摘要：有的试验机，其精度高、甚至价格也相当昂贵;有出厂合格证书;试验机用户每年送检定校准;用户自己也常用标准测力仪进行期间核查;试验机的操作人员也是既有资格又有水平。但用这样的试验机做金属材料的拉伸试验其强度（包括下屈服强度、抗拉强度等）却可能小几个甚至几十个兆帕。这种由于试验机的潜在问题引起的强度偏小而试验机用户却并不知道，甚至参加省、部级或其他场合的圆钢、钢筋比对也是合格的;只有当参加用标准钢筋作为比对样品且以标准钢筋的最大允许误差作为判定依据时,比对结果才可能出现不满意。但即使如此，用户也不会怀疑是试验机的问题。本文专门对试验机的这种潜在问题进行研究、分析、找出解决方法。

引言

试验机是用于建筑材料测试的通用试验检测设备，被广泛地应用于公路、铁路、电力、水利、建筑等工程及高校、科研、机械、冶金、铸造、有色金属、塑料、橡胶、电线电缆、压力容器、复合材料等各行各业，是对各种产品、材料的力学性能、物理性能、机械性能、工艺性能等在不同环境条件下进行测试的重要仪器设备，其试验机的测试结果直接关系到产品、材料、工程的质量和应用后的安全。

因此，人们对试验机检测的数据是否准确、可靠是非常重视的。总希望通过购买精度高、稳定性好的试验机；每年都由检定、校准部门定期对试验机进行检定、校准[1-3]；用户在试验机两次检定或校准之间开展期间核查[4]；对试验机的操作人员进行培训，提升操作水平等手段，以期达到试验机检测数据的准确、可靠的目的。

但是，却不知道的一点：有的试验机尽管精度很高，检定、校准和核查都很正常，人员操作水平也很高，而当试验机用于拉伸试验时，其拉伸强度值（这里的拉伸强度包括上屈服强度、下屈服强度、抗拉强度等所有强度值，以下同。）却比正常值要偏小甚至严重偏小。这种对拉伸强度的影响不光是对金属材料，对非金属材料也有影响，本文重点对金属材料特别是对带肋钢筋进行探讨。以下我们把试验机拉伸试验时拉伸强度减少这种现象简称为：试验机潜在的问题。

这个问题是什么原因造成的呢?下面我们将从试验机的结构、原理上来进行分析，并就如何发现问题、解决问题进行探讨。

1 问题的发现及描述

牌号为HRB400E的钢筋，按国家标准其屈服强度应该大于等于400 MPa[5]，但是试验机用户使用A公司生产的试验机进行拉伸检测时其下屈服强度却只有390 MPa。其他实验室测试的下屈服强度大于400 MPa。而该用户的试验机每年检定、校准都是正常的；并在检定有效期内用标准测力仪进行了期间核查，其示值也是可信的；人员操作也正确的。那么问题究竟出在什么地方呢？

用户同试验机制造公司联系，厂家却表示：试验机是经过检测才出厂的，而且试验机销售到全国各地，甚至销售到国外，也没有客户反映有这个问题。

用户参加外部比对，尽管其下屈服强度、抗拉强度有时比中位值少一、二十个兆帕，处于接近z=2的边缘，但比对还是合格的[6]。因此，用户通过比对也没察觉到是试验机的问题。

后来，经过反复探索，才发现这的确是试验机潜在问题：这就是液压夹持的试验机在试样两端夹持时对试样产生的挤压力，而这个挤压力在试验机制造公司设计制造时又没有考虑到并予以正确处理，因此就造成了拉伸强度的减小。

2 试验机结构及夹持工作原理

试验机夹持试样有两种方式:一种是手动夹持，另一种是液压夹持。

手动夹持的试验机，其上钳口座的平台与试验机的油缸底面之间为压缩空间，可实现对试样的压缩、弯曲、剪切等试验；上钳口座与下钳口座之间为拉伸空间，主要用于对试样进行拉伸试验。对试样作拉伸试验时，是先将试样上端放到上钳口座的两夹头块之间，用手动杠杆将试样夹紧，手动清零（即将试验机度盘上的指针调到零位)，以消除试样的重量产生的影响；然后再用手动杠杆夹持试样下端，即可开始拉伸试验。

液压夹持的试验机其试台与下横梁之间为压缩空间，可实现对试样的压缩、弯曲、剪切等试验；下横梁与上横梁之间为拉伸空间，主要用于对试样进行拉伸试验。上下横梁为开式液压夹头的钳口座，横梁内的钳口夹紧机构装有液压夹头的油缸活塞。活塞顶出时，钳口夹紧试样；活塞回缩时，钳口松开试样。试验机夹持试样的下钳口座（即下横梁）形状如图1所示。对试样进行拉伸试验时，先将试样上端放到上钳口座的两夹头块之间，操作上液压夹头将试样夹紧，点击清零，以消除试样的重量产生的影响；然后再操作下液压夹头将试样下端夹紧，即可开始拉伸试验

图1 试验机的下钳口
Fig.1 Lower jaw of testing machine

当试样两端刚夹持时，由于钳口斜面（钳口斜面同水平面之间的夹角为70°）作用，每端的夹头块对试样产生两个分力：一个是垂直于试样轴向的分力F1，另一个是平行于试样轴向的分力F2，见钳口夹持试样时的受力图2。必须强调的一点：这个受力图是试样两端刚夹持时的受力状况。上下钳口的四块夹头块的分力F1对试样的上下端形成了对试样的夹持，而上下钳口的四块夹头块的分力F2由于上下是相向的，因此对试样形成了挤压，这个挤压力的大小就是计算机屏幕上显示的负力值。试验时，随着试验力的增加，上下钳口间相对分离，钳口对试样会越夹越紧，直至试样拉断。整个拉伸过程屏幕上力值的显示是：试样两端夹持时，试样受到的是挤压力，是负力值，随之挤压力逐渐减小（指的绝对值）→力值为零→试样受到的是拉伸力，是正力值，拉伸力逐渐增大直至试样拉断

图2 钳口夹持试样时的受力
Fig.2 Force exerted on the specimen when clamped by the jaw

由于手动夹持的力量小，其夹紧力F1也小，有时甚至不足以夹紧试样或在拉伸试样时发生“打滑”现象。因此，手动夹持试样时往往还要在手动杠杆的扳把上加上套管以增大夹持的力量。由于手动夹持的夹紧力小，其对拉伸试样的挤压力F2也小，故不足以明显地挤压试样，甚至在试样两端夹紧时也看不到试验机度盘的指针发生明显偏转。所以，手动夹持的试验机在夹持试样时所产生的挤压力对试样拉伸强度的影响很小，完全可以忽略不计。

而液压夹持试样就不一样了：液压夹持产生的夹紧力足够大，因而对试样产生的挤压力也大，足以对试样产生挤压变形，当试样直径较小时，甚至可以看到试样两端夹紧后试样发生了明显的弯曲变形，见图3所示

图3 试样两端夹持后发生明显的弯曲变形
Fig.3 Significant bending deformation occurred after clamping the two ends of the sample

在设计制造试验机时如果没有考虑到液压夹持对试样产生的挤压力对拉伸强度的影响，那就必然会在拉伸时出现拉伸力减小，拉伸强度减小的现象。

3 制造公司和计量检定部门没有发现潜在存在问题的原因

试验机制造公司在试验机出厂前，都必须要检查试验机的性能，特别是检查力值的误差。制造公司对力值较大的试验机通常是采用压力标准测力仪进行测量的，只有对力值较小的试验机才使用拉力标准测力仪进行测量。试验机的拉伸和压缩是方向不同的两个过程，因此，用压式标准测力仪是不可能发现试验机拉伸时潜在的问题的。另外,国家标准GB/T 16826-2023《电液伺服万能试验机》[7]的6.3.4条：对应每种钳口,选择合适的试样,使用试验机最大试验力80%以上的力做一根试样的拉断试验。检查夹头的夹持和钳口的变形损伤等情况,是否符合5.3.3.2, 5.3.3.3和5.9.3的规定。而这几条规定也只是检查夹持试样的情况、钳口的变形和损伤情况、试样断裂后试验机能否自动停机等。因此,即使按照国家标准GB/T 16826-2008的要求做了金属材料的拉伸试验，但也只是观察试验机的钳口是否夹得住、试样是否拉的断、试验机运行是否正常，而没有去注意金属材料的拉伸强度（包括屈服强度、抗拉强度等）的实际大小。更没有去考察和确认拉伸强度值是否准确，可靠。因此，试验机制造公司是不可能发现试验机这种潜在问题的。

计量检定或校准部门，对这种作金属材料拉伸的大力值试验机通常都是用压力标准测力仪进行检定或校准的，这也是试验机的国家标准GB/T16826-2023[7]、国家检定规程JJG1063-2010[3]规定的使用方法。因此，尽管试验机年年检定都合格，年年校准都正常，但也不可能发现试验机这种潜在的问题的。

作为试验机的用户，尽管可能也用标准测力仪进行期间核查，但由于使用的标准测力仪也是压式的，所以也不可能发现试验机这种潜在的问题。而用其它方式进行的期间核查（除非是用标准钢筋作核查标准进行的核查），就更不可能发现试验机潜在的这种问题。

正因为如此，液压夹持的试验机造成的数据严重偏小的问题没有被发现而且也很难被发现的，所以直到现在有的试验机制造公司也不知道这个问题，就更谈不上如何解决这一潜在的问题了！

4 影响偏差的试验机类型

手动夹持的试验机不存在这种潜在的问题，液压夹持的试验机有可能存在这种潜在的问题，但不是所有液压夹持的试验机都有这种潜在的问题。根据深入地研究，确认液压夹持的试验机分为两类：一类是液压夹持不影响拉伸强度的，另一类是液压夹持影响拉伸强度的。

4.1 受挤压力影响的试验机

受液压夹持而影响拉伸强度的试验机，有以下这几种：

1）采用液压夹持的度盘式的万能试验机；

2）采用液压夹持的数显式万能试验机；

3）电液伺服万能试验机；

4）电液伺服钢绞线试验机；

5）疲劳试验机。

实际证明：有无这种潜在的问题同试验机的准确度等级无关，同试验机的价格高低无关，也就是说即使是0.5级的高精度试验机、价格昂贵的试验机照样也存在这种潜在的问题。

4.2 影响试验机挤压力大小的因素

下文提到的A、B两家公司就是属于两种不同类型的公司：A公司的试验机液压夹持对拉伸强度有影响，B公司的试验机液压夹持对拉伸强度没有影响。

就液压夹持对拉伸强度有影响的试验机而言，由于试验机液压夹持对试样产生的挤压力不是一定的，所以对拉伸强度值的影响也不是固定的。挤压力的大小同以下因素有关：

1）不同公司生产的试验机，即使规格型号相同，在夹持同等大小、材质相同的金属材料时，其挤压力不一定相同；这主要是因为各公司对液压夹头的油缸活塞内的油压力设定值的大小不一的原因。

2）同一个公司生产的不同规格型号的试验机，在夹持同等大小、材质相同的金属材料时，对试样的挤压力不一定相同；这是因为各规格型号的试验机对液压夹头的油缸活塞内的油压力设定值大小不一定相同，再加上材料的外形、夹持部位不一的原因。

3）同一个公司生产的同规格型号的不同台的试验机，在夹持同等大小、材质相同的金属材料时，对试样的挤压力不一定相同；这也是因为各台试验机对液压夹头的油缸活塞内的油压力设定值名义上一样，但实际上存在差异，再加上材料的外形、夹持部位不一的原因。

4）同一台试验机夹持的试样规格大小不同、材质不同时，对试样的挤压力也不相同；这主要是因为试样大小、材质硬度、规格形状不同、使用的夹头块的规格不同的原因。

5）同一台试验机夹持的试样规格大小相同、材质相同时，对试样的挤压力也不一定相同。这主要是受到试样的夹持方位、夹持长度的影响，另外还受到试验机夹头的油缸活塞内的油压力变化的影响。

挤压力同拉伸强度之间的关系：其减少的拉伸强度（理论值）=挤压力÷试样横截面积。

A公司生产的试验机是属于液压夹持对拉伸强度有影响的公司。以下是用A公司生产的不同规格的试验机夹持不同试样所产生的挤压力与减小的拉伸强度估计值统计，见表1。

表1 不同试样受到的挤压力与减小的拉伸强度估计值统计表
Tab.1 Statistical table squeeze force and reduce estimated tensile strength of different samples

比如用A公司1000 kN试验机拉伸Φ10 mm的钢筋，钢筋两端夹紧后显示的挤压力是-3.7 kN，试样在断裂时显示的拉伸力是51.2 kN，显示的抗拉强度是652 MPa。所以试样断裂时其实际的抗拉力理论上应该是51.2 kN +3.7 kN=54.9 kN，实际的抗拉强度应该是699 MPa。这也就是说，由于夹持试样时产生的挤压力使抗拉强度减小了47 MPa，减小的幅度达6.7%。

因挤压力而使抗拉强度减小的值也可以直接推算，仍以上面为例：

从表1还可看到：1000 kN 试验机夹持直径为6 mm的圆钢，挤压力为-3.256 kN，

由于其试样横截面积比较小，因此减小的拉伸强度竟高达115.2 MPa。强度减小这么多，主要是因为钢丝的硬度特高，正常情况下这钢丝的抗拉强度都高达1000 MPa以上，因此其强度减小约11%左右。

但必须注意：对同一钢筋用两端夹持后得到的挤压力计算出的拉伸强度减小值同这根钢筋实际拉断后得到的拉伸强度减小值其大小不一定是相等的，这主要是因为估计拉伸强度减小值时没有考虑试验机的示值相对误差对拉伸强度的影响，而实际测量拉伸强度时还受到试验机的示值相对误差的影响、环境及人为因素的影响。例如：当1级试验机的示值相对误差为零时，试样的抗拉强度是700 MPa左右，当试验机的示值相对误差为+1%，那么试样的抗拉强度就可能是707 MPa左右；当试验机的示值相对误差为-1%，那么试样的抗拉强度就可能只有693 MPa左右了。

下面是用A公司、B公司生产的1000 kN试验机分别对同一批号、同一规格的标准钢筋进行拉伸试验，得到不同公司的试验机夹持的挤压力对拉伸强度影响的对照表，见表2。

表2 不同公司的试验机夹持的挤压力对拉伸强度影响的对照表
Tab.2 Comparison table of the influence of squeezing force held by testing machines from different companies on tensile strength

注：表中，差值=对标准钢筋的实测值-标准钢筋的标准值。

从表2 也可看出：A公司对标准钢筋的测试值的“差值”远超出±15 MPa之外，测试的结果是不满意的，也就是说，A公司的试验机液压夹持对拉伸强度有影响，同挤压力的大小直接相关；B公司对标准钢筋的测试值的“差值”在±15 MPa 之内，测试的结果是满意的，B公司的试验机液压夹持对拉伸强度没有影响，同挤压力的大小无关。按理说，B公司的试验机液压夹持不影响拉伸强度，那么其下屈服强度、抗拉强度实测值同标准钢筋标准值的差值应该为零，但由于受到试验机本身的示值相对误差大小的影响，这标准钢筋本身同标称的标准值之间还存在一定的差值，所以这才出现“差值”不为零的情况；那么，对B公司的下屈服强度、抗拉强度的影响为啥又不一样呢？这是因为下屈服力、抗拉力的力值大小不同，则所处力值区间的示值相对误差也不同所造成的对下屈服强度、抗拉强度的影响不一样。同样，A公司的实测值也受到这些影响，使其“差值”不一定等于拉伸强度减小的估计值（拉伸强度减小的估计值约为24.8 kN）。

进一步的探讨还表明：一旦确认某试验机制造公司生产的某规格（比如100 kN电液伺服万能试验机）的试验机有这种潜在的问题，那么这个制造公司生产的其他液压夹持的试验机(如300 kN、600 kN、1000 kN的电液伺服万能试验机等)也有这种潜在的问题，因为一个制造公司的控制系统的软件基本上是一样的。一旦确认某试验机制造公司生产的某类型（比如电液伺服万能试验机）的试验机有这种潜在的问题，那么这个制造公司生产的其他类型的液压夹持的试验机(如电液伺服钢绞线试验机等)也有这种潜在的问题，因为一个制造公司的控制系统的软件基本上是一样的。

5 如何判断试验机的液压夹持是否对拉伸强度有影响

可以通过外部比对来发现试验机的潜在问题。

但是，参加一般的以普通钢筋（尽管比对试样经过均匀性和稳定性的考核）[6]作为比对试样的比对，是不一定能发现这种试验机潜在问题的。因为以普通钢筋作为比对样品，其比对结果的评价方法多是采取中位值、标准化IQR（NIQR）、z比分数来进行评价的，根据对国家级、省级钢筋比对的结果统计，发现其下屈服强度、抗拉强度的NIQR多数在12 MPa左右，因此，只要比对结果同中位值之差的绝对值小于24 MPa，即z≤2，其结果满意。所以参加以普通钢筋作为比对试样的比对很难发现试验机潜在的问题。

以某省开展的一次钢筋比对为例，下屈服强度中位值439 MPa，NIQR为14.8260 MPa，当z=2 时，则下屈服强度的允许误差为±29.6520 MPa；抗拉强度中位值624 MPa，NIQR为12.6021 MPa，当z=2 时，则抗拉强度的允许误差为±25.2042 MPa。这也就是说下屈服强度即使相差±29 MPa，抗拉强度即使相差±25 MPa，其结果也是满意的；更何况中位值还不一定就等于比对钢筋的实际值。因此，下屈服强度、抗拉强度同实际值的差的绝对值或许比29 MPa、25 MPa还要大。

但如果以标准钢筋作为比对试样的比对，其要求就严格得多了！这时，其下屈服强度、抗拉强度的最大允许误差都只有±15 MPa，这是试验机的示值最大允许误差。也就是说试验机测试标准钢筋得到的下屈服强度、抗拉强度分别同标准钢筋标准值相减得到的差值的绝对值只要有一项大于十五个兆帕，比对结果就为不满意，那试验机就被判为不合格。由此可见，用标准钢筋作为比对试样是更容易发现试验机潜在问题。

如果不可能参加以标准钢筋作为试样的比对，也可以自行购置标准钢筋来进行验证，这是一个判断试验机是否存在这种潜在问题的最佳方案。但必须在试验机正常（尽可能让试验机的示值相对误差小）、人员操作熟练的情况下进行。

6 结语

对于液压夹持对拉伸强度有影响的试验机一定要从根本上去解决这个问题，而不要采取试样两头夹紧后清零的方式来消除对拉伸强度的影响；国家标准GB/T 228.1-2021《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》[8]：在试验加载链装配完成后，试样两端被夹持之前，应设定力测量系统的零点。一旦设定了力值零点，在试验期间力值测量系统不应再发生变化。也就是说国家标准不允许试样两头夹持后再清零（如果液压夹持对拉伸强度没有影响的试验机，两头夹持后清零反而还会对拉伸强度产生影响），两头夹持后清零是违背国家标准的。另外，液压夹持对拉伸强度有影响的试验机，降低液压夹头的油缸活塞内的油压力虽然也可以减小对拉伸强度的影响，但不能也绝不可能完全消除影响。针对液压夹持对拉伸强度有影响的这个问题，建议在制定试验机产品的国家标准时[7]，应明确要求：试验机不能因为液压夹持而对拉伸强度产生影响。

文章引用：吴栋梁, 龚万选, 郑红. 试验机液压夹持对金属材料拉伸强度的潜在影响[J]. 中国建材科技, 2024, 33(6):pp.32-36.