疲勞試驗機動態力的準確性對疲勞試驗結果有著非常重要的影響。JJG 556—2011 《軸向加力疲勞試驗機》與ASTM E467—2021 《恒幅動態載荷在軸向疲勞試驗系統中的檢定標準方法》是目前較為常用的動態力校準方法。雖然兩個標準中都包含了動態力的校準方法，但在實際使用過程中，實驗室經常會對其校準程序與技術要求產生混淆，在一些先進材料的研制、關鍵部件的設計與制造中，同一臺疲勞試驗機在參考不同的計量性能要求、使用不同的標準器具和校準方法下可能會出現不同的校準結果，這些結果的差異性可能會影響相關人員對一些關鍵技術指標的判斷，從而造成較大的經濟損失和重要的時機延誤。來自上海材料研究所的盧奇、鄭程和李凱三位研究人員對這兩個標準進行了系統地分析對比，以便在日常的計量校準中更好地理解兩個標準的技術差異。

1 術語定義

1.1 術語類型差異

     JJG 556—2011中的術語多為校準過程中的各類參數的解釋，如：平均循環力、循環力幅等。而ASTM E467—2021除了對分校準參數進行了解釋以外，還對未包括在ASTM E1823—2021 《疲勞斷裂試驗的相關術語》中的，或被認定是不常用的術語均進行了解釋與定義，如：校準系數、測力儀、力傳感器等。

1.2 術語描述差異

     根據JJF 1011—2006 《力值與硬度計量術語及定義》中對于動態力的描述：動態力是指隨時間變化的力，包括隨機力、沖擊力和循環力。因為疲勞試驗機所施加力是隨時間呈周期性變化的，所以JJG 556—2011在校準對象的描述中使用了更加準確的循環力代替了動態力。ASTM E467—2021雖然也指出其規程涵蓋了在軸向疲勞測試系統中，恒定振幅測試時對循環力振幅控制或測量精度進行動態驗證的程序，但在通篇規程中，仍然多次使用動態力作為其校準對象的描述。

1.3 術語表示方法的差異

     由于JJG 556—2011的校準項目較多，因此通篇使用了大量的符號來定義各類術語，如：Fmax(試驗機的最大力)、Fi(慣性力)等。使用符號代替文字可以顯著縮短標準內容的篇幅，但使用者需要花費一定的時間去對照表格理解各類符號所代表的含義。ASTM E467—2021正文中直接使用術語而非符號,僅在附錄A1中的計算公式中使用了符號來代替部分參數。

     對比兩個標準的術語差異不難發現，兩個標準在校準術語的選擇中各有側重：JJG 556—2011中術語多為動態力檢定要求相關參數，且使用了大量的符號，這間接提高了標準的學習成本；而ASTM E467—2021中對術語的選擇面更廣、解釋更為詳細，對于初次接觸標準的使用者更加友好。

2 計量性能要求

     JJG 556—2011 中對于動態力的校準項目有6條：①循環力范圍示值相對誤差要求為±2%(A)，±3%(B)；②循環力范圍示值重復性要求為2%(A)，3%(B)；③循環力峰值范圍示值相對誤差要求為±2%(A)，±3%(B)；④循環力峰值范圍示值重復性要求為2%(A)，3%(B)；⑤10min循環力范圍示值變動性要求為2% (A)，3% (B)；⑥10min循環力峰值示值變動性要求為2%(A)，3%(B)。其中項目⑥為后續校準中的非必須項目，可見首次校準與后續校準的檢定項目并不相同，且對于不同種類疲勞試驗機的計量要求也不盡相同。其中，A適用于電液伺服疲勞試驗機，B適用于液壓脈動疲勞試驗機、機械式疲勞試驗機、電磁共振型疲勞試驗機及其他形式的試驗機。

     ASTM E467—2021中僅對循環力范圍允許誤差與動態力終值誤差提出要求，其中：①動態力范圍允許誤差要求為±1.0%×最大靜態力跨度；②最大動態終值誤差(峰值或谷值)要求為±1.0%。

     相比之下，JJG 556—2011中對于動態力的校準項目要多于ASTM E467—2021，但ASTM E467—2021中的技術要求要比JJG 556—2011中的更加嚴格。考慮到動態力誤差還應與疲勞試驗檢測標準中對設備的計量技術要求相匹配，其中：①GB/T 3075—2008 《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》要求動態力測量誤差不超過所需測力范圍的±1%；② GB/T 15248—2008 《金屬材料軸向等幅低循環疲勞試驗方法》中要求試驗機相繼兩循環的重復性應在所試應力或應變范圍的1%以內或平均范圍的0.5%以內，整個試驗過程中應穩定在2%以內；③ ASTM E466—2021 《金屬材料力控制恒定振幅軸向疲勞試驗方法》與ASTM E606/E606M—2021 《應變控制疲勞試驗標準試驗方法》中均提到動態力要滿足ASTM E467—2021中的計量要求。由此可見，ASTM E467—2021的動態力計量性能要求要比JJG 556—2011更符合日常疲勞試驗需求。此外，JJG 556—2011中并沒有動態力谷值誤差的要求，這是考慮到當試驗機動態力谷值越接近零時，會接近力傳感器的測量范圍下限，導致谷值示值誤差的近零測量點是不準確的，所以JJG 556—2011采用了動態力范圍誤差與峰值誤差，以避開該類情況的發生。

3 計量器具的技術要求

     JJG 556—2011中對循環力校準中使用的力校準裝置要求如下所述。

     (1) 力校準裝置應由標準測力儀或電阻應變計式的校驗棒組成。

     (2) 準確度等級應不低于0.3級(當使用電阻應變計式的校驗棒時，應符合相應準確度等級的標準測力儀的技術指標要求)。

     (3) 工作范圍內的頻率響應變化不超過±0.1dB；或固有頻率不低于被檢試驗機最高工作頻率15倍的力校準系統。

     (4) 采樣頻率不低于校準頻率的50倍。

     (5) 在給定靜態力的條件下，校準裝置峰值顯示與靜態顯示的示值差在相同條件下應在裝置量程的±0.02%以內。

      ASTM E467—2021中對力校準裝置的要求如下所述。

     (1) 建議使用電阻應變計式的校驗棒，若條件不允許，可使用其他替代的力校準裝置。

     (2) 力校準裝置的整體精度應占動態測量總誤差的25%以下。此外，力校準裝置還需配有最新的校準證書，并可追溯至美國國家標準與技術研究院(NIST)或其他機構公認的國家標準。

     (3) 對于力校準裝置的靜態校準，不需要按ASTM E4—2021 《試驗機的力校準與驗證標準規程》對力校準裝置進行靜態校準。只需要將力校準裝置的指示力靜態校準到力傳感器指示力，該力水平對應于所需的動態力峰谷值。

4 校準內容

4.1 校準點的選擇

     JJG 556—2011中根據試驗機的類型，對于分檔的試驗機，根據格檔量程對應的Famax(試驗機的最大循環力幅)與Fmax(試驗機的最大力)的不同，分成以下3種情況。

    (1) Famax<Fmax(Famax≈0.5Fmax)的拉伸(或壓縮)試驗機。平均循環力比為0.2，0.8(循環力范圍比為0.2，0.4)；平均循環力比為0.4，0.6 (循環力范圍比為0.2，0.4，0.6，0.8)；平均循環力比為0.5(循環力范圍比為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0)。

   (2) Famax<Fmax (Famax≈0.5Fmax)的拉壓試驗機。平均循環力比為±0.5(循環力范圍比為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0)；平均循環力比為±0.25(循環力范圍比為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0)；平均循環力比為0.0(循環力范圍比為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0)。

     (3) Famax=Fmax的拉壓試驗機。平均循環力比為±0.6(循環力范圍比為0.2，0.4)；平均循環力比為±0.4(循環力范圍比為0.2，0.4，0.6)；平均循環力比為±0.2(循環力范圍比為0.2，0.4，0.6，0.8)；平均循環力比為0.0(循環力范圍比為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0)。

       此外，對于不分檔試驗機，除了按照上述要求選取的平均循環力比和循環力范圍比外，還需額外按照以下列出的平均循環力比和循環力范圍比進行校準，將校準合格的最小循環力范圍作為該試驗機循環力范圍的測量下限，且測量下限不低于200倍試驗機力指示裝置分辨力。主要分為以下兩種情況。

    (1) Famax<Fmax (Famax≈0.5Fmax)的拉伸(或壓縮)試驗機；平均循環力比為0.02(循環力范圍比為0.2，0.4)；平均循環力比為0.05 (循環力范圍比為0.05，0.1)；平均循環力比為0.1(循環力范圍比為0.1，0.2)。

    (2) Famax<Fmax(Famax ≈0.5Fmax)或Famax<Fmax的拉壓試驗機。平均循環力比為0.0(循環力范圍比為0.02，0.05，0.10)。

     試驗機若不能達到規定的循環力范圍時，可將循環力范圍改為該平均循環力下的最大循環力范圍。此外，對于后續校準和使用中校準的試驗機，可以僅在一個平均循環力下進行循環力校準：拉伸(或壓縮)試驗機取平均循環力比為0.5，拉壓試驗機取平均循環力比為0。

     ASTM E467—2021中對動態力具體的校準點無明確要求，但標準中指出：推薦選取試驗機可設置的最大與最小動態力點。除此之外，考慮到試驗機在拉壓過程中振動差異的不確定性，若試驗機有在此情況下運行的需求，ASTM E467—2021建議通過試驗機在運行的每個力值范圍內施加通過零點的范圍循環力進行動態力校準。

4.2 校準波形及頻率的選擇

     考慮到電磁共振式的疲勞試驗機只能產生正弦波形，JJG 556—2011中要求校準波形一般為正弦波。對于電磁共振式的疲勞試驗機，以系統的共振頻率為循環力的校準頻率；對于其他類型的各類試驗機，若試驗機僅使用幾個特定的工作頻率，則循環力僅在這幾個特定的工作頻率下校準；若試驗機在變化的頻率范圍內使用，則選取包括該頻率范圍的上下限在內的3個頻率作為循環力的校準頻率。

    ASTM E467—2021 中未提及校準波形的選擇，對于試驗機頻率的選擇，ASTM E467—2021和JJG 556—2011 較為相似:如果疲勞試驗機僅在幾個特定分散的頻率下使用,則僅在這些頻率下進行校準。如果機器將在各種頻率下使用，必須使用完整校準程序對最小和最大頻率進行校準，這些頻率之間的任何工作頻率都可以使用慣性力修正。

4.3 校準程序對比分析

     JJG 556—2011的循環力校準一般遵循以下步驟：對于循環力校準裝置的測力元件，使用合適的工裝與疲勞試驗機連接,并保證足夠的連接剛度；連接后的力校準裝置測力元件軸線應與試驗機的加力軸線相重合，以減小傾斜力和偏心力對校準過程的影響；待試驗機與測力裝置按規定使用說明要求通電預熱30min后方可進行校準，再確認好循環力級、校準頻率與校準波形后，設置循環力校準裝置的采樣頻率，使其采樣頻率至少為50倍的校準頻率。

     逐頻率、逐力級地對循環力校準裝置施加循環力，并在指示裝置的顯示示值趨于穩定后，讀取連續10個周期的循環力峰谷值，按相應公式計算后應滿足章節2中2%(A)，3%(B)的要求。此外，試驗機還需要在選定條件下運行10min，每隔1min記錄下試驗機力指示裝置所顯示的循環力峰谷值，同時記錄10min內循環力峰值示值出現的最大值與最小值。按照公式計算出10min內循環力范圍的示值變動性和峰值的示值變動性。在進行慣性力修正后，計算結果應滿足計量特性要求。

     ASTM E467—2021中的校準步驟與JJG556—2011相似，不同點在于：在連接好動態力測力儀后，首先需要做的是測力儀裝置的靜態校準，步驟如下所述。

     (1) 將動態力測量裝置緩慢加載至試驗機峰值力+5%所需驗證的動態力范圍，重復3次，隨后將力卸載至零點,并將動態力測試裝置和試驗機的力傳感器的力值清零。

      (2) 使用ASTM E4—2011所定義的Set-the-Force的設定力方法，將動態力校準裝置加載到最大終值，利用測力儀的顯示力值對動態力校準裝置的顯示力值進行標定校準。對測力裝置進行靜態校準時，與動態力校準裝置最大相關力的示值誤差重復性不應超過試驗機所施加最大力的±0.25%。

     ASTM E467—2021的動態力校準步驟：將試驗機按平時使用的方式設置好后，按照所需頻率對試驗機施加動態力,直到達到設定好的校準點；待整個系統穩定后，記錄至少50組動態力峰谷值；按照公式計算動態力范圍允許誤差與動態力終值誤差，計算結果應滿足章節2中的要求。

      對比兩個標準的校準程序可發現：①JJG556—2011的動態力校準采樣點選擇了10個，這是考慮到國內普遍使用的動態力校準系統的數據采樣系統在采樣頻率為50倍校準頻率時，每一屏剛好可以顯示10個完整的正弦波；② ASTM E467—2021建議獲取3組峰值或谷值的校準數據，且每組至少包括50個周期的數據，以確保獲得準確的峰谷值讀數。

5 結論及建議

    綜上所述，JJG 556—2011與ASTM E467—2021的校準步驟雖較為相似，但在術語定義、計量性能要求、主標準器具、校準項目上均存在一定的差異，JJG 556—2011的要求較為寬松，且校準參數要求較多，而ASTM E467—2021的要求更加嚴格，且更加符合目前主流的中國標準與美國標準疲勞試驗方法中對試驗機的動態力精度要求。

     此外，在日常的疲勞試驗機計量校準中，JJG556—2011在動態力校準點的選擇上較為復雜，且不同種類試驗機的校準點選擇也不盡相同，這使得設備的使用者與計量人員在日常計量維護中需要用一定的時間去選擇與計算校準點。建議在日后的修訂中，可以參考ASTM E467—2021對校準點進行進一步的整合與精簡。同時，JJG 556—2011也可以參考ASTM E467—2021，選取更多的采樣點(如50組)，并進行多次校準(如3次)以獲得更多的校準數據，這樣不但可以獲得更加穩定且準確的校準數據，同時也可以用獲得的校準數據計算并代替原規程中考察試驗機波動度和控制準確度的方法(10min示值變動性)。