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(shè)備本身的精度參數(shù)外，您是否考慮過試樣尺寸測量對測試結(jié)果帶來的影響？本文將結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)及具體案例，對一些常見材料的尺寸測量給出一些建議。

此問題取決于兩點。

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(jié)果的影響有多大。對于彎曲強度計算公式，寬度對結(jié)果是一次方的影響，而厚度對結(jié)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(jié)果的影響更大。

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

目前比較常見的尺寸測量設(shè)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 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(nèi)置了一個恒定測量力值，每次測量都能在恒定接觸力的情況下得到測量結(jié)果，適用于硬質(zhì)材料的尺寸測量。

常規(guī)的卡尺量程一般不超過 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，但誤差也會增加。

卡尺的卡緊力值取決于操作員的操作，同一個人的測量結(jié)果一般比較穩(wěn)定，不同人之間的測量結(jié)果會有一定差距，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。此類設(shè)備也能提供一個恒定的壓力，但壓力可以通過改變頂部的負(fù)載來調(diào)整。一般來說，此類設(shè)備適合測量軟質(zhì)材料。

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

ISO 16012:2015 規(guī)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(shè)備。對于 ＜10mm 的尺寸測量結(jié)果，要確保精度在 ±0.02mm 以內(nèi)，對于 ≥10mm 的尺寸測量結(jié)果，精度要求為 ±0.1mm。

GB/T 6342 規(guī)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(yán)格規(guī)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(jié)果不準(zhǔn)確。此外對于厚度 ＜10mm 的試樣，標(biāo)準(zhǔn)還推薦使用測微計，但對接觸應(yīng)力做了嚴(yán)格的要求，為 100±10Pa。

GB/T 2941 則規(guī)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(fù)載為 22±5kPa，對于硬度 ＜35 IRHD 的樣品，施加的負(fù)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 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(fù)載；

• 對于較薄的發(fā)泡材料，推薦專用測厚儀測量厚度。

有些試樣的測量位置要考慮能代表試樣的真實尺寸。

例如注塑成型的彎曲樣條，樣條側(cè)面會存在一個不大于 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。

此外注塑試樣會存在熱收縮，在試樣中間測量和邊緣測量會存在較大差異，因此相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也會規(guī)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 ±0.5mm 的位置，厚度測量位置為寬度中心線 ±3.25mm 的位置。

在確保尺寸測量無誤外，還應(yīng)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(shè)備，Instron 所有試驗系統(tǒng)均支持一鍵導(dǎo)入尺寸測量結(jié)果，避免人為輸入誤差。