一文读懂材料力学测试中的试样尺寸测量

在日常测试中，除了设备本身的精度参数外，您是否考虑过试样尺寸测量对测试结果带来的影响？本文将结合标准及具体案例，对一些常见材料的尺寸测量给出一些建议。

此问题取决于两点。

第一，该误差造成的相对误差到底有多大。比如同样是 0.1mm 的误差，对于 10mm 的尺寸，误差为 1%，对于 1mm 的尺寸，误差则达到 10%；

第二，该尺寸对于结果的影响有多大。对于弯曲强度计算公式，宽度对结果是一次方的影响，而厚度对结果的影响则是二次方的影响，相对误差相同的情况下，厚度对结果的影响更大。

如下实际案例，弯曲测试样条标准宽度和厚度分别为 10mm 和 4mm，此时弯曲模量为 8956MPa，当输入真实试样尺寸，宽度和厚度分别为 9.90mm 和 3.90mm 时，弯曲模量变为 9741MPa，增加了将近 9%。

目前比较常见的尺寸测量设备，主要为千分尺、卡尺、测厚仪等。

普通的千分尺一般量程不超过 30mm，分辨率 1μm，最大示值误差 ±(2~4)μm 左右。高精度的千分尺分辨率可达到 0.1μm，最大示值误差 ±0.5μm。

千分尺内置了一个恒定测量力值，每次测量都能在恒定接触力的情况下得到测量结果，适用于硬质材料的尺寸测量。

常规的卡尺量程一般不超过 300mm，分辨率 0.01mm，最大示值误差 ±0.02~0.05mm 左右。部分大型卡尺量程可达到 1000mm，但误差也会增加。

卡尺的卡紧力值取决于操作员的操作，同一个人的测量结果一般比较稳定，不同人之间的测量结果会有一定差距，适用于硬质材料的尺寸测量以及部分大尺寸软质材料的尺寸测量。

测厚仪的行程、精度和分辨率一般和千分表差不多。此类设备也能提供一个恒定的压力，但压力可以通过改变顶部的负载来调整。一般来说，此类设备适合测量软质材料。

选择尺寸测量设备的核心是确保能获得有代表性的、重复性高的测试结果。首先我们要考虑的是基本参数：量程和精度。此外，例如千分尺、卡尺等常用的尺寸测量设备都属于接触式测量设备，对于一些特殊形状或者软质样品，我们还应考虑测头形状以及接触力的影响。实际上，不少标准都对尺寸测量设备提出了相应的要求：

ISO 16012:2015 规定了对于注塑样条，可使用千分尺或者千分表式厚度计测量注塑试样的宽度和厚度；对于机加工的试样，还可使用卡尺和非接触测量设备。对于 ＜10mm 的尺寸测量结果，要确保精度在 ±0.02mm 以内，对于 ≥10mm 的尺寸测量结果，精度要求为 ±0.1mm。

GB/T 6342 规定了泡沫塑料和橡胶的尺寸测量方法。对于部分样品，允许使用千分尺以及卡尺，但严格规定了千分尺和卡尺的使用方法避免样品受很大的力，造成测量结果不准确。此外对于厚度 ＜10mm 的试样，标准还推荐使用测微计，但对接触应力做了严格的要求，为 100±10Pa。

GB/T 2941 则规定了橡胶样品的尺寸测量方法，值得指出的是对于厚度  ＜30mm 的试样，标准规定了测头的形状为直径 2mm~10mm 的圆形平面压足，对于硬度 ≥35 IRHD 的样品，施加的负载为 22±5kPa，对于硬度 ＜35 IRHD 的样品，施加的负载为 10±2kPa。

• 对于塑料拉伸样条，推荐千分尺测量宽度和厚度；

• 对于缺口冲击样条，可用千分尺或分辨率1μm的测厚仪测量，但测头底部圆弧半径不超过 0.10mm；

• 对于薄膜样品，推荐分辨率优于1μm的测厚仪测量厚度；

• 对于橡胶拉伸样品，推荐测厚仪测量厚度，但要注意测头面积和负载；

• 对于较薄的发泡材料，推荐专用测厚仪测量厚度。

有些试样的测量位置要考虑能代表试样的真实尺寸。

例如注塑成型的弯曲样条，样条侧面会存在一个不大于 1° 的脱模角，因此宽度的最大最小值之间的误差能达到 0.14mm。

此外注塑试样会存在热收缩，在试样中间测量和边缘测量会存在较大差异，因此相关标准也会规定测量的位置。例如 ISO 178 要求试样宽度的测量位置为厚度中心线 ±0.5mm 的位置，厚度测量位置为宽度中心线 ±3.25mm 的位置。

在确保尺寸测量无误外，还应注意防止人为输入错误引起的误差。

对于本文提到的千分尺、卡尺、测厚仪等设备，Instron 所有试验系统均支持一键导入尺寸测量结果，避免人为输入误差。