弹性模量是工程材料重要的性能参数之一，从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度；从微观角度来说，弹性模量则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。总体来说，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标，合金化、热处理等对弹性模量的影响较小。弹性模量与原子间作用力（应力）、原子间距（应变）有关，原子间作用力决定金属原子本性和晶格类型。对于单晶材料，呈现各向异性，对于多晶材料，呈现各向同性，各向异性材料的弹性模量在各个方向测出的结果迥异，而各向同性材料的弹性模量在各个方向测出的结果是相同的。

准确测量材料的弹性模量对工程应用来说显得尤为重要，而影响弹性模量测量准确性的因素很多，其中最重要的一个因素就是拉伸试验机的同轴度。来自力试（上海）科学仪器有限公司的王斌、胡国林、郭钊三位研究人员采用不同同轴度的拉伸试验机，对比了单侧引伸计和双侧引伸计测量金属材料弹性模量的结果，给广大检测人员提供参考。

1 试验材料与试验设备

1.1 试验材料

试验材料为Q235普通碳素结构钢。拉伸试样直径为(10±0.03) mm。

1.2 试验参数

采用0.00007s-1的速率进行拉伸试验，应力范围为20~80MPa。

1.3 影响试验数据的因素分析

采用单轴拉伸的方法测量金属材料的弹性模量具有操作方便、数据可溯源及设备保有量大等优点，该方法在工程领域得到了广泛的应用。但采用单轴拉伸的方法测量金属的弹性模量将因为以下几个方面的原因，导致结果的离散性非常大。

1.3.1 变形测量装置的分辨率

变形测量装置的选用会对弹性模量产生巨大的影响，现阶段而言，位移测量计、拉线编码器、引伸计都是试验机上可能选用的变形测量装置，但引伸计的分辨率会更高，一般可以达到最大变形量的1/5000000，可以测出微小的变形。引伸计的主要用途就是用来求取弹性模量及非比例应力，一般的材料在弹性段变形量都不会很大，但如果选择变形量程较大的引伸计会导致小信号的测量精度降低，这就人为地增大了应变的测量误差，会影响弹性模量的求取精度。

1.3.2 系统的采样频率

采样频率，定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，采样频率对弹性模量的影响主要在于弹性段起点和终点的选取。如果采样频率太低，则试验完成以后的原始数据会偏少，弹性段起点终点的选择会没那么精准（会在设定区间的附近选择特征点），这样就会产生误差。因此，采样频率越高，弹性模量越接近理论值。该次试验采用了LE系列和LD系列两种型号拉伸试验机，其中LE系列设备的采样频率可以到2500Hz，该次试验采用100Hz，而LD系列设备采样频率最高为120Hz，该次试验采用30Hz。

1.3.3 系统的同轴度

ISO 6892.1：2019《Metallic Materials Tensile Testing-Part 1：Method of Test at Room Temperature》增加了单轴拉伸试验测量金属弹性模量部分的内容，正在修订的GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》也将增加规范性目录G通过单轴拉伸试验测定金属材料弹性模量的内容。由于拉伸试验机的同轴度会对弹性模量的结果产生显著影响，因此ISO 6892.1：2019对拉伸试验机的同轴度要求较高。

测量金属材料的弹性模量，如果采用单侧夹持变形测量装置，这时候如果设备同轴度不好的话就会导致试样装上以后会有倾斜，与试验的加载力方向也会不在一条轴线上，会对应力与应变测量的准确性产生较大影响。前述的规范性目录G(通过单轴拉伸试验测量金属材料弹性模量)并没有对设备的同轴度进行严格的规定，可能是考虑目前大量使用的拉伸试验机不能满足上述要求。

使用试样两侧测量应变的引伸计可以在很大程度上降低同轴度对弹性模量测量的影响。系统同轴度的测量采用LAT型同轴度校准系统，该系统的原理如下：通过检测贴附于安装在待校准同轴度的试验机设备上的试样四周应变片的应变，计算试样在上、中、下各处的弯曲信息，进而推导出同轴度在横纵方向上的角度偏差和中心位置偏差，并给出操作者量化的校准建议，最终使得同轴度满足相关要求。LAT型同轴度校准系统校准和调整试验机同轴度的最小能力为ASTM 1012 Class 5。

1.4 试验设备的选用及变形测量装置介绍

1.4.1 试验设备

选取力试公司的LD24.104型和LE5105型拉伸试验机进行拉伸试验。LE系列相对于LD系列来说，LE系列设备增加了对中环，可以对设备的同轴度进行更高精度的调节。

1.4.2 变形测量装置

采用Y100/2型双边引伸计作为变形测量装置，其标距为100mm，行程为2mm。该型引伸计变形量较小，小变形的精度高。同时采用两侧引伸计单边的数据和两侧的平均数据计算试样加载时的弯曲率，来对比不同型号拉伸试验机的同轴度水平。

2 试验结果与分析

2.1 试验设备的同轴度对比

弯曲率e的计算式如下：

式中：e为上下夹头的中心线与试验机加力轴线的弯曲率；ΔLmax为在同一测力点，同一次测量中，检测试样变形量较大一侧的变形量；ΔL为同一测力点，同一次测量中，检测试样两侧变形的算术平均值。

LD24.104型及LE5105型拉伸试验机的弯曲率结果见表1。通过试样在不同的试验力作用下，两侧引伸计在左右、前后、偏左45°、偏右45°的方向分别进行3次数据统计，以平均值依据式（1）计算出两种型号拉伸试验机的弯曲率。由表1可知，LE5105型拉伸试验机的同轴度明显好很多，这是因为该型拉伸试验机增加了对中环调节系统的缘故。

表1 LD24.104型及LE5105型拉伸试验机的弯曲率结果

2.2 弹性模量

为了避免钳口的不同而影响试样的受力，减少不必要的人为因素或者硬件因素对试验数据的影响，该次试验采用标定设备同轴度的同样夹块。同时考虑到不同试样的尺寸、直线度、同轴度都会有差距，因此该次试验均采用同一根试样在弹性段进行拉伸试验，用于测定弹性模量，尽最大可能降低其他因素对试验机同轴度以及测量数据准确性的影响。

表2 LD24.104型及LE5105型拉伸试验机测得的弹性模量的统计结果

表2为LD24.104型和LE5105型拉伸试验机在20～80MPa应力范围测得的弹性模量的统计结果。由表2可知，加装了对中环的LE5105型拉伸试验机测得的弹性模量的标准差和离异系数比LD24.104型拉伸试验机测得的更低。图1和图2分别为LD24.104型和LE5105型拉伸试验机测得的弹性模量的离散分析图。

图1 LD24.104型拉伸试验机测得的弹性模量的离散分析图

图2 LE5105型拉伸试验机测得的弹性模量的离散分析图

在同轴度不好的情况下，如果采用单侧引伸计，测得的弹性模量与理论值有很大差距，而采用双侧引伸计取平均值的方法测得的弹性模量更接近理论值。采用较好同轴度的拉伸试验机，在相同的试样、相同的变形测量装置和相同的试验步骤下，单侧引伸计测得的弹性模量也是比较接近理论值的。采用双侧引伸计取平均值的方法测得的弹性模量则是更接近理论值。

3 结论及建议

同轴度对采用单侧引伸计测量弹性模量的影响显著，建议采用双侧引伸计来测量弹性模量。如果采用单侧引伸计测量弹性模量，应该选择弯曲率在3%以内的同轴度较好的拉伸试验机。

GB/T 228.1—2010的修订将增加规范性附录G，通过单轴拉伸试验测定金属材料的弹性模量。希望标准制定者在修订附录G时充分考虑拉伸试验机的同轴度对弹性模量的影响。