多功能電子拉力試驗機(jī)的工作原理

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本文通過對材料屈服點含義的分析，說明正確求取材料屈服點的重要性。分析了屈服點求取時產(chǎn)生誤差的原因及解決的辦法以及應(yīng)注意的事項。對試驗機(jī)的選型、設(shè)計、使用具有一定的參考價值。
    
   任何的材料在受到外力作用時都會產(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，它們在使用中會受到各種各樣的外力作用，自然就會產(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)品的形狀將會發(fā)生長久變化，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下降，重則造成零部件報廢，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階段，只要找出這對已知材料的力學(xué)性能進(jìn)行試驗與理論分析，人們總結(jié)出了采用屈服點、非比例應(yīng)力兩個階段的轉(zhuǎn)折點，工程設(shè)計人員就可確保產(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)折點的指標(biāo)來反應(yīng)材料的過渡過程的性能，其中屈服點與非比例應(yīng)力是*常用的指標(biāo)。雖然屈服點與非比例應(yīng)力同是反應(yīng)材料彈性階段與塑性階段“轉(zhuǎn)折點"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，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。因此筆者將分別對這兩個指標(biāo)進(jìn)行分析。本文首先分析屈服點的情況：
   從上面的描述，可以看出準(zhǔn)確求取屈服點在材料力學(xué)性能試驗中是非常重要的，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：
    ＊ 夾具的影響；
    ＊ 試驗機(jī)測控環(huán)節(jié)的影響；
    ＊ 結(jié)果處理軟件的影響；
    ＊ 試驗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，*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，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機(jī)所作試驗屈服值正常，而現(xiàn)在所作試驗屈服值明顯偏低，且在某些較硬或者較脆的材料試驗時現(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、 試驗機(jī)測控環(huán)節(jié)的影響
   試驗機(jī)測控環(huán)節(jié)是整個試驗機(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。針對材料屈服點的求取*主要的有下列幾點：
    1、傳感器放大器頻帶太窄
   由于目前試驗機(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。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，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**擾信號淹沒。為了從干擾信號中提取出有用信號，針對材料試驗機(jī)的特點，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)姆秶?，就能使試驗機(jī)的測量控制性能得到極大的提高。然而在現(xiàn)實中，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濾除，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。就萬能材料試驗機(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，以至于造成了實際的頻帶寬度小于設(shè)置頻寬。以眾多的試驗機(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，它的模擬輸入處理電路達(dá)到*大的頻帶寬度10HZ。當(dāng)以試驗機(jī)*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際帶寬只有0.25HZ，這會把很多的有用信號給丟失，如屈服點的力值波動等。用這樣的電路當(dāng)然不能得到正確試驗結(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)換器來實現(xiàn)的。A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，但在試驗機(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)換速率可動態(tài)調(diào)整，既可實現(xiàn)高速低精度的轉(zhuǎn)換，又可實現(xiàn)低速高精度的轉(zhuǎn)換。在試驗機(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，以實現(xiàn)較高的測量精度。但在某些廠家生產(chǎn)的試驗機(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。因為當(dāng)采樣速度很低時，對高速變化的信號就無法實時準(zhǔn)確采集。例如金屬材料性能試驗中，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，導(dǎo)致試驗失敗，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專用測試儀器及專業(yè)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：校驗試驗機(jī)力值精度的高精度標(biāo)定儀)，否則在試驗機(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)試驗機(jī)及某次試驗中是很難完成的。因為它要求在剛出現(xiàn)屈服現(xiàn)象時改變控制模式，而試驗的目的本身就是為了要求取屈服點，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)實中，一般都是用同一種控制模式來完成整個的試驗的(即使使用不同的控制模式也很難在上屈服點切換，一般會選擇超前一點)。對于使用恒位移控制(速度控制)的試驗機(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機(jī)，如果試驗機(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。所以在選擇試驗機(jī)及控制方法時*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)的試驗機(jī)絕大部分都配備了不同類型的計算機(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。如屈服點的定義，只有定性的解釋，而沒有定量的說明，很不適應(yīng)計算機(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，在試驗期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點，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，不計初始瞬時效應(yīng)時的*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，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，若取得太大，則可能將部分上下屈服點丟失。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極高的要求。
    2、對下屈服點定義中“不計初始瞬時效應(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"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。但事實上，大部分的廠家的試驗機(jī)處理程序都是丟掉了**個下峰點的。
    四、 試驗人員的影響
   在試驗設(shè)備已確定的情況下，試驗結(jié)果的優(yōu)劣就完全取決于試驗人員的綜合素質(zhì)。目前我國材料試驗機(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)定的條件計算的結(jié)果，當(dāng)材料存在屈服點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時才求取非比例應(yīng)力。部分試驗人員對此理解不深，以為屈服點、上屈服、下屈服、非比例應(yīng)力對每一個試驗都存在，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
   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與塑料類的屈服點混淆
   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)。由于對標(biāo)準(zhǔn)的不熟悉，往往在試驗結(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*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)性能試驗中有著非常重要的作用，但同時在求取時又面臨著許多問題，因此無論是國標(biāo)的制定部門，還是試驗機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)廠商、試驗機(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，才能實現(xiàn)屈服點的準(zhǔn)確、快速、方便的求取，為材料的**使用創(chuàng)造良好的條件。