1 引 言
在材料力学性能测试中，试验机受力同轴度对试验结果的影响极大，尤其是对弹性模量E、规定小应变塑性延伸强度以及脆性材料的测试。如何保证试验机受力同轴度，最基础的条件是保证试验机几何同轴度。在实际操作中，用单侧引伸计就可检测试验机的同轴度，通过在不同厂家、实验室进行检测，证明该方法简单可行。
2 相关国家标准对试验机同轴度的要求
GB228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温拉伸试验方法》的10.2款“试样的夹持方法”指出：“应使用例如楔形夹头、螺纹夹头、平推夹头、套环夹具等合适的夹具夹持试样。应尽最大努力确保夹持的试样受轴向拉力的作用，尽量减小弯曲(更多的信息在ASTM E1012中 给出[2])。这对试验脆性材料或测定规定塑性延伸强度、规定总延伸强度、规定残余延伸强度或屈服强度时尤为重要。”
在GB/T 16491-2008《电 子 式 万 能 试 验 机》的5.3.2款“拉伸试验夹持装置”、GB/T 16826-2008《电液伺服万能试验机》的5.3.3款“拉伸试验夹持装置”对试验机同轴度都有明确要求：“拉伸试验的试 样夹持装 置在任 意位置上 和施加 力的过程中，上、下夹头和试样钳口的中心线应与试验机的加力轴 线同轴。”对于0.5级试验机同轴度最大允许值12%，1级试验机同轴度最大允许值15%。
3 试验机的几何同轴度
目前，静态单轴试验机分为两大类：以机械加力，采用电子测量技术测量力学性能参数的电子式万能试验机;以液压为力源，采用电子测控技术测量力学性能参数的电液伺服万能试验机。电子万能试验机是对称的门式框架结构，只要设计合理，试验机总体对称受力一般不存在问题。该类试验机不同轴度的主要原因是夹持装置带来的，特别是夹具。因此，厂家设计制造夹持装置(包括夹具)时，必须考虑夹持装置的受力对称性和受力均匀性，夹具应有足够的刚度。夹持装置有刚性连接和柔性连接两种连接方式，所谓柔性连接就是带万向调节装置那种。笔者近几年见到的试验机不同轴度问题，多数都出在夹持装置上。
图1是典型的套环夹具，这个夹具主要问题：在设计时没有考虑受力的对称性，套环三面受力，一面开口，在拉伸试验时会产生附加弯矩，影响同轴度。
图2是典型的楔形夹头，楔形夹具一般左右是对称的，但由于后面是连体的，会引起前后结构不对称而重心偏移，想通过万向调节装置调整一般是不可能的，在拉伸试验时同样会产生附加弯矩，影响同轴度。
图3是台阶夹具，从图片上可以看出，这个夹具的两个半箱体不在一个平面上，在拉伸试验时就会影响试验机的同轴度，从而影响试验结果。
4 如何检测试验机同轴度
检测试验机同轴度，首先要保证试验机夹持装置的上下夹具几何同轴。这很简单，只要把试验机上下夹具合在一起就可检查，若上下夹具不在一个平面，就说明试验机的几何同轴度本身就存在问题，必须先解决试验机的几何同轴度。保证试验机的几何同轴度，才能检测试验机夹持装置的同轴度。
一般情况下，试验机的同轴度采用同轴度自动测试仪或重锤进行检测;在实际操作中，用单侧引伸计就可以检测试验机的同轴度，笔者在不同厂家、实验室进行检测，证明该方法简单可行。
采用引伸计检测，最好采用双侧引伸计，没有双侧引伸计，用单侧引伸计也可检测。引伸计按前后左右 四个方向 装卡，结 合试验机 的测量 系统，按GB/T 16491-2008和GB/T 16826-2008的要求可检测同轴度。
下面是笔者今年10月用单侧引伸计检测试验机同轴度的两个实例。
夹持装置是套环夹具，平台前置推入式;引伸计标距25mm，变形量5mm;试样头部为M12螺纹连接形式。图4是单侧引伸计检测试验机同轴度的照片，该状态是引伸计装卡在夹持装置的右侧。
检测方法：引伸计按前后左右顺序装卡，在同一试验条件下，每个方向各测试2次。图5是引伸计前后方向装卡时，力-变形曲线的叠加图，图6是引伸计左右方向装卡时，力-变形曲线的叠加图。
图5的2#和3#曲线是引伸计装卡在套环夹具的前侧，刚好是平台的开口处，而4#和5#曲线是引伸计装卡在套环夹具的后侧。从夹具受力分析可知，在拉伸过程中，套环的后侧首先受力，产生一个附加弯矩，故后侧引伸计的输出变形要大于前侧引伸计的变形，这与图5的实际测试曲线是一致的。
图6的6#和7#曲线是引伸计装卡在套环夹具的左侧，8#和9#曲线是引伸计装卡在套环夹具的右侧。因为，套环的左右两侧在拉伸过程中，是同时受力的，故左右两侧的引伸计输出变形基本一致，这与图6的实际测试曲线是吻合的。
表1是用单侧引伸计检测试验机夹持装置(套环夹具)同轴度的结果，试样直径5mm，如图4所示。从实测数据可以得出：该试验机不同轴度小于12%，符合0.5级试验机的要求;实际使用时，引伸计应装卡在左右两侧，以减少由于套环开口带来的 附加弯 矩 的 影 响。要 解 决 套 环 开 口 的 影响，建议在套环开口的对称面上，铣一个与开口一样大小、深1mm的浅槽，这样即可解决前后对称受力问题。
图7是检测带有引伸杆夹持装置同轴度的照片，夹具也是套环夹具，平台前置推入式;引伸计标距25mm，变形量5mm;试样头部为M12螺纹连接形式。图8为引伸计前后方向装卡时，力-变形曲线的叠加图，图9是引伸计左右方向装卡时，力-变形曲线的叠加图。
图8的2#和3#曲线是引伸计装卡在套环夹具的前侧，刚好是平台的开口处，而4#和5#曲线是引伸计装卡在套环夹具的后侧。由于该夹持装置的不同轴度，而目前试验机上使用的引伸计基本是单侧结构，单侧结构引伸计容易受夹具影响引起载荷偏心，造成F-!L曲线初始段有微弯现象。操作人员应该首先了解试验机夹持装置的特性，注意引伸计装卡方向对材料力学性能试验的影响，以减少由引伸计装卡方向引起偏心的影响。
笔者曾在微机控制电子万能试验机上作了专门试验研究，以说明引伸计装卡位置和方向的重要性。用引伸计对低碳钢试样进行8个方向装卡，绘制力带有引伸杆，螺纹连接的引伸杆不可避免带来不同
轴度，加上夹持装置是套环夹具平台前置推入式，前后两侧受力状况不一致，引起装卡在前后两侧引伸计的输出变形不一致，图8的实际测试曲线证实了这一点。从图8的实测曲线分析，在小负荷下，主要是螺纹连接的引伸杆不同轴度带来的影响，前侧引伸计的输出变形大于后侧引伸计，当负荷加大时，套环前后受力状况不一致为主要原因，前侧引伸计的输出变形逐渐小于后侧引伸计的输出变形。
图9的6#和7#曲线是引伸计装卡在套环夹具的左侧，8#和9#曲线是引伸计装卡在套环夹具的右侧。由于螺纹连接的引伸杆不可避免带来不同轴度，在前后两侧影响大了，左右两侧的影响就会减少，加上套环的左右两侧在拉伸过程中，是同时受力的，故左右两侧的引伸计输出变形基本一致，这与图9的实际测试曲线是吻合的。
表2是用单侧引伸计检测试验机带有引伸杆夹持装置(套环夹具)同轴度的结果，试样直径10mm，如图7所示。从实测数据可以得出：该试验机不同轴度在前后两侧大于12%，不符合0.5级试验机的要求，而在左右两侧小于12%，符合0.5级试验机的要求。建议，在实际使用中应注意调整螺纹连接的引伸杆，螺纹不要拧得太紧，避免“太刚性”而影响同轴度。
5 试验操作人员如何保证试验机同轴度
由于各种原因，试验机夹持装置总是存在一定变形曲线，计算弹性模量。根据试验曲线和弹性模量实测数据(见表3)，可以得出：引伸计平行夹具的夹块装卡试验结果较好，引伸计垂直夹具的夹块装卡试验结果较差，两者相差达4%。
在拉伸试验的理想情况下，夹具的两夹块应同时平行运动，但实际上两夹块不可避免会发生错动，这就会对拉伸试样产生了一个附加弯矩，造成垂直夹块装卡引伸计的试验结果不一致;而平行夹块装卡引伸计，可避免两夹块发生错动的影响。在一般情况下，平行夹具夹块方向装卡引伸计是最好的选择，建议试验机的操作人员在实际试验中，应采用平行于夹具夹块的方式装卡引伸计。
6 结 论
(1)试验机生产厂家在设计制造时，应注重试验机夹持装置的几何同轴度，必须考虑夹持装置的受力对称性和受力均匀性，夹具应有足够的刚度。
(2)在保证试验机的几何同轴度情况下，可采用单侧引伸计，结合试验机测量系统，检测试验机的同轴度，其方法简单可行。
(3)作为试验机的操作人员，应该了解试验机夹持装置的特点，注意引伸计装卡方向对材料力学性能影响，以减少由引伸计装卡方向引起偏心影响。
参考文献
[1] GB/T 228.1-2010金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法[S].
[2] GB/T 22315-2008金属材料 弹性模量和泊松比试验方法[S].
[3] GB/T 16491-2008电子式万能试验机[S].
[4] GB/T 16826-2008电液伺服万能试验机[S].
[5] 郑文龙.引伸计与变形测量范围[J].试验技术与试验机，2006，46(3)：25-30.
本文作者：郑文龙 王春华
