【干貨】材料拉伸測試中的常見錯誤，你了解多少？

更新時間：2024-02-27

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作為材料力學性能測試的重要環節，拉伸測試在工業制造、材料研發等領域都占據著重要地位。然而，一些常見的錯誤會對測試結果準確性產生巨大影響，這些細節你都注意到了嗎？

力傳感器與測試要求不匹配

力傳感器是拉伸測試中的關鍵組成部分，正確選擇力傳感器至關重要。一些常見錯誤包括：未校準力傳感器、使用不適當量程的力傳感器、力傳感器老化導致失效等。

解決方案

根據試樣選擇最合適的力傳感器需要考慮以下因素：

1. 力傳感器量程

基于您測試樣品所需結果的最大和最小力值確定所需力傳感器量程。如塑料樣品，既要測拉伸強度，又要測模量，就要綜合考慮這兩個結果所處力值范圍來選擇合適的力傳感器。

2. 精度及精度范圍

力傳感器的精度等級常見的有 0.5 級和 1 級。以 0.5 級為例，通常是指測量系統允許的最大誤差在示值的 ±0.5% 范圍內，而不是滿量程的 ±0.5%，區分這一點很重要。

如 100N 力傳感器，在測量 1N 力值時，示值的 ±0.5% 就是 ±0.005N 誤差，而滿量程的 ±0.5% 則是 ±0.5N 誤差。

有了精度，并不代表整個量程全都是一個精度，一定是有下限的，這時候就要看精度范圍。

以不同的 Instron 試驗系統為例，6800 系列的力傳感器可以從滿量程到滿量程的 1/1000 滿足 0.5 級精度。

力傳感器系統精度范圍

夾具不適用或操作錯誤

夾具是連接力傳感器和試樣的媒介。如何選擇夾具將直接影響到拉伸測試的準確性和可靠性。從測試表觀現象看，使用不合適的夾具或錯誤的操作出現的主要問題是打滑或斷鉗口。

打滑

試樣打滑的顯著表現是試樣從夾具中脫出或曲線異常的力值波動。另外也可以通過測試前在接近夾持位置劃線標記，看標記線是否有遠離夾面，或試樣夾持位置齒痕是否出現拖痕來判斷。

判斷試樣是否打滑的兩種檢測方式

解決方案

發現打滑時，先確認夾持試樣時手動夾具是否擰緊，氣動夾具氣壓是否足夠大，試樣夾持長度是否足夠。

在操作沒有問題的情況下，考慮夾具或夾面選擇是否合適。例如金屬板材應采用鋸齒夾面而不是光滑的夾面測試，具有大變形量的橡膠采用自鎖緊或氣動夾具而不是手動平推夾具。

斷鉗口

解決方案

試樣斷鉗口，顧名思義，就是斷在夾持處。與打滑類似，需確認對試樣的夾持壓力是否過大，夾具或夾面選擇是否合適等。

例如，進行繩線拉伸測試時，氣壓過大會導致斷在鉗口處，導致強度和伸長率偏低；薄膜測試，應當使用橡膠涂層夾面或線接觸夾面，而不是鋸齒夾面，以免損傷試樣，導致薄膜過早失效。

載荷鏈對中度差

載荷鏈的對中度可以簡單理解為力傳感器、夾具、轉接頭和試樣的中心線是否在一條直線上。在拉伸測試中，如果載荷鏈的對中度性不好，會導致測試樣品在加載過程中受到額外的偏斜力，受力不均勻，影響測試結果的真實性。

載荷鏈對中狀態（左一：良好的對中度；右二：載荷鏈不在一個軸線上，試樣彎曲）

解決方案

試驗開始前，應先檢查并調整除試樣以外的載荷鏈對中性。之后每次夾持試樣時，注意試樣幾何中心與載荷鏈的加載軸線的一致性。可選擇與試樣夾持寬度接近的夾面寬度，或安裝試樣對中裝置，以便定位與提高夾持重復性。

試樣夾持狀態

（左：試樣夾偏；右：試樣幾何中心與載荷鏈的加載軸線的一致性）

試樣寬度與夾面寬度接近的夾持狀態

采用試樣對中裝置進行試樣定位夾持

應變源的錯誤選擇和操作

材料在拉伸測試過程中會發生變形，應變（變形量）測量常見的錯誤包括應變測量源選擇錯誤、選擇不適當的引伸計、引伸計安裝不當、校準不準確等。

解決方案

應變源的選擇要基于試樣的幾何尺寸、變形量、所需測試結果。

比如要測塑料和金屬的模量，采用橫梁位移測量會導致模量結果偏低，這時需要兼顧試樣標距，所需行程選擇合適的引伸計。

對于長條形箔材、繩線等試樣，則可采用橫梁位移測量其伸長率。不論是采用橫梁還是引伸計，在進行拉伸測試前，確保機架和引伸計經過計量非常重要。

同時，也要確保引伸計的正確安裝。不宜太松，導致測試過程中引伸計打滑，或太緊，導致試樣斷在引伸計刀口處。

采樣頻率不合適

數據采樣頻率往往會被忽略。采樣頻率低，可能導致關鍵的測試數據丟失，影響結果的真實性，如未采集到真正的最大力，導致最大力結果偏低。采樣頻率過高，則會過度采樣，造成數據冗余。

解決方案

根據測試需求和材料特性選擇合適的采樣頻率。一般規則為采用 50Hz 采樣頻率。但對于快速變化的值，應采用更高的采樣頻率記錄數據。

不同采樣頻率的測試曲線

（左：低采樣頻率；右：高采樣頻率）

尺寸測量錯誤

尺寸測量錯誤包括不測量實際試樣尺寸、測量位置錯誤、測量工具錯誤和尺寸輸入錯誤等。

解決方案

做測試時，不應直接采用標準試樣尺寸，而是實際測量，否則可能導致應力偏低或偏高。
不同的試樣類型和尺寸范圍，對尺寸測量裝置的試驗接觸壓力和精度要求不同。
一個試樣往往要測量多個位置的尺寸進行平均或取最小值，在記錄、計算和輸入過程需多加注意，避免出錯。建議采用自動尺寸測量裝置，測量的尺寸自動輸入軟件并進行統計計算，避免操作錯誤的同時，提高測試效率。

自動尺寸測量裝置

軟件設置錯誤

硬件沒問題，不代表最終的結果就是對的。各類材料的相關標準對測試結果會有具體的定義和試驗說明。

軟件中的設置應基于這些定義和測試流程說明進行，如預加載，測試速率，計算類型的選擇和具體參數設定等。

除了以上和試驗系統相關的常見錯誤，試樣制備、測試環境等也對拉伸測試有重要影響，需予以重視。

關注細節，才能更準確地獲取材料的力學性能數據，為工業制造和科研提供可靠的支持。您還有哪些關于拉伸測試的問題或經驗分享，歡迎在文末留言。