要按标准要求设定夹头位移速率即可。
布线槽
GB/T228-2002规定试样平行长度的应变速率不应超过0.008/s，这时可以用⑿式进行计算，可不必考虑系统柔度的作用， 因为试样标距长度实际变形速率要小于夹头（横梁）位移速率，用⑿式计算的控制参数肯定不会超出标准要求，这是一种最简洁的办法。
2.5测定柔度的简易方法
2.5.1 测定方法
运用⑻式时，必须知道系统K值。可以用传统的测试方法，用具有屈服平台的若干个试样测定系统K值，但测试过程比较繁琐。
这里介绍一个简易方法。测试原理是将⑻式变形，得到
K＝（V/－Lc/E）/ S0 ⒀
因V是设定值，Lc、E、S0都是已知量，只要在试验时测定出试样弹性阶段应力速率，就可由⒀式计算出系统K值。
的测定方法比较简单，如有X-Y记录仪，可以绘制F－t曲线，从曲线的弹性段求出；也可以在弹性段用秒表计时方法计算出。当然，如果配有试验数据采集系统，可更方便地计算出，有的试验软件则可自动计算出系统柔度。
用⒀式测试系统柔度时，可使用平时试验量较大的试样，重复测试次数不少于10次，取平均值即可。
2.5.2 K值测定举例
例1 GALDABINI SUN 100 电子万能材料试验机特定条件下的K值测定
特定条件：室温， 液压楔型夹具， Lc＝70mm， S0＝325.2mm2, E=210000, 设定V=0.083mm/s，测定的弹性阶段应力速率和利用（13）式计算的K值的结果见表3。
表3 SUN 100 试验机K值测定结果
试样号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
实测（N/ mm2） | 11.10 | 11.53 | 12.66 | 10.27 | 11.58 | 13.54 | 12.84 | 13.14 | 12.94 | 11.09 |
K计算（mm / N×10-5） | 2.19 | 2.11 | 1.91 | ca37802.38 | 2.10 | 1.78 | 1.89 | 1.84 | 1.87 | 2.20 |
K平均（mm / N×10-5） | 2.06 |
| | | | | | | | | | |
例2 SCHENCK RBO 600 电液伺服万能材料试验机特定条件下的K值测定
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