多功能電子拉力試驗(yàn)機(jī)的工作原理
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本文通過對(duì)材料屈服點(diǎn)含義的分析，說明正確求取材料屈服點(diǎn)的重要性。分析了屈服點(diǎn)求取時(shí)產(chǎn)生誤差的原因及解決的辦法以及應(yīng)注意的事項(xiàng)。對(duì)試驗(yàn)機(jī)的選型、設(shè)計(jì)、使用具有一定的參考價(jià)值。
任何的材料在受到外力作用時(shí)都會(huì)產(chǎn)生變形。在受力的初始階段，一般來說這種變形與受到的外力基本成線性的比例關(guān)系，這時(shí)若外力消失，材料的變形也將消失，恢復(fù)原狀，這一階段通常稱為彈性階段，物理學(xué)中的虎克定律，就是描述這一特性的基本定律。但當(dāng)外力增大到一定程度后，變形與受到的外力將不再成線性比例關(guān)系，這時(shí)當(dāng)外力消失后，材料的變形將不能完全消失，外型尺寸將不能完全恢復(fù)到原狀，這一階段稱為塑性變形階段。
一切的產(chǎn)品與設(shè)備都是由各種不同性能的材料構(gòu)成，它們?cè)谑褂弥袝?huì)受到各種各樣的外力作用，自然就會(huì)產(chǎn)生各種各樣的變形，，但這種變形必須被限制在彈性范圍之內(nèi)，否則產(chǎn)品的形狀將會(huì)發(fā)生長(zhǎng)久變化，影響繼續(xù)使用，設(shè)備的形狀也將發(fā)生變化，輕則造成加工零部件精度等級(jí)下降，重則造成零部件報(bào)廢，產(chǎn)生重大的質(zhì)量事故。那么如何確保變形是在彈性范圍內(nèi)呢？從上面的分析已知材料的變形分為彈性變形與塑性變形兩個(gè)階段，只要找出這對(duì)已知材料的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)與理論分析，人們總結(jié)出了采用屈服點(diǎn)、非比例應(yīng)力兩個(gè)階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，工程設(shè)計(jì)人員就可確保產(chǎn)品與設(shè)備的可靠運(yùn)行。
由于材料種類繁多，性能差異很大，彈性階段與塑性階段的過渡情況很復(fù)雜，通過和殘余應(yīng)力等指標(biāo)作為材料彈性階段與塑性階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的指標(biāo)來反應(yīng)材料的過渡過程的性能，其中屈服點(diǎn)與非比例應(yīng)力是*常用的指標(biāo)。雖然屈服點(diǎn)與非比例應(yīng)力同是反應(yīng)材料彈性階段與塑性階段“轉(zhuǎn)折點(diǎn)"的指標(biāo)，但它們反應(yīng)了不同過渡階段特性的材料的特點(diǎn)，因此它們的定義不同，求取方法不同，所需設(shè)備也不完全相同。因此筆者將分別對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。本文首先分析屈服點(diǎn)的情況：
從上面的描述，可以看出準(zhǔn)確求取屈服點(diǎn)在材料力學(xué)性能試驗(yàn)中是非常重要的，在許多的時(shí)候，它的重要性甚至大于材料的極限強(qiáng)度值(極限強(qiáng)度是所有材料力學(xué)性能必需求取的指標(biāo)之一)，然而非常準(zhǔn)確的求取它，在許多的時(shí)候又是一件不太容易的事。它受到許多因素的制約，歸納起來有：
＊ 夾具的影響；
＊ 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控環(huán)節(jié)的影響；
＊ 結(jié)果處理軟件的影響；
＊ 試驗(yàn)人員理論水平的影響等。
這其中的每一種影響都包含了不同的方面。下面逐一進(jìn)行分析
一、 夾具的影響
這類影響在試驗(yàn)中發(fā)生的機(jī)率較高，主要表現(xiàn)為試樣夾持部分打滑或試驗(yàn)機(jī)某些力值傳遞環(huán)節(jié)間存在較大的間隙等因素，它在舊機(jī)器上出現(xiàn)的概率較大。由于機(jī)器在使用一段時(shí)間后，各相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件間會(huì)產(chǎn)生磨損現(xiàn)象，使得摩擦系數(shù)明顯降低，*直觀的表現(xiàn)為夾塊的鱗狀尖峰被磨平，摩擦力大幅度的減小。當(dāng)試樣受力逐漸增大達(dá)到*大靜摩擦力時(shí)，試樣就會(huì)打滑，從而產(chǎn)生虛假屈服現(xiàn)象。如果以前使用該試驗(yàn)機(jī)所作試驗(yàn)屈服值正常，而現(xiàn)在所作試驗(yàn)屈服值明顯偏低，且在某些較硬或者較脆的材料試驗(yàn)時(shí)現(xiàn)象尤為明顯，則一般應(yīng)首先考慮是這一原因。這時(shí)需及時(shí)進(jìn)行設(shè)備的大修，消除間隙，更換夾塊。
二、 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控環(huán)節(jié)的影響
試驗(yàn)機(jī)測(cè)控環(huán)節(jié)是整個(gè)試驗(yàn)機(jī)的核心，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前這一環(huán)節(jié)基本上采用了各種電子電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)控。由于自動(dòng)測(cè)控知識(shí)的深?yuàn)W，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，原理的不透明，一旦在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中考慮不周，就會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，并且難以分析其原因。針對(duì)材料屈服點(diǎn)的求取*主要的有下列幾點(diǎn)：
1、傳感器放大器頻帶太窄
由于目前試驗(yàn)機(jī)上所采用的力值檢測(cè)元件基本上為載荷傳感器或壓力傳感器，而這兩類傳感器都為模擬小信號(hào)輸出類型，在使用中必須進(jìn)行信號(hào)放大。眾所周知，在我們的環(huán)境中，存在著各種各樣的電磁干擾信號(hào)，這種干擾信號(hào)會(huì)通過許多不同的渠道偶合到測(cè)量信號(hào)中一起被放大，結(jié)果使得有用信號(hào)**擾信號(hào)淹沒。為了從干擾信號(hào)中提取出有用信號(hào)，針對(duì)材料試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)，一般在放大器中設(shè)置有低通濾波器。合理的設(shè)置低通濾波器的截止頻率，將放大器的頻帶限制在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?，就能使試?yàn)機(jī)的測(cè)量控制性能得到極大的提高。然而在現(xiàn)實(shí)中，人們往往將數(shù)據(jù)的穩(wěn)定顯示看的非常重要，而忽略了數(shù)據(jù)的真實(shí)性，將濾波器的截止頻率設(shè)置的非常低。這樣在充分濾掉干擾信號(hào)的同時(shí)，往往把有用信號(hào)也一起濾掉了。在日常生活中，我們常見的電子秤，數(shù)據(jù)很穩(wěn)定，其原因之一就是它的頻帶很窄，干擾信號(hào)基本不能通過。這樣設(shè)計(jì)的原因是電子秤稱量的是穩(wěn)態(tài)信號(hào)，對(duì)稱量的過渡過程是不關(guān)心的，而材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)量的是動(dòng)態(tài)信號(hào)，它的頻譜是非常寬的，若頻帶太窄，較高頻率的信號(hào)就會(huì)被衰減或?yàn)V除，從而引起失真。對(duì)于屈服表現(xiàn)為力值多次上下波動(dòng)的情況，這種失真是不允許的。就萬能材料試驗(yàn)機(jī)而言，筆者認(rèn)為這一頻帶*小也應(yīng)大于10HZ，*好達(dá)到30HZ。在實(shí)際中，有時(shí)放大器的頻帶雖然達(dá)到了這一范圍，但人們往往忽略了A/D轉(zhuǎn)換器的頻帶寬度，以至于造成了實(shí)際的頻帶寬度小于設(shè)置頻寬。以眾多的試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用的AD7705、AD7703、AD7701等為例。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器以“*高輸出數(shù)據(jù)速率4KHZ"運(yùn)行時(shí)，它的模擬輸入處理電路達(dá)到*大的頻帶寬度10HZ。當(dāng)以試驗(yàn)機(jī)*常用的100HZ的輸出數(shù)據(jù)速率工作時(shí)，其模擬輸入處理電路的實(shí)際帶寬只有0.25HZ，這會(huì)把很多的有用信號(hào)給丟失，如屈服點(diǎn)的力值波動(dòng)等。用這樣的電路當(dāng)然不能得到正確試驗(yàn)結(jié)果。
2、數(shù)據(jù)采集速率太低
目前模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集是通過A/D轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)的。A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，但在試驗(yàn)機(jī)上采用*多的是∑－△型A/D轉(zhuǎn)換器。這類轉(zhuǎn)換器使用靈活，轉(zhuǎn)換速率可動(dòng)態(tài)調(diào)整，既可實(shí)現(xiàn)高速低精度的轉(zhuǎn)換，又可實(shí)現(xiàn)低速高精度的轉(zhuǎn)換。在試驗(yàn)機(jī)上由于對(duì)數(shù)據(jù)的采集速率要求不是太高，一般達(dá)每秒幾十次到幾百次就可滿足需求，因而一般多采用較低的轉(zhuǎn)換速率，以實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量精度。但在某些廠家生產(chǎn)的試驗(yàn)機(jī)上，為了追求較高的采樣分辨率，以及極高的數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定性，而將采樣速度降的很低，這是不可取的。因?yàn)楫?dāng)采樣速度很低時(shí)，對(duì)高速變化的信號(hào)就無法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集。例如金屬材料性能試驗(yàn)中，當(dāng)材料發(fā)生屈服而力值上下波動(dòng)時(shí)信號(hào)變化就是如此，以至于不能準(zhǔn)確求出上下屈服點(diǎn)，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，結(jié)果丟了西瓜撿芝麻。
那么如何判斷一個(gè)系統(tǒng)的頻帶寬窄以及采樣速率的高低呢？
嚴(yán)格來說這需要許多的專用測(cè)試儀器及專業(yè)人員來完成。但通過下面介紹的簡(jiǎn)單方法，可做出一個(gè)定性的認(rèn)識(shí)。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的采樣分辨率達(dá)到幾萬分之一以上，而顯示數(shù)據(jù)依然沒有波動(dòng)或顯示數(shù)據(jù)具有明顯的滯后感覺時(shí)，基本可以確定它的通頻帶很窄或采樣速率很低。除非特殊場(chǎng)合(如：校驗(yàn)試驗(yàn)機(jī)力值精度的高精度標(biāo)定儀)，否則在試驗(yàn)機(jī)上是不可使用的。
3、控制方法使用不當(dāng)
針對(duì)材料發(fā)生屈服時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系(發(fā)生屈服時(shí)，應(yīng)力不變或產(chǎn)生上下波動(dòng)，而應(yīng)變則繼續(xù)增大)國標(biāo)推薦的控制模式為恒應(yīng)變控制，而在屈服發(fā)生前的彈性階段控制模式為恒應(yīng)力控制，這在絕大多數(shù)試驗(yàn)機(jī)及某次試驗(yàn)中是很難完成的。因?yàn)樗笤趧偝霈F(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)改變控制模式，而試驗(yàn)的目的本身就是為了要求取屈服點(diǎn)，怎么可能以未知的結(jié)果作為條件進(jìn)行控制切換呢？所以在現(xiàn)實(shí)中，一般都是用同一種控制模式來完成整個(gè)的試驗(yàn)的(即使使用不同的控制模式也很難在上屈服點(diǎn)切換，一般會(huì)選擇超前一點(diǎn))。對(duì)于使用恒位移控制(速度控制)的試驗(yàn)機(jī)，由于材料在彈性階段的應(yīng)力速率與應(yīng)變速率成正比關(guān)系，只要選擇合適的試驗(yàn)速度，全程采用速度控制就可兼容兩個(gè)階段的控制特性要求。但對(duì)于只有力控制一種模式的試驗(yàn)機(jī)，如果試驗(yàn)機(jī)的響應(yīng)特別快(這是自動(dòng)控制努力想要達(dá)到的目的)，則屈服發(fā)生的過程時(shí)間就會(huì)非常短，如果數(shù)據(jù)采集的速度不夠高，則就會(huì)丟失屈服值(原因第2點(diǎn)已說明)，優(yōu)異的控制性能反而變成了產(chǎn)生誤差的原因。所以在選擇試驗(yàn)機(jī)及控制方法時(shí)*好不要選擇單一的載荷控制模式。
三、 結(jié)果處理軟件的影響
目前生產(chǎn)的試驗(yàn)機(jī)絕大部分都配備了不同類型的計(jì)算機(jī)(如PC機(jī)，單片機(jī)等))，以完成標(biāo)準(zhǔn)或用戶定義的各類數(shù)據(jù)測(cè)試。與過去廣泛采用的圖解法相比有了非常大的進(jìn)步。然而由于標(biāo)準(zhǔn)的滯后，原有的部分定義，就顯得不夠明確。如屈服點(diǎn)的定義，只有定性的解釋，而沒有定量的說明，很不適應(yīng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理的需求。這就造成了：
1、判斷條件的各自設(shè)定
就屈服點(diǎn)而言(以金屬拉伸GB/T 228-2002為例)標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的：
“屈服強(qiáng)度：當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)，應(yīng)區(qū)分上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度。
上屈服強(qiáng)度：試樣發(fā)生屈服而力**下降前的*高應(yīng)力。
下屈服強(qiáng)度：在屈服期間，不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的*低應(yīng)力。"
這個(gè)定義在過去使用圖解法時(shí)一般沒有什么疑問，但在今天使用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)時(shí)就產(chǎn)生了問題。
＊屈服強(qiáng)度的疑問：如何理解“塑性變形發(fā)生而力不增加(保持恒定)"？由于各種干擾源的存在，即使材料在屈服階段真的力值保持**恒定(這是不可能的)，計(jì)算機(jī)所采集的數(shù)據(jù)也不會(huì)**保持恒定，這就需要給出一個(gè)允許的數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍，由于國標(biāo)未作定義，所以各個(gè)試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)廠家只好自行定義。由于條件的不統(tǒng)一，所求結(jié)果自然也就有所差異。
＊上下屈服強(qiáng)度的疑問：若材料出現(xiàn)上下屈服點(diǎn)，則必然出現(xiàn)力值的上下波動(dòng)，但這個(gè)波動(dòng)的幅度是多少呢？國標(biāo)未作解釋，若取的太小，可能將干擾誤求為上下屈服點(diǎn)，若取得太大，則可能將部分上下屈服點(diǎn)丟失。目前為了解決這一難題，各廠家都想了許多的辦法，如按材料進(jìn)行分類定義“誤差帶"及“波動(dòng)幅度"，這可以解決大部分的使用問題。但對(duì)不常見的材料及新材料的研究依然不能解決問題。為此部分廠家將“誤差帶"及“波動(dòng)幅度"設(shè)計(jì)為用戶自定義參數(shù)，這從理論上解決了問題，但對(duì)使用者卻提出了極高的要求。
2、對(duì)下屈服點(diǎn)定義中“不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)"的誤解什么叫“初始瞬時(shí)效應(yīng)"？它是如何產(chǎn)生，是否所有的試驗(yàn)都存在？這些問題國標(biāo)都未作解釋。所以在求取下屈服強(qiáng)度時(shí)絕大多數(shù)的情況都是丟掉了**個(gè)“下峰點(diǎn)"的。筆者經(jīng)過多方查閱資料，了解到“初始瞬時(shí)效應(yīng)"是早期生產(chǎn)的通過擺錘測(cè)力的試驗(yàn)機(jī)所特有的一種現(xiàn)象，其原因是“慣性"作用的影響。既然不是所有的試驗(yàn)機(jī)都存在初始瞬時(shí)的效應(yīng)，所以在求取結(jié)果時(shí)就不能一律丟掉**個(gè)下峰點(diǎn)。但事實(shí)上，大部分的廠家的試驗(yàn)機(jī)處理程序都是丟掉了**個(gè)下峰點(diǎn)的。
四、 試驗(yàn)人員的影響
在試驗(yàn)設(shè)備已確定的情況下，試驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)劣就完全取決于試驗(yàn)人員的綜合素質(zhì)。目前我國材料試驗(yàn)機(jī)的操作人員綜合素質(zhì)普遍不高，專業(yè)知識(shí)與理論水平普遍較為欠缺，再加上新概念、新名詞的不斷出現(xiàn)，使他們很難適應(yīng)材料試驗(yàn)的需求。在材料屈服強(qiáng)度的求取上常出現(xiàn)如下的問題：
1、將非比例應(yīng)力與屈服混為一談
雖然非比例應(yīng)力與屈服都是反應(yīng)材料彈性階段與塑性階段的過渡狀態(tài)的指標(biāo)，但兩者有著本質(zhì)的不同。屈服是材料固有的性能，而非比例應(yīng)力是通過人為規(guī)定的條件計(jì)算的結(jié)果，當(dāng)材料存在屈服點(diǎn)時(shí)是無需求取非比例應(yīng)力的，只有材料沒有明顯的屈服點(diǎn)時(shí)才求取非比例應(yīng)力。部分試驗(yàn)人員對(duì)此理解不深，以為屈服點(diǎn)、上屈服、下屈服、非比例應(yīng)力對(duì)每一個(gè)試驗(yàn)都存在，而且需全部求取。
2、將具有不連續(xù)屈服的趨勢(shì)當(dāng)作具有屈服點(diǎn)
國標(biāo)對(duì)屈服的定義指出，當(dāng)變形繼續(xù)發(fā)生，而力保持不變或有波動(dòng)時(shí)叫做屈服。但在某些材料中會(huì)發(fā)生這樣一種現(xiàn)象，雖然變形繼續(xù)發(fā)生，力值也繼續(xù)增大，但力值的增大幅度卻發(fā)生了由大到小再到大的過程。從曲線上看，有點(diǎn)象產(chǎn)生屈服的趨勢(shì)，并不符合屈服時(shí)力值恒定的定義。正如在第三類影響中提到的，由于對(duì)“力值恒定"的條件沒有定量指標(biāo)規(guī)定，這時(shí)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生這一現(xiàn)象是否是屈服，屈服值如何求取等問題的爭(zhēng)論。
3、將金屬材料的屈服點(diǎn)與塑料類的屈服點(diǎn)混淆
由于金屬材料與塑料的性能相差很大，其屈服的定義也有所不同。如金屬材料定義有屈服、上屈服、下屈服的概念。而塑料只定義有屈服的概念。另外，金屬材料的屈服強(qiáng)度一定小于極限強(qiáng)度，而塑料的屈服可能小于極限強(qiáng)度，也可能等于極限強(qiáng)度(兩者在曲線上為同一點(diǎn))。由于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的不熟悉，往往在試驗(yàn)結(jié)果的輸出方面產(chǎn)生一些不應(yīng)有的錯(cuò)誤，如將塑料的屈服概念(上屈服)作為金屬材料的屈服概念(一般為下屈服)輸出，或?qū)o屈服的金屬材料的*大強(qiáng)度按塑料的屈服強(qiáng)度定義類推作為金屬材料屈服值輸出，產(chǎn)生金屬材料屈服值與*大值一致的笑話。
綜上所述，屈服值在材料力學(xué)性能試驗(yàn)中有著非常重要的作用，但同時(shí)在求取時(shí)又面臨著許多問題，因此無論是國標(biāo)的制定部門，還是試驗(yàn)機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)廠商、試驗(yàn)機(jī)的使用部門，都應(yīng)從各自的角度出發(fā)，努力解決所存在的問題，才能實(shí)現(xiàn)屈服點(diǎn)的準(zhǔn)確、快速、方便的求取，為材料的**使用創(chuàng)造良好的條件。
