应变计材料的加工处理、冶炼和生产

　　尽管意识不到, 但是大多数人几乎每天都接触到含有应变计的装置。从事试验应力分析的人员与应变计既有个人的又有专业技术上的接触, 但是, 可能与马路上的行人一样对有关应变计生产、制作应变计的材料的基本情况不甚清楚。什么是应变计?应变计是怎样制作的?制作应变计用的是什么材料?本文将着重介绍制造应变计的材料, 材料特性及其制造方法。

　　什么是应变计?

　　让我们从头说起。从功能上讲, 应变计是一种将偏差、变形或应变转换成电子信号的一种被动的敏感元件。从物理上讲, 应变计是一种因应变导致其电阻变化的灵敏电阻。电阻的变化与应变的比值△R/ε 叫做应变系数。因此, 紧随应变计之后的材料技术就是精密电阻材料, 这一技术其实可以向前追溯到应变计发展之前的很长一段时间, 一直到电子元器件发展初期。100 年前对铝合金的电子性能的调查研究揭示了几种材料的不规则的电阻温度特性。这些研究引导了第一批精密电阻合金的研发。

　　早在二战时期, 即应变计发展初期, 使用细丝作为应变计的活性元件, 所以对细丝形式的电阻材料进行评价是很自然的事儿。在这些材料中, 精密电阻合金中的一种康铜合金被发现适合应变计的使用。随着丝式应变计技术被更先进的箔式应变计技术所取代, 电阻合金应运而生并且被处理成了很薄的箔材。

　　今天, 康铜仍是应用最为广泛的应变计材料, 另一种在五十年代开始研制的用于精密电阻的材料也得到了广泛的应用, 这种材料叫做卡玛即艾氟诺母R。表 1 给出了这两种材料的成分。

　　应变合金

　　当今所有型式的应变计, 绝大部分都使用康铜和埃氟诺母材料, 其他一些材料, 比如精密金属应变计或一些高温合金, 也被用于特殊或恶劣的场合。然而, 这些材料的综合性能都不如康铜和艾氟诺母特别适合于各种应变计, 这些综合性能包括:

　　1) 电阻对温度性能的非典型性

　　2) 足够的延展性允许将其处理成千分之一英寸厚的箔

　　3) 易于大量制作精确的应变计图形的光化学加工容易

　　4) 没有贵重金属或其他价格昂贵的合金元素成分, 价格合理

　　上述 1) 是应变计材料最应具备的最重要的特性, 虽然与多数其他金属和合金材料相比, 其电阻对温度具有非典型性, 但在应变计应用中却能被很好地利用, 发挥其优点。

　　电阻—温度特性

　　应变计合金材料的电阻温度特性的重要性在一个例子———电子传感器中得到了最佳的描述。根据虎克定律, 当在一弹性物体上施加载荷时, 物体的变形与载荷成正比, 如图 1 所示。