【检测表征】复合材料测试专题：Part2 机械性能的应变测试

题记：在上一篇复合材料测试专题文章《Part1 机械性能测试》中介绍了复合材料机械性能测试内容及通用的测试标准（延伸阅读原文），本文继续介绍机械测试时的应变测试。

对于复合材料的拉伸试验，轴向应变的测量可以通过在试样一侧进行单一应变测量来实现。然而，通过在试样的相对两侧进行一对测量，并使用它们的平均值来补偿任何偏差，可以获得更一致和准确的结果。使用平均应变测量对压缩试验至关重要，因为两个测量值之间的差值用于检查试样是否过度弯曲。在拉伸和压缩测试中确定泊松比需要额外测量横向应变。

或者，剪切试验需要测定剪切应变，可以通过测量轴向应变和横向应变来计算剪切应变。在V形切口剪切试验中，试样的应变分布是不均匀的，集中在切口之间。准确测量这些局部应变需要使用应变计。

传统的复合材料应变测量方法采用接触法，包括粘贴式应变计或夹持式引伸计。非接触应变测量的最新发展使这些系统能够提供与传统接触系统相似的性能，并提供了其他显著的好处，例如坚固性和提供全场应变图的能力。

应变计

用于复合材料测试的应变计通常由安装在绝缘背衬上的薄金属箔网格组成。它们的工作依赖于受外加应变影响的导电体电阻的变化。在复合材料试验中遇到的应变水平下，应变计的电阻变化很小（通常为3%），因此需要专业的应变仪调节电子设备来提供准确的测量结果。

仪表灵敏度（称为仪表系数）是校准测量系统所需的数据，由仪表制造商提供。为了进行准确的测量，应变计必须正确对齐并小心地粘合到试样表面。应变计有多种形式，既可以是单应变计，也可以是预先对准的应变计组合，通常为莲座形。箔式应变计可以在低温到200℃以上的温度范围内使用。

应变计结构紧凑，可用于测量小区域内的应变，如V型缺口剪切试样的缺口或短标距压缩试样的任一侧。应变计可以提供非常精确的应变测量；然而，它们是一种消耗品，在材料和使用它们所需的熟练劳动力方面都很昂贵。

夹式引伸计

夹持式引伸计广泛应用于复合材料的测试。它们被设计成附着在试样上，通过测定固定标距长度上的位移来测量工程应变。

目前有多种不同类型的夹式引伸计，最常见的类型是在试样的一面上提供轴向应变的单一测量。平均轴向夹式引伸计使用位于试样两侧的一对轴向引伸计。

剪切应变和泊松比的测量需要同时测量轴向应变和横向应变。横向夹式引伸计在设计上与轴向型引伸计相似，但它们测量试样宽度的变化。双轴引伸计（图1）将轴向和横向引伸计整合为一个单元，比两个单独的引伸计更便于连接。

图1. 双轴夹式引伸计

自动引伸计

自动引伸计是可远程控制的接触类型。这些引伸计可以自动接合和脱离试样，并改变标距长度。

它们被广泛用于大容量拉伸测试应用，并且是自动化（机器人）测试系统的重要组成部分。自动引伸计的使用减少了系统操作员的影响，提高了通量和结果的一致性。

非接触式视频引伸计

非接触式视频引伸计（图2）使用高分辨率数码相机和实时图像处理，通过跟踪试样上对比标记的移动来确定应变。由于这些引伸计不与试样发生物理接触，因此引伸计不会影响材料性能，也不会因试样失效时释放的能量而损坏引伸计。

图2.安装在温度柜上的非接触式视频引伸计

在一定温度的室内进行测试时，视频引伸计可处于温度室内，将测量系统与恶劣环境隔离。与自动引伸计一样，非接触式视频引伸计也减少了操作者的影响，提高了测试结果的一致性。

全场应变测量

视频引伸计功能的一个令人兴奋的扩展是能够产生全场应变分布的集成数字图像相关软件的可用性（图3）。这项技术的工作原理是将随机图案应用于试样表面，在试验过程中捕获一系列图像，然后用一种算法分析图像，该算法首先确定每个图像的位移场，随后确定每个图像的应变场。应变场信息包括应变张量的所有分量（即轴向、横向、剪切应变）。

图3.弯曲测试的DIC分析

与用应变计测量局部应变的单个分量，或用引伸计测量标距上的平均应变的传统方法相比，全场应变测量产生了大量的附加信息，可以帮助工程师和科学家更好地理解材料的行为。