应变测试技术

目录

第1章应变测试概况 (1)

第2章应变测试的原理 (2)

2.1 应力与应变的关系 (2)

2.2 电阻应变片的构造 (8)

2.3 应变片的工作原理 (9)

第3章主要设备及配套器材 (10)

3.1 电阻应变片 (10)

3.2 电阻应变仪 (16)

3.3 应变测试系统 (16)

第4章应变测试的工艺要点 (17)

4.1 应变片的选型 (17)

4.2 选择粘贴应变片用胶黏剂 (18)

4.3 应变片的粘贴 (19)

第5章应变测试的应用 (21)

5.1 运动构件的应变测量 (21)

5.2 高(低)温条件下应变测量 (25)

第6章应变测试方法的特点及适用范围 (27)

参考文献 (29)

第1章应变测试概况

应变测试是当各种机械或者结构物有外力作用时，通过它来获得各部分发生的应变大小、应力状态和最大应力所在位置和大小，以此判断各部件的尺寸、形状和使用的材料是否合适，从而达到安全、价廉和经济的设计。另外，应变测试可以估计断裂负荷，并能进行断裂预测而不需要损坏部件材料，因此它是无损检测的一个重要领域。

电阻应变测量方法是实验应力分析方法中应用最为广泛的一种方法。该方法是用应变敏感元件——电阻应变片测量构件的表面应变，再根据应变—应力关系得到构件表面的应力状态，从而对构件进行应力分析。

电阻应变片（简称应变片）测量应变的大致过程如下：将应变片粘贴或安装在被测构件表面，然后接入测量电路（电桥或电位计式线路），随着构件受力变形，应变片的敏感栅也随之变形，致使其电阻值发生变化，此电阻值的变化与构件表面应变成比例，测量电路输出应变片电阻变化产生的信号，经放大电路放大后，由指示仪表或记录仪器指示或记录。这是一种将机械应变量转换成电量的方法，其转换过程如图1-1所示。测量电路的输出信号经放大、模数转换后可直接传输给计算机进行数据处理。

图1-1 用电阻应变片测量应变的

第2章应变测试的原理

2.1 应力与应变的关系

2.1.1 应力的种类

应力是在施加的外力的影响下物体内部产生的力。

如图2-1所示，在柱体的上面向其施加外力P 的时候，物体为了保持原形在内部产生抵抗外力的力--内力。内力被物体（这里是柱体）的截面积所除后得到的值（单位截面积上的内力）即是“应力”（单位为Pa（帕斯卡）或N/m2）。如圆柱横断面积为A(m2)，所受外力为P(N 牛顿)，由外力=内力可得，应力的大小。

图2-1外力（负荷）与内力的关系

如图2-2 (a)所示，当内力F在某一截面上作用时，可以考虑把它分成与截面垂直的分力Fn 和沿着截面方向的分力Fr。假设这些力在截面上都是均匀分布的话，则“单位截面积的力”就是应力，如图2-2 (b)所示。它可以分为同截面垂直的正应力(σ)和沿着截面的切应力(τ)。假如设截面积为A，则正应力可由下式表示：

=F cosθ/A(MPa)(2-1)

σ=Fn

A

切应力为

=F sinθ/A(MPa)(2-2)

τ=Fr

A

图2-2内力与应力的关系

截面上的各种应力状态如图2-3所示。

图2-3 应力的种类与正负

（a）拉伸，正应力为正值（b）压缩，正应力为负值

（c）切应力为正值（d）切应力为负值

把图2-3 (a)中的正应力称为拉应力，以正值来表示。把图2-3 (b)中的正应力称为压应力，以负值来表示。图2-3 (c)中的切应力是顺时针方向作用的，作为正值；图2-3 (d)中的切应力是逆时针方向作用的，作为负值。这种确定正负的方法是同梁的切应力相符合的，有的资料采用的正负值与这里正好相反。

2.1.2 应变

被拉伸的时候会产生伸长变形Δl，试件的长度则变为l′。这里，由伸长量Δl 和原长l的比所表示的伸长率（或压缩率）就叫做“应变”，记为ε。

应变表示的是伸长率（或压缩率）Δl/l，是量纲为一的，1x10-6的应变称为微应变。

（1）纵向应变

图2-4应变的种类

如图2-4 (a)所示，把拉应力σ作用在圆柱物体上，当原来的长度延伸了Δl而成为l′时，其拉应变ε可从下式得出：

（2-3）其数值为正值，当受压应力时，则物体收缩，Δl就变成负值，压应变也成为负值。拉伸应变和压缩应变都叫做纵向应变。

（2）横向应变

在应力作用的方向上产生纵向应变时，同时在与它垂直的方向上产生横向应变ε′。

从图2-4(a)上可以看出，若直径从d变为d′时，横向应变由下式表示：

（2-4）这个横向应変与纵向应变之比的绝对值叫做泊松比，通常以υ或者µ来表示，即

（2-5）低碳钢的泊松比约为0.3。

如图2-4 (b)所示，当受切应力τ作用时，长度l的顶部向横向偏移λ，如果设最初的直角∠ABC改变了角γ'成为∠ABC′则切应变λ/l可由下式（2-6）表示:

图2-4 应变的种类

（2-6）

2.1.3应力应变曲线

做材料的强度试验时，材料要制成如图2-5所示的试样。将拉伸试验时所加的负荷除以试样的截面积，即应力λ作为纵坐标；把标距伸长量除以标距的原长度，即应变ε作横坐标，这样得出的曲线称为应力-应变曲线。

（a）拉伸前

（b）拉伸后

图2-5 拉伸式样

图2-6所示是广泛用来制作结构件的低碳钢(低碳钢)的拉伸试验应力-应变曲线。可将其分为OA、B′C、CD、和DE四个阶段。

图2-6 低碳钢应力-应变曲线

（1）弹性阶段（OA段）

在OA阶段内，材料的变形是弹性的。当应力σ小于A点的应力时，如果卸去外力，使应力逐渐减少到零，此时相应的应变ε也随之完全消失。材料受外力后变形，卸去外力后变形完全消失的性质称为弹性。因此OA阶段称为弹性阶段，相应于A点的应力称为弹性极限。在此阶段内，除靠近A点的极小一段A′A外，应力与应变的关系是沿直线OA′变化的，这时应力与应变之间呈正比关系，即遵循虎克定律：

σ=Eε(其中弹性模量E是比例常数）

对应于A′点的应力称为比例极限，以σp表示。由于比例极限与弹性极限非常靠近，试验中很难加以区别，所以实际应用中常将两者视为相等。

如再继续增加应力，则即使去掉负荷，试样也不能完全复原而仍然残留一部分应变，这个应变就称为永久应变或残余应变。

（2）屈服阶段（B′C段）

当应力到达B′点的相应值时，应力不再增加，仅有些微小的波动；而应变却在应力几乎不变的情况下急剧地增长，材料暂时失去了抵抗变形的能力。这个现象一直延续到C点。如果试样经过抛光，这时可以看到试样表面有许多与试样轴约成45度角的条纹，称为滑移线。这种应力几乎不变，应变却不断增加，从而产生明显的塑形变形的现象，称为屈服现象，B′C阶段称为屈服阶段。

相应于B′点的应力值称为上屈服点；在应力波动中，首次下降所达到的最低值（对应于曲线中的B点）称下屈服点。由于上屈服点之值受试验时一些因素的影响较大，不如下屈服点稳定，故规定下屈服点作为材料的屈服点（或称屈服极限)，以σs表示。