摘 要］本文介绍采用微机控制电子万能试验机的引伸计系统绘制力与变形的弹性回归曲线，测定材料的弹性模量。通过对四个方向分别安装引伸计进行弹性模量测定的曲线和结果的分析，说明了万能试验机夹具的施力不均匀对测定结果影响，提出了解决偏心影响的途径，对提高弹性模量测试精确度有一定意义。
［关键词］ 试验机 夹具 电子引伸计 弹性模量 1 引言
弹性模量测定是普通高等院校材料力学教学大纲要求的实验教学内容之一，很多高校采用不同的测试方法（如贴片法），而我们国防科学技术大学则采用微机控制电子万能试验机引伸计系统自动绘制力与变形曲线测定弹性模量。但在弹性模量测定的试验中，我们发现试验机系统中存在不完善之处会对试验结果的准确性产生一定影响，很多同学使用相同的试验设备和试验方案得出的结果却存在差异，究竟是什么因素导致这些差异在产生呢？通过对整个试验的进一步研究我们发现：操作的不规范、设备的差异、夹具本身的受力不均匀、试样尺寸的误差、数据处理方法不同等等都会带来差异。但我们发现，其中以试验机夹具的施力不均匀影响最为明显。借助材料力学的开放性试验,我们通过多个方向分别装卡引伸计测定低碳钢和硬铝的弹性模量，分析万能试验机夹具的施力不均匀产生的原因及对测定结果的影响，并提出解决偏心影响的办法。
2 实验设备与试验系统
实验设备为200kN微机控制电子万能试验机，通过EDC120数字控制器与计算机进行数据交换，并由WYU5/50电子引伸计进行试样变形测量，其标距为50mm,量程为5mm,经过标定其精度在0.5%。试验系统构成如图1。
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图1 试验系统框图
试验机的拉伸夹具为台阶夹具，实物照片如图2。试样是按GB/T228-2002规定的圆形拉伸比例试样，试样形状如图3所示，试样材料分别为低碳钢与硬铝。尺寸参数为: 。
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3 实验原理与试验方案
实验原理：弹性模量是材料在比例极限内，应力与应变的比值。可见，在比例极限内，对试样作用拉力F，并测量出试样标距L0的相应伸长△L，即可求得弹性模量E。在试样受拉伸时，胡克定律表明试样在弹性范围内应力应变呈线性关系，且在比例极限内拉伸过程试验力与变形是可逆的。因此，我们采用绘制弹性回归曲线的方法测定弹性模量。则若“试验力－变形”曲线图中卸载线与加载线重合较好，可说明试验系统误差较小，能真实反映试验机因素对结果的影响。
试验方案：在试样前后左右四个方向分别依次装卡引伸计，如图6（A）所示。用试验机系统的程序控制进行实验，程序设定为：
步骤1：等速位移控制＝2.000mm/min，至试验力=15.000kN
步骤2：等速位移控制＝－2.000mm/min，至试验力=5.000kN
步骤3：等速位移控制＝2.000mm/min，至试验力=17.000kN结束试验，试验机自动复位到原点。
由计算机系统采集并绘制“试验力－变形”弹性回归曲线。根据GB/T8553-1988规定重复进行3次测试，计算三次测量的弹性模量E，计算平均值。
4 测试结果
低碳钢试样的弹性模量测试结果见表1，硬铝试样的弹性模量测试结果见表2。低碳钢不同方向装卡引伸计测试曲线的叠加图见图4，硬铝不同方向装卡引伸计测试曲线的叠加图见图5。
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为了寻找产生试样两侧受力不均匀的根源所在，在老师的引导下，我们打开试验机台阶夹具进行观察分析。台阶夹具构造如图7。
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从图2和图7中我们可以看到台阶夹具由前后两个台阶箱体铰联而成，其中后台阶箱体与施力轴相连，而试验力是通过台阶肩座传递给试样。开始很短时间内试验力只作用于后半个夹具体，而前半个夹具体只通过铰接连片受后半个夹具体牵引。这就导致了试样前后受力不均匀，是试样受力前后不一致的主要来源。而引伸计安装在左右两侧时，位置刚好与台阶箱体及台阶肩座平行，对两个台阶箱体及台阶肩座产生的偏心附加弯矩影响不大，所以差异较小，测试结果较接近平均值。
通过本次实验测试及上述分析，我们认为，为了得到较为准确的测定结果，可采用以下途径完善实验：
1.改进夹具装置，尽量避免夹具各部分施力不均匀的现象。
2.使用现有夹具实验测定时，可将引伸计安装在左右侧（即平行夹具的夹块方向），以减少载荷偏心的影响。
3.使用双边平均引伸计，可减少载荷偏心的影响，测量结果更为准确。
致谢:在实验和论文完成过程中得到了郑文龙高级工程师和刘大泉副教授的指导帮助与实验室提供的支持，在此深表感谢。 参考文献
[1] 单辉祖 材料力学（1）第2版 高等教育出版社.
[2] 郑文龙 材料力学实验 国防科学技术大学,2005.
[3] GB/T228-2002.金属材料 室温拉伸试验方法.
[4] GB/T8553-1988.金属杨氏模量、弦线模量、切线模量和泊松比试验方法（静态法）.
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