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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。因此筆者將分別對這兩個指標(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:
1.夾具的影響;
2.試驗(yàn)機(jī)測控環(huán)節(jié)的影響;
3.結(jié)果處理軟件的影響;
4.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 在使用一段時間后,各相對運(yùn)動部件間會產(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,試樣就會打滑,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)時現(xiàn)象尤為明顯,則一般應(yīng)首先考慮是這一原因。這時需及時進(jìn)行設(shè)備的大修,消除間隙,更換夾塊。
二、試驗(yàn)機(jī)測控環(huán)節(jié)的影響
試驗(yàn)機(jī)測控環(huán)節(jié)是整個試驗(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)自動測控。由于自動測控知識的深奧,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,就會對結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,并且難以分析其原因。針對材料屈服點(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輸出類型,在使用中必須進(jìn)行信號放大。*, 在我們的環(huán)境中,存在著各種各樣的電磁干擾信號,這種干擾信號會通過許多不同的渠道偶合到測量信號中一起被放大,結(jié)果使得有用信號被干擾信號淹沒。為了從 干擾信號中提取出有用信號,針對材料試驗(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適當(dāng)?shù)姆?圍,就能使試驗(yàn)機(jī)的測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的同時,往往把有用信號也一起濾掉了。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,對稱量的過渡過程是不關(guān)心的,而材料試驗(yàn)機(jī)測量的是動態(tài)信號,它的頻譜是非常寬的,若頻帶太 窄,較高頻率的信號就會被衰減或?yàn)V除,從而引起失真。對于屈服表現(xiàn)為力值多次上下波動的情況,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,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,其模擬輸入處理電路的實(shí)際帶寬 只有0.25HZ,這會把很多的有用信號給丟失,如屈服點(diǎn)的力值波動等。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zui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,對高速變化的信號就無法實(shí)時準(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時 信號變化就是如此,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HY-1080人員來完成。但通過下面介紹的簡單方法,可做出一個定性的認(rèn)識。當(dāng)一個系統(tǒng)的采樣分辨率達(dá)到幾萬分之一以上,而 顯示數(shù)據(jù)依然沒有波動或顯示數(shù)據(jù)具有明顯的滯后感覺時,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)
針對材料 發(fā)生屈服時應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系(發(fā)生屈服時,應(yīng)力不變或產(chǎn)生上下波動,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 般會選擇超前一點(diǎn))。對于使用恒位移控制(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階段的控制特性要求。但對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(這是自動控制努力想要達(dá)到的目的),則屈服發(fā)生的過 程時間就會非常短,如果數(shù)據(jù)采集的速度不夠高,則就會丟失屈服值(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,HY-20080解釋,而沒有定量的說明,很不適應(yīng)計(jì)算機(jī)自動處理的需求。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/T228-2002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,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)初始瞬時效應(yīng)時的zui低應(yīng)力。”
這個定義在過去使用圖解法時一般沒有什么疑問,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)也不會保持恒定,這就需要給出一個允許的數(shù)據(jù)波動范圍,由于國標(biāo)未作定義,所以各個試驗(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,但這個波動的幅度 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“波動幅度”,這可以解決大部分的使用問題。但對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,但對使用者卻提出了*的要求。
2、對下屈服點(diǎn)定義中 “不計(jì)初始瞬時效應(yīng)”的誤解什么叫“初始瞬時效應(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)度時絕大多數(shù)的情 況都是丟掉了*個“下峰點(diǎn)”的。筆者經(jīng)過多方查閱資料,了解到“初始瞬時效應(yīng)”是早期生產(chǎn)的通過擺錘測力的試驗(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)都存在初始瞬時的效應(yīng),所以在求取結(jié)果時就不能一律丟掉*個下峰點(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)時才求取非比例應(yīng)力。部分試驗(yàn)人員對此理解不深,以為屈服點(diǎn)、上屈 服、下屈服、非比例應(yīng)力對每一個試驗(yàn)都存在,而且需全部求取。
2、將具有不連續(xù)屈服的趨勢當(dāng)作具有屈服點(diǎn)
國標(biāo)對屈服的定義指出,當(dāng)變形繼續(xù)發(fā)生,而力保持不變或有波動時叫做屈服。但在某些材料中會發(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,并不符合屈服時力值恒定的定義。正如在第三類影響中提到的,由于對“力值 恒定”的條件沒有定量指標(biāo)規(guī)定,這時經(jīng)常會產(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zui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zui大值一致的笑話。
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