淺析壓力試驗機承壓板變形對強度試驗的影響

劉飛 黃桂榮 黃元媛 況嚴

【關鍵詞】材料強度；承壓板變形；受力面積

壓力試驗機作為檢驗材料強度最常用的試驗設備，在工業領域中占有重要地位。材料強度檢驗結果是否準確與壓力試驗機的力值傳感器有很大關系，所以對壓力傳感器進行量值溯源，能夠保證材料強度檢驗結果的準確。除了力值傳感器，壓力試驗機的承壓板也會對材料強度檢驗結果產生影響。由于鑄造承壓板的材料和工藝不同，壓力試驗機的承壓板經過長期使用，會產生不可恢復的永久性形變，這種永久性形變會對材料的真實強度帶來影響。

1 承壓板的作用

壓力試驗機的承壓板作為與被檢材料直接接觸的物體（如圖1 所示），在材料強度P、受力面積S、力值F 幾個重要因素中，承壓板對面積S 因素的影響最為直接。一般壓力試驗機的承壓板由金屬材料制成，硬度與強度均高于被檢材料。作為材料強度檢測過程中與被檢材料直接接觸的部分，承壓板受力面的水平度與粗糙度均有相應的要求。實際檢測過程中，實驗人員考慮最多的是被檢材料的受力面積，計算材料強度時，往往計算的是被檢材料的實際尺寸，但隨著設備使用年限的增加，檢測試件長時間與承壓板的表面摩擦接觸，會對承壓板的水平度與粗糙度產生影響，直觀表現為承壓板變形。

本研究通過數據分析，探討壓力試驗機承壓板的變形對實際檢測帶來的影響，特別是在材料強度偏低的情況下，對材料強度檢測結果帶來的影響。

2 承壓板變形對強度帶來的影響

2.1 材料強度P與受力面積S、試驗力值F的關系

通過公式（1）可以計算材料強度，從公式可知，材料強度P與力值F和面積S 有關。面積一定的情況下，材料強度與力值呈正相關；力值一定，材料強度與受力面積呈負相關。本文主要討論的是同一批材料，所以強度可以默認為不變，一旦壓力試驗機的力值經計量檢定并確認準確可靠，那么實際影響被檢物強度的因素主要就是受力面積。

被檢材料強度的試件在制作時，多數試件已經按照一定的試模制作成固定尺寸的標準試件，如混凝土受壓件都是150 mm×150 mm×150 mm、100 mm×100 mm×100 mm、160mm×40 mm×40 mm、70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm等標準尺寸。所以在檢測材料強度時，只要受力面積一定，那么影響強度變化的因素就是力值；同理當壓力試驗機力值被檢定校準合格時，影響材料強度的因素就是受力面積。

2.2 影響受力面積的因素

在實際檢測過程中，考慮受力面積影響時會出現兩種情況：1）試件面積不準確；2）承壓板的變形引起受力面積變化。實驗室的實驗人員在這兩種情況下，通常關注試件本身面積和強度問題，所以在實際遇到同一批材料發生強度變化，特別是強度偏低時，首先就會分析到底是試件材料本身強度不夠，還是制作的試件尺寸存在偏差。

實驗人員通過直接測量發現，材料面積基本都是在標準試模中成型，材料尺寸和平整度一般變化不大。實驗人員發現強度偏低時，往往會將多組相同規格的試件在另一臺經檢定合格的壓力試驗機上進行檢測，鑒別材料本身強度是否存在問題。一旦實驗人員排除試件本身強度和試模面積都不是影響強度突然偏低的原因后，就會懷疑壓力試驗機力值不準確。然后通過計量檢定人員檢定后再進行判斷。一旦其力值也在合格范圍內，這時實驗人員多會判斷是材料本身出現問題。

其實，實驗人員經常會忽略另一個影響量——承壓板。壓力試驗機的承壓板作為直接受力的物體，雖然材質強度遠遠大于材料的強度，但其在多年使用后也會出現變形。承壓板變形的主要原因在于實驗人員在同一個位置磨損，造成承壓板變形。

2.3 承壓板變形對強度的影響

承壓板的變形帶來的主要變化是接觸面積變小，達不到原試塊的接觸面積。實驗人員通過模擬承壓板變形，即磨損面積為原來面積的1%、5%、10%、15%、20%進行分析，則實際受力面積為99%S、95%S、90%S、85%S 和80%S，由公式（1）可知，要想材料強度P 不變，在使用壓力試驗機檢測時，其檢測的力值必須隨受力面積的變化而變化，即力值（F）=材料強度（P）×受力面積（S）。由表1 可以分析出實際力值隨面積的變化情況。

由表1 可以看出，由于接觸面積的變化，其實際力值隨著實際接觸面積的減小而下降，磨損面積越大，實際力值越低。檢測力值F 降低為原來99%F、95%F、90%F、85%F、和80%F。其變化關系如圖2 所示。

通常在實際計算強度過程中，實驗人員客觀認為受力面積S 由試件本身尺寸測量確定且是固定的，但是實際測出的力值F 是由承壓板變形后得到的，由于真正的實際受力面積已經減小導致實際力值降低，那么無論是手動計算還是電腦軟件計算的強度P也會隨著真實力值的減小而減小，如表2。

通過表2 分析可知，由于壓力試驗機承壓板的變形，在對試件的強度檢測過程中，受實際受力面積的變化，其得到的強度也會減小。其變化關系如圖3 所示。

這也是實驗室的實驗人員在檢測過程中，壓力試驗機的力值是符合等級要求的，而且同一批產品在其他檢定合格的壓力試驗機上檢測結果也為合格，但使用本臺壓力試驗機檢測出來的材料強度始終會偏低的原因。這種情況如果不進行正確的分析，而是盲目地通過添加材料的配比來增加材料的強度，無疑會給企業帶來一定經濟負擔，生產成本也隨之增加。如果實驗人員意識到材料強度的降低是由于壓力試驗機的承壓板發生了變形引起的，便能通過檢查承壓板的變形情況來解決這個問題。

3 判斷承壓板變形的方法

承壓板變形的直接表現為表面平整度達不到要求。被檢材料試件長時間與承壓板發生摩擦，導致承壓板某個位置與其他位置不在同一平面，從而影響了接觸面積。但是實驗室的實驗人員在檢測材料強度之前不可能每次都請專業人員進行檢測，這樣不僅降低了效率，也增加了成本。為了有效控制成本這里可使用刀口型直角尺對承壓板進行測量，測量時將刀口處緊靠承壓板表面，通過肉眼觀察刀口型直角尺的刀口與承壓板之間是否有光線通過。通過各個方向的觀察，如果發現有光線通過，且肉眼可見間隙很大，說明此壓力試驗機的承壓板已經發生了嚴重的變形，并且該變形已經影響材料強度的判斷，需對承壓板進行拋光處理，或者直接更換已經變形的承壓板，再通過其他經過檢定合格的壓力試驗機進行驗證，從而判斷是否已經解決承壓板變形帶來的影響。

4 結論

實驗人員在使用壓力試驗機檢測材料強度時，出現壓力試驗機的力值準確且該批材料強度合格，但實際檢測強度卻偏低的情況。這時需要分析壓力試驗機的承壓板是否發生了變形，導致材料強度發生變化，進而影響材料的實際強度的判斷。這給實驗工作帶來一定的啟發，在發現問題的時候，應通過分析來判斷問題的來源并解決問題。承壓板變形影響材料強度是很多實驗室的實驗人員最容易忽視的一個因素。通過分析影響材料強度的每個影響量，判斷出影響強度實驗的因素，從而改進，才能保證結果的真實可靠。