[发明专利]一种在材料拉扭试验中测量双轴应变的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料力学性能测试手段，特别涉及一种在材料拉扭力学性能测试中，用于测量试样的轴向应变和扭转应变的装置和方法。

背景技术

单轴拉伸、压缩、以及弯曲、扭转等试验是固体材料力学性能测试中常用的几种测试手段。而实际工程中，材料的服役环境往往是拉应力和扭转切应力耦合的状态。早期的力学试验为简化力学分析，往往倾向于分别进行单纯的拉伸试验或者扭转试验。随着力学基础研究的进展以及测试手段的改进完善，拉、扭组合试验开始逐渐多起来。

和单轴拉伸等试验一样，拉扭组合试验的核心是获得拉伸应力-应变关系曲线以及扭转切应力-切应变关系曲线。对试验机来说，这涉及到4个物理量的测量：轴向拉力、拉伸变形以及扭矩、扭转变形。对于宏观尺度的拉扭试验来说，轴向拉力和扭转的扭矩可以很方便地通过拉扭双轴载荷传感器直接测出，而拉伸变形和扭转变形的测量则相对困难。因为计算拉伸应变所需要的是试样标距段的拉伸变形，计算扭转切应变所需要的是试样标距段的扭转变形，而试验机本身的位移传感器以及角度传感器测出的位移和扭转角包含了机架变形，不能直接用于计算拉伸应变和扭转切应变。

为解决以上问题，试验机厂商仿照单轴拉伸试验，采用拉扭双轴引伸计用于测量拉伸应变和扭转切应变。该种引伸计通过4根附着在试样外表面的针探测试样的扭转变形。试样扭转过程中，4根针的相对位置发生变化，这些变化传递给引伸计内部的应变片，应变片的变形被转化为电信号，然后通过严格的几何参数换算成拉伸应变和扭转切应变。这种传感器实际测量的是直线位移变化，计算过程对试样尺寸和安装尺寸有严格要求（甚至对加工误差都做出了严格限定），角度量程也很小，并且造价昂贵。而目前很多试样在尺寸加工上很难满足商业引伸计要求，并且所需的扭转角也较大，试验过程中会因为试样意外断裂而损坏引伸计。

发明内容

本发明针对以上问题，设计了一种简便的在材料拉扭试验中测量双轴应变的装置和方法，采用材料试验机上常用的COD位移传感器（下文简称COD）测量试样轴向变形和扭转角，通过简单计算转化成轴向应变和扭转应变，不仅放宽了对试样尺寸的限制，而且增大了角度量程，试验过程中即使出现意外也不会损坏传感器。

为达到上述目的，本发明提供的一种在材料拉扭试验中测量双轴应变的装置：

第一支架，固定在被测试样上，用于安装纵向COD，所述纵向COD用于测量被测试样在被拉伸过程中产生的轴向变形；

第二支架，固定在所述被测试样上，用于安装横向COD，所述横向COD用于测量被测试样在被扭转过程中产生的扭转变形。

优选地，所述第一支架包括：用于固定在所述被测试样上的下支撑架，所述下支撑架上设置有用于固连所述纵向COD一个臂的纵向COD固定刀口和用于抵靠所述横向COD一个臂的横向COD活动刀口。

优选地，所述第二支架包括：用于固定在所述被测试样上的上支撑架，所述上支撑架上设置有用于固连所述横向COD另一个臂的横向COD固定刀口和用于抵靠所述纵向COD另一个臂的纵向COD活动刀口。

本发明提供的一种在材料拉扭试验中测量双轴应变的方法包括：

1）在被测试样上固定第一支架，用于安装纵向COD，该纵向COD测量被测试样在被拉伸过程中产生的轴向变形；

2）在被测试样上固定第二支架，用于固定横向COD，所述横向COD用于测量被测试样在被扭转过程中产生的扭转变形；

3）根据纵向COD和横向COD记录的位移变化，换算成轴向拉伸应变和扭转切应变。

优选地，所述第一支架包括：用于固定在所述被测试样上的下支撑架，所述下支撑架上设置有用于固连所述纵向COD一个臂的纵向COD固定刀口和用于抵靠所述横向COD一个臂的横向COD活动刀口。

优选地，所述第二支架包括：用于固定在所述被测试样上的上支撑架，所述上支撑架上设置有用于固连所述横向COD另一个臂的横向COD固定刀口和用于抵靠所述纵向COD另一个臂的纵向COD活动刀口。

本发明优点如下：

1.该装置可适用于多种直径的试样，对试样直径没有严格限制。例如本实施例中试样直径10mm至15mm均可。

2.由于COD测量的是传感器支架刀口的位移，和使用直接安装在试样圆周上的拉扭双轴引伸计相比，在传感器测量的位移变化量相同的情况下，对应的角度要小很多，即角度分辨率明显提升；

3.由于COD的量程远大于拉扭双轴引伸计，因此本发明提供的测量方法扩大了角度量程。例如，实施例中COD量程5mm，可测扭转角大于10度。