本文通過(guò)對(duì)材料屈服點(diǎn)含義的分析,說(shuō)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(lái)說(shuō)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*消失,外型尺寸將不能*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*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(lèi)繁多,性能差異很大,彈性階段與塑性階段的過(guò)渡情況很復(fù)雜,通過(guò)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(lái)反應(yīng)材料的過(guò)渡過(guò)程的性能,其中屈服點(diǎn)與非比例應(yīng)力是zui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(guò)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*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(lái)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(lèi)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,zui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zui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zui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(lèi)傳感器都為模擬小信號(hào)輸出類(lèi)型,在使用中必須進(jìn)行信號(hào)放大。*,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(guò)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)被干擾信號(hào)淹沒(méi)。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(jiàn)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(guò)。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(guò)渡過(guò)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。就材料試驗(yàn)機(jī)而言,筆者認(rèn)為這一頻帶zui小也應(yīng)大于10HZ,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“zui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zui大的頻帶寬度10HZ。當(dāng)以試驗(yàn)機(jī)zui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(guò)A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。A/D轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)很多,但在試驗(yàn)機(jī)上采用zui多的是∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器。這類(lèi)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*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(wú)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(lái)說(shuō)這需要許多的測(cè)試儀器及專業(yè)人員來(lái)完成。但通過(guò)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(wàn)分之一以上,而顯示數(shù)據(jù)依然沒(méi)有波動(dòng)或顯示數(shù)據(jù)具有明顯的滯后感覺(jué)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(guó)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(lái)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(guò)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(shuō)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)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(lèi)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(lèi)數(shù)據(jù)測(cè)試。與過(guò)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(méi)有定量的說(shuō)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zui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zui低應(yīng)力。”
這個(gè)定義在過(guò)去使用圖解法時(shí)一般沒(méi)有什么疑問(wèn),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(wèn)題。
*屈服強(qiáng)度的疑問(wèn):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(guó)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(wèn):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(guó)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(lèi)定義“誤差帶”及“波動(dòng)幅度”,這可以解決大部分的使用問(wèn)題。但對(duì)不常見(jiàn)的材料及新材料的研究依然不能解決問(wèn)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(wèn)題,但對(duì)使用者卻提出了*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(wèn)題國(guó)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(guò)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(guò)擺錘測(cè)力的試驗(yàn)機(jī)所*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*取決于試驗(yàn)人員的綜合素質(zhì)。目前我國(guó)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(wèn)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(guò)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(guò)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(wú)需求取非比例應(yīng)力的,只有材料沒(méi)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(guó)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(guò)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(lèi)影響中提到的,由于對(duì)“力值恒定”的條件沒(méi)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(wèn)題的爭(zhēng)論。
3、將金屬材料的屈服點(diǎn)與塑料類(lèi)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(wú)屈服的金屬材料的zui大強(qiáng)度按塑料的屈服強(qiáng)度定義類(lèi)推作為金屬材料屈服值輸出,產(chǎn)生金屬材料屈服值與zui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(wèn)題,因此無(wú)論是國(guó)標(biāo)的制定部門(mén),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(mén),都應(yīng)從各自的角度出發(fā),努力解決所存在的問(wèn)題,才能實(shí)現(xiàn)屈服點(diǎn)的準(zhǔn)確、快速、方便的求取,為材料的安全使用創(chuàng)造良好的條件。