一文讀懂材料力學(xué)測試中的試樣尺寸測量

在日常測試中，除了設備本身的精度參數外，您是否考慮過(guò)試樣尺寸測量對測試結果帶來(lái)的影響？本文將結合標準及具體案例，對一些常見(jiàn)材料的尺寸測量給出一些建議。

此問(wèn)題取決于兩點(diǎn)。

第一，該誤差造成的相對誤差到底有多大。比如同樣是 0.1mm 的誤差，對于 10mm 的尺寸，誤差為 1%，對于 1mm 的尺寸，誤差則達到 10%；

第二，該尺寸對于結果的影響有多大。對于彎曲強度計算公式，寬度對結果是一次方的影響，而厚度對結果的影響則是二次方的影響，相對誤差相同的情況下，厚度對結果的影響更大。

如下實(shí)際案例，彎曲測試樣條標準寬度和厚度分別為 10mm 和 4mm，此時(shí)彎曲模量為 8956MPa，當輸入真實(shí)試樣尺寸，寬度和厚度分別為 9.90mm 和 3.90mm 時(shí)，彎曲模量變?yōu)?9741MPa，增加了將近 9%。

目前比較常見(jiàn)的尺寸測量設備，主要為千分尺、卡尺、測厚儀等。

普通的千分尺一般量程不超過(guò) 30mm，分辨率 1μm，最大示值誤差 ±(2~4)μm 左右。高精度的千分尺分辨率可達到 0.1μm，最大示值誤差 ±0.5μm。

千分尺內置了一個(gè)恒定測量力值，每次測量都能在恒定接觸力的情況下得到測量結果，適用于硬質(zhì)材料的尺寸測量。

常規的卡尺量程一般不超過(guò) 300mm，分辨率 0.01mm，最大示值誤差 ±0.02~0.05mm 左右。部分大型卡尺量程可達到 1000mm，但誤差也會(huì )增加。

卡尺的卡緊力值取決于操作員的操作，同一個(gè)人的測量結果一般比較穩定，不同人之間的測量結果會(huì )有一定差距，適用于硬質(zhì)材料的尺寸測量以及部分大尺寸軟質(zhì)材料的尺寸測量。

測厚儀的行程、精度和分辨率一般和千分表差不多。此類(lèi)設備也能提供一個(gè)恒定的壓力，但壓力可以通過(guò)改變頂部的負載來(lái)調整。一般來(lái)說(shuō)，此類(lèi)設備適合測量軟質(zhì)材料。

選擇尺寸測量設備的核心是確保能獲得有代表性的、重復性高的測試結果。首先我們要考慮的是基本參數：量程和精度。此外，例如千分尺、卡尺等常用的尺寸測量設備都屬于接觸式測量設備，對于一些特殊形狀或者軟質(zhì)樣品，我們還應考慮測頭形狀以及接觸力的影響。實(shí)際上，不少標準都對尺寸測量設備提出了相應的要求：

ISO 16012:2015 規定了對于注塑樣條，可使用千分尺或者千分表式厚度計測量注塑試樣的寬度和厚度；對于機加工的試樣，還可使用卡尺和非接觸測量設備。對于 ＜10mm 的尺寸測量結果，要確保精度在 ±0.02mm 以?xún)?，對?≥10mm 的尺寸測量結果，精度要求為 ±0.1mm。

GB/T 6342 規定了泡沫塑料和橡膠的尺寸測量方法。對于部分樣品，允許使用千分尺以及卡尺，但嚴格規定了千分尺和卡尺的使用方法避免樣品受很大的力，造成測量結果不準確。此外對于厚度 ＜10mm 的試樣，標準還推薦使用測微計，但對接觸應力做了嚴格的要求，為 100±10Pa。

GB/T 2941 則規定了橡膠樣品的尺寸測量方法，值得指出的是對于厚度  ＜30mm 的試樣，標準規定了測頭的形狀為直徑 2mm~10mm 的圓形平面壓足，對于硬度 ≥35 IRHD 的樣品，施加的負載為 22±5kPa，對于硬度 ＜35 IRHD 的樣品，施加的負載為 10±2kPa。

• 對于塑料拉伸樣條，推薦千分尺測量寬度和厚度；

• 對于缺口沖擊樣條，可用千分尺或分辨率1μm的測厚儀測量，但測頭底部圓弧半徑不超過(guò) 0.10mm；

• 對于薄膜樣品，推薦分辨率優(yōu)于1μm的測厚儀測量厚度；

• 對于橡膠拉伸樣品，推薦測厚儀測量厚度，但要注意測頭面積和負載；

• 對于較薄的發(fā)泡材料，推薦專(zhuān)用測厚儀測量厚度。

有些試樣的測量位置要考慮能代表試樣的真實(shí)尺寸。

例如注塑成型的彎曲樣條，樣條側面會(huì )存在一個(gè)不大于 1° 的脫模角，因此寬度的最大最小值之間的誤差能達到 0.14mm。

此外注塑試樣會(huì )存在熱收縮，在試樣中間測量和邊緣測量會(huì )存在較大差異，因此相關(guān)標準也會(huì )規定測量的位置。例如 ISO 178 要求試樣寬度的測量位置為厚度中心線(xiàn) ±0.5mm 的位置，厚度測量位置為寬度中心線(xiàn) ±3.25mm 的位置。

在確保尺寸測量無(wú)誤外，還應注意防止人為輸入錯誤引起的誤差。

對于本文提到的千分尺、卡尺、測厚儀等設備，Instron 所有試驗系統均支持一鍵導入尺寸測量結果，避免人為輸入誤差。