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試樣外表面應(yīng)變檢測(cè)

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發(fā)布時(shí)間：2025-08-17 15:26:14 更新時(shí)間：2025-08-16 15:26:15

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測(cè)中心

試樣外表面應(yīng)變檢測(cè)：原理、儀器、方法與標(biāo)準(zhǔn)解析

在材料力學(xué)性能研究、結(jié)構(gòu)安全評(píng)估以及工程可靠性分析等領(lǐng)域，試樣外表面應(yīng)變檢測(cè)是一項(xiàng)至關(guān)重要的技術(shù)手段。它能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地反映材料在受力過(guò)程中的變形狀態(tài)，為判斷結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、評(píng)估材料的承載能力以及預(yù)測(cè)潛在的失效風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。特別是在航空航天、汽車制造、土木工程等高技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)材料在復(fù)雜載荷條件下的應(yīng)變響應(yīng)要求極為嚴(yán)苛。因此，開(kāi)展精確、可靠的外表面應(yīng)變檢測(cè)，不僅關(guān)系到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度，更直接影響到工程設(shè)計(jì)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。隨著現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)變檢測(cè)已從傳統(tǒng)的機(jī)械式應(yīng)變片發(fā)展到基于光學(xué)、數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）和激光干涉技術(shù)的高精度非接觸測(cè)量方法，極大提升了檢測(cè)的分辨率與適用范圍。本文將系統(tǒng)介紹試樣外表面應(yīng)變檢測(cè)的核心內(nèi)容，包括主要檢測(cè)項(xiàng)目、常用檢測(cè)儀器、典型檢測(cè)方法以及相關(guān)國(guó)際與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，為科研人員和工程技術(shù)人員提供實(shí)用參考。

主要檢測(cè)項(xiàng)目

試樣外表面應(yīng)變檢測(cè)主要關(guān)注以下幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：

線應(yīng)變（Normal Strain）：材料在拉伸或壓縮載荷下沿某一方向的長(zhǎng)度變化率，是評(píng)估材料彈性模量、屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
剪切應(yīng)變（Shear Strain）：反映材料在剪切力作用下產(chǎn)生的角度變形，常用于分析接頭、連接件等結(jié)構(gòu)的抗剪性能。
主應(yīng)變與主應(yīng)變方向：通過(guò)應(yīng)變主軸分析，確定最大與最小應(yīng)變方向，有助于識(shí)別應(yīng)力集中區(qū)域。
應(yīng)變場(chǎng)分布：在復(fù)雜載荷或幾何不連續(xù)區(qū)域（如缺口、孔洞附近），應(yīng)變場(chǎng)呈現(xiàn)非均勻性，需進(jìn)行全場(chǎng)測(cè)量以掌握局部變形特征。

常用檢測(cè)儀器

現(xiàn)代應(yīng)變檢測(cè)依賴于多種高精度儀器，主要包括：

電阻應(yīng)變片（Strain Gauge）：最經(jīng)典、應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變傳感器，通過(guò)測(cè)量電阻值變化反映應(yīng)變。適用于靜態(tài)與動(dòng)態(tài)載荷，精度高，但需粘貼處理。
數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)（Digital Image Correlation, DIC）：基于攝像頭拍攝試樣表面隨機(jī)散斑圖案，通過(guò)圖像匹配算法計(jì)算全場(chǎng)應(yīng)變。具有非接觸、全場(chǎng)測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，適用于大變形、復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。
激光測(cè)振儀（Laser Vibrometer）：用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測(cè)，可測(cè)量微小振動(dòng)引起的表面應(yīng)變，常用于疲勞測(cè)試與模態(tài)分析。
光纖光柵傳感器（Fiber Bragg Grating, FBG）：將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為光波長(zhǎng)變化，具有抗電磁干擾、可分布式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，適用于高溫、強(qiáng)電磁環(huán)境。

常用檢測(cè)方法

根據(jù)檢測(cè)目的與試樣條件，可采用以下幾種典型方法：

點(diǎn)測(cè)法（Point Measurement）：使用電阻應(yīng)變片在特定點(diǎn)測(cè)量應(yīng)變，適用于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的定量分析，操作簡(jiǎn)便，成本低。
全場(chǎng)測(cè)量法（Full-Field Measurement）：以DIC技術(shù)為代表，通過(guò)多相機(jī)系統(tǒng)獲取試樣表面多點(diǎn)應(yīng)變分布，適用于研究應(yīng)力集中、裂紋擴(kuò)展等現(xiàn)象。
動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試法：結(jié)合高速攝像與DIC或應(yīng)變片，用于沖擊、振動(dòng)等瞬態(tài)載荷下的應(yīng)變響應(yīng)分析。
多軸應(yīng)變分析法：在復(fù)雜受力狀態(tài)下，采用多方向應(yīng)變片或三軸DIC系統(tǒng)，獲取主應(yīng)變分量與剪切應(yīng)變。

相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

為確保檢測(cè)結(jié)果的可比性與權(quán)威性，國(guó)內(nèi)外已建立一系列應(yīng)變檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，主要包括：

ISO 13588:2008《金屬材料拉伸試驗(yàn) 用應(yīng)變測(cè)量方法》：規(guī)定了應(yīng)變片在拉伸試驗(yàn)中的布置、標(biāo)定與數(shù)據(jù)處理要求。
GB/T 228.1-2021《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》：我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，明確應(yīng)變測(cè)量的精度等級(jí)與試樣制備要求。
ASTM E8/E8M-23《Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials》：美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)規(guī)定了應(yīng)變測(cè)量設(shè)備、標(biāo)距長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)記錄規(guī)范。
ISO 13585:2011《Optical measurement of surface displacement and strain using digital image correlation》：專門針對(duì)DIC技術(shù)的應(yīng)變測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋系統(tǒng)校準(zhǔn)、圖像質(zhì)量控制與結(jié)果驗(yàn)證方法。

綜上所述，試樣外表面應(yīng)變檢測(cè)作為材料性能評(píng)估的核心環(huán)節(jié)，其技術(shù)手段不斷進(jìn)步，檢測(cè)精度持續(xù)提升。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)試樣類型、載荷條件與檢測(cè)目標(biāo)，合理選擇檢測(cè)項(xiàng)目、儀器與方法，并嚴(yán)格遵循相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)性與可靠性。