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)力是最常用的指標(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:
1.夾具的影響;
2.試驗(yàn)機(jī)測(cè)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(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,最直觀的表現(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)到最大靜摩擦力時(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)的求取最主要的有下列幾點(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)被干擾信號(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)姆秶湍苁乖囼?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)為這一頻帶最小也應(yīng)大于10HZ,最好達(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“最高輸出數(shù)據(jù)速率4KHZ”運(yùn)行時(shí),它的模擬輸入處理電路達(dá)到最大的頻帶寬度10HZ。當(dāng)以試驗(yàn)機(jī)最常用的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)上采用最多的是∑-△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HY-1080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