紙板拉力測試機如何準確求取屈服點？

紙板拉力測試機如何準確求取屈服點？

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任何的材料在受到外力（lì）作用時都會產生變（biàn）形。在受力的初始階段，一般來說這種變形與受到（dào）的外力基本成線性的比例關（guān）係，這時若（ruò）外力消失，材料的變（biàn）形也將消失，恢複原狀，這一階段通（tōng）常稱為彈性階段，物理學中（zhōng）的虎克定律（lǜ），就是描述（shù）這一特性的基本（běn）定律。但當外力增大到一定（dìng）程度後，變形與受到的外力將不再成線性比例關係，這時當外力消失後，材（cái）料的變形（xíng）將不能*消失（shī），外（wài）型尺寸將不能*恢複到（dào）原狀，這一階段稱為塑性變形階段。

       一切的產品與設備都是由各種不（bú）同（tóng）性能的材料構成，它們在使用中會受到各種各（gè）樣的外力作用，自然就（jiù）會產生各種各樣（yàng）的變（biàn）形，，但這（zhè）種變形必須被限（xiàn）製在彈性範圍之內，否則產品的（de）形狀將會發生*變化，影響繼續使用，設備的形（xíng）狀（zhuàng）也將發生變（biàn）化，輕則造成加工零部（bù）件精度等級下降，重則造成零部件報廢，產生重大的（de）質量事故。那麽如何確保變形是在彈性範（fàn）圍內呢？從上麵的分析已知材料的變形分為彈性變形與塑性變形兩（liǎng）個階段，隻要找（zhǎo）出這對已（yǐ）知材（cái）料的力學性能進行試驗與理論分析，人們總結出（chū）了采用屈服點、非比例應力兩個階段的轉折（shé）點，工程設計人（rén）員就可確保產品與設備的（de）可靠運行。

       由於材（cái）料種（zhǒng）類繁多，性能差（chà）異很大，彈性階段與塑性階段的過渡情（qíng）況很（hěn）複雜，通過和殘餘應力等（děng）指標作為材料彈性階段（duàn）與塑性階段的轉折點的指標來（lái）反應材料（liào）的過渡過程的性能，其中屈服點（diǎn）與非比例應力是zui常（cháng）用的指標。雖（suī）然屈服點（diǎn）與非比例應力同是反應材料彈性（xìng）階（jiē）段與塑性階段“轉折點”的指標，但它們反應了不（bú）同過渡階段特性（xìng）的材料的特點，因（yīn）此（cǐ）它們的定義不同（tóng），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）進行分析。本文首先分析屈服點的情況：

       從上麵的描述，可以看出準確求（qiú）取屈服點在（zài）材料力學性能試驗中是非常重（chóng）要的，在許多（duō）的時候，它（tā）的（de）重要性甚至大於材料（liào）的極限強度值（極限強（qiáng）度是所有（yǒu）材（cái）料力學性能（néng）必需求取的指標之一（yī）），然而非常準確的求取它，在（zài）許多的時候又是一件不太容（róng）易的事。它受到（dào）許多（duō）因（yīn）素的製約，歸納起來有（yǒu）：
    ＊ 夾具的影響；
    ＊ 試驗機測控環節的影響；
    ＊ 結果處理軟件的影響（xiǎng）；
    ＊ 試驗人員理論（lùn）水平的影響等。
    這其（qí）中的每一種影響都包含了不（bú）同的方麵。下麵逐（zhú）一進行分析

    一（yī）、 夾具的影響
   這類影響在試驗中發（fā）生的機率（lǜ）較高，主（zhǔ）要表現為試樣夾持部分打滑或試（shì）驗機某些力值傳遞環節間存在較大的間隙（xì）等因素，它在舊機器上出現的概（gài）率較大。由於機器（qì）在使用一段時間後，各相對運動部件間（jiān）會產生磨損現象（xiàng），使得摩（mó）擦係數明顯降低，zui直觀的（de）表現為夾塊的鱗狀尖峰被（bèi）磨（mó）平（píng），摩擦力大幅度的減小。當試樣受力逐漸（jiàn）增大達（dá）到zui大靜摩擦力時，試樣就會（huì）打滑（huá），從而產生虛假屈服（fú）現象。如果以前使用該試驗機所（suǒ）作（zuò）試驗屈服值正常，而現在所（suǒ）作試驗屈服（fú）值明（míng）顯偏低，且在某些較硬或者較脆的材料試驗時現象尤為明顯，則一般應首（shǒu）先（xiān）考慮是（shì）這一原因。這時需及（jí）時進行設備的大修，消除間隙，更換夾塊。
    二、 試驗機測控環節的影響（xiǎng）
   試驗機測控環節是整個試驗機的核心，隨著技術的發展，目前（qián）這一環節基本上（shàng）采用了各種（zhǒng）電子電路實（shí）現自動測控。由（yóu）於自動測控知識的深奧，結構的複雜，原理的不透明，一旦在產品的設計中考（kǎo）慮不周，就會對結果產生嚴重的影響，並且難以分析其原因。針對材料屈服點的求取zui主要的有下列幾點：
    1、傳感器放（fàng）大器頻帶太窄
   由於目前試驗機上所采用的力值檢（jiǎn）測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輸出類型（xíng），在使用中必（bì）須進行信號放大。*，在我們的環境中，存在著各種各樣的電磁（cí）幹擾信號，這種（zhǒng）幹擾（rǎo）信號（hào）會通過許多不同的（de）渠道偶合到測量信（xìn）號中一起被放大，結果使得有用信號被幹擾信號（hào）淹沒。為（wéi）了從幹擾信號中（zhōng）提取出有用信號，針對材料（liào）試驗機的特點，一般在放（fàng）大（dà）器中設置有低通濾波器。合理的設置低（dī）通濾波器的截止頻率，將放大器的頻帶限製在一個適當的範圍，就能使試驗機的測量控製性（xìng）能得（dé）到極大的提高。然而在現實（shí）中，人們往往將數據的穩定顯示看的非常重要，而忽略了數據的真實性，將濾波（bō）器的截止頻率設置的非常低。這樣在充分濾掉幹擾信號（hào）的同時，往往把有用信號也一起濾掉了。在日常生活中（zhōng），我們（men）常見（jiàn）的電子秤，數據很穩定，其原因之一就是它的頻帶很窄（zhǎi），幹擾信號基本不能（néng）通（tōng）過（guò）。這樣設計的原（yuán）因是電子秤稱量的是穩態（tài）信號，對稱量的過渡過程是不關心的，而（ér）材料試驗機（jī）測量的（de）是動態信號，它的頻譜是非常寬（kuān）的，若頻（pín）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（duì）於屈服（fú）表現為力值多（duō）次上下波動的情況，這種（zhǒng）失真是不允許的。就材料試（shì）驗機而言，筆者認為這一頻帶zui小也（yě）應大於10HZ，達到30HZ。在實際中，有時放大器的頻帶雖然達到了這一範圍，但人們往往忽略了A/D轉換器的頻帶寬度，以至於（yú）造成了實際的頻帶寬度小於設置頻寬。以眾多的試驗機數據采集係統選用（yòng）的AD7705、AD7703、AD7701等為例。當A/D轉換器以“zui高輸出數據速（sù）率4KHZ”運（yùn）行時，它的模擬輸入處理電路達到zui大的頻帶寬度10HZ。當以試（shì）驗機zui常用的100HZ的輸出數據速率工作時，其模擬輸入處（chù）理電路的實際帶寬隻有0.25HZ，這會把很多的有用信號給丟失，如屈服點的力（lì）值波動等。用（yòng）這樣的電路當然不能得（dé）到正確試驗結果。
    2、數（shù）據采集速率太低
   目前模擬信號的數據采集是通過A/D轉（zhuǎn）換器來（lái）實現的。A/D轉換器（qì）的種類（lèi）很多，但在試驗機（jī）上采用zui多的是∑－△型A/D轉換器。這（zhè）類轉換器使用靈活，轉換速率可（kě）動態調整（zhěng），既（jì）可（kě）實現高速（sù）低（dī）精度的轉換，又可實現低速高精度的轉換。在試驗機上由於對數據的采（cǎi）集（jí）速率要求不是太高，一般（bān）達每秒幾十次到幾（jǐ）百（bǎi）次就可滿足需求，因（yīn）而一（yī）般多采用（yòng）較低的轉換速率（lǜ），以實現（xiàn）較高的（de）測量精度。但（dàn）在某些廠家生產的試驗機上（shàng），為了追求較（jiào）高的采樣（yàng）分辨（biàn）率，以及*的數據顯示穩定性，而將采樣速（sù）度降的很低，這是不可取的。因為當采樣速度很低時，對高速變化的信號就無法（fǎ）實時準確采集。例如金（jīn）屬材料性（xìng）能試（shì）驗中，當材料發生屈服而力值上下波動時信號變（biàn）化就是如此，以至於不能準確求出上下屈服點，導致試驗失敗，結果丟了西瓜撿（jiǎn）芝麻。
那麽如何判斷一個係統的頻帶寬窄（zhǎi）以及采樣速率的高低呢（ne）？
   嚴格來（lái）說這需要許多的測試儀器及專業人員來完（wán）成。但通過下麵介紹的簡單方法，可做出一個定性的認識。當一（yī）個係統（tǒng）的（de）采（cǎi）樣（yàng）分辨率達到幾萬分（fèn）之（zhī）一以上，而（ér）顯示數據依然沒有波（bō）動或顯示數據（jù）具有明（míng）顯的滯後感覺時，基本可以確定它的通頻帶很窄或采樣速（sù）率很低。除（chú）非特殊（shū）場合（如：校驗試驗機（jī）力值精度（dù）的高精度標定儀），否則在試（shì）驗機上是不可使用的。 
  3、控製方法使用不當
   針（zhēn）對材料發生屈服時應（yīng）力與應變的關係（發生屈服時，應力不變或產生上下波動，而應變則繼續增大）國標推薦的控（kòng）製模式為（wéi）恒應變控製，而在屈服發生前的彈性階段控製模式為恒應（yīng）力控製，這在絕大多數試驗（yàn）機及（jí）某次試驗中是很難完成的。因為它要求在剛出現屈服現象時改變控製模式，而試驗的（de）目的本身就是為了要求取（qǔ）屈服（fú）點，怎（zěn）麽可能以未知的結果作為條（tiáo）件（jiàn）進行控製切換呢？所以在（zài）現實中，一般都是用同一種控（kòng）製模式來完成整個的試驗的（即使使用不同的（de）控製模式也很難在上屈服點切（qiē）換，一般（bān）會選擇超前一點）。對於使用恒位移控製（速度控（kòng）製）的試驗（yàn）機，由於材料在（zài）彈性階段的應力速率與應變速率成正比關係，隻要選擇合適（shì）的試驗速度，全程（chéng）采用速（sù）度控製就可兼容兩個（gè）階段（duàn）的控製特性要求。但對於隻有力控製一種模（mó）式（shì）的試驗機，如果試驗機的響應特別快（這是自動控製努力想要（yào）達到（dào）的目的），則屈服發生（shēng）的過程時（shí）間就會非常短（duǎn），如果數據采集的速度不夠高，則就會丟失屈服值（原因第（dì）2點已說明（míng）），優（yōu）異的控製性能反（fǎn）而變成了產生誤差的原因。所以在選擇試驗機及控製方法時不要選（xuǎn）擇（zé）單一的載荷控（kòng）製模

   三、 試（shì）驗人員的（de）影響
   在試驗設備已確定的情況下，試驗結果的優劣就*取決於試驗人（rén）員的綜合素質。目前我國（guó）材料試驗機的操作人（rén）員綜合素質普遍不高，專業知識與理論水平普遍較為欠缺，再加上新（xīn）概（gài）念、新名詞（cí）的不斷出現，使他們（men）很難適應（yīng）材料試驗的需求。在材料屈服強度的（de）求取上常出現如下的問題：
    1、將非比例應力與屈（qū）服混為一談
   雖然非比例應力與屈（qū）服都是反應材料彈性階段與塑性階段（duàn）的過渡狀態的指標，但（dàn）兩（liǎng）者有（yǒu）著本質的不（bú）同。屈服是材料固（gù）有的性能，而非比例應力是通過人為（wéi）規（guī）定的條件（jiàn）計算的結果（guǒ），當材料存在屈服點時是無需求取非比例應力的，隻有材料沒有（yǒu）明（míng）顯的屈服點時（shí）才（cái）求取非（fēi）比例應力。部分（fèn）試驗人員對（duì）此理解不深，以為屈服點、上屈服、下屈服、非（fēi）比例應力對每一個（gè）試驗都存（cún）在，而且需全部求取。
    2、將具有不連續屈服的趨勢當作具有屈服點
   國標對屈服的定義指出（chū），當變形（xíng）繼續發生，而力保持不變或（huò）有波動時叫做屈服（fú）。但在某些材料中會發生這樣一種現象，雖然變形繼續發生，力值（zhí）也繼（jì）續增大，但力值的增大幅度卻發生了由大到小再到大的過程。從曲線上看，有點象產（chǎn）生屈（qū）服的趨勢，並不符合屈服時力值恒定（dìng）的定義。正（zhèng）如在第（dì）三類影響中提到的，由於對“力（lì）值恒定”的條件沒（méi）有定量指（zhǐ）標規定，這時經常會產生這一現象是（shì）否（fǒu）是屈服，屈服（fú）值如何求（qiú）取等問題的爭論。
    3、將金屬材料的屈服點與塑料（liào）類的屈服點混淆

式。

 四、 結（jié）果處理軟件的影響
   目前生產的試驗（yàn）機絕大部分都配備了不同（tóng）類型的計算機（如PC機，單片機等）），以完成標準或用戶定義的（de）各類數據測試（shì）。與過去廣泛采用（yòng）的圖解法相比有了（le）非常大的進步。然而由於標準的滯後，原（yuán）有的部分定義，就顯得不夠明確。如屈服點的定義，隻有定性的（de）解釋，而沒有定量的說明，很不適應計算機自動處理的（de）需求。這就造成了：
    1、判斷條件的各自設定
    就屈服點而言（以金屬拉伸GB/T　228-2002為例）標準（zhǔn）是這樣定義的：
   “屈服強度：當金屬材料呈現屈服現象時，在試驗期間達（dá）到塑性變形發生而力不增加（jiā）的應力點，應區分上（shàng）屈服（fú）強度和下屈服強度。
    上屈服強（qiáng）度：試樣發生屈服而力下降前的zui高應（yīng）力。
    下屈服強度：在屈服期間，不計初始瞬時效應時的zui低應力。”
    這個定義在過去使用圖解法時一般沒有什麽疑問，但在今（jīn）天使用計算機處理（lǐ）數據時就產生了問題。
   ＊屈服（fú）強度的疑問：如何理解（jiě）“塑性變形發生而力不（bú）增加（保持恒定）”？由於各（gè）種幹擾源的存在，即使材料在屈服階（jiē）段真的力值保持恒定（這是（shì）不可（kě）能的），計算機所采集的數（shù）據也（yě）不會保持（chí）恒定，這就需要（yào）給出一個允許的數據波動（dòng）範圍，由於國標未作定義，所以各個試驗機生（shēng）產廠家隻好自行定義。由於條件的不統一，所求結果自然也就有（yǒu）所（suǒ）差異（yì）。
   ＊上（shàng）下屈服強度（dù）的疑（yí）問：若材料出（chū）現上下屈服（fú）點，則（zé）必然出現力值的上下波動，但這（zhè）個波動的幅度是多少呢？國標未（wèi）作（zuò）解釋（shì），若取的太小，可能將幹擾誤求為（wéi）上下屈服點，若取得太大，則可能（néng）將部分上（shàng）下屈服點丟失。目前為了解決這一難題，各廠家（jiā）都想了許多的辦法，如按材料進行分（fèn）類定義（yì）“誤差帶”及“波動幅度”，這可以（yǐ）解決大部分的使用問題。但對不常（cháng）見的（de）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（wù）差帶”及“波動幅度”設計為（wéi）用戶自定（dìng）義參（cān）數，這從理論上解決了問題（tí），但對使用者卻提出了*的要求。
    2、對下屈服點定義中“不計初始瞬時效應”的誤解什麽叫“初始瞬時效應”？它是如何產生（shēng），是否所有的試驗都（dōu）存（cún）在？這些問題國（guó）標都未作（zuò）解釋（shì）。所以在求取下屈服強度時絕大（dà）多數的情況都（dōu）是丟（diū）掉了*個“下峰點”的。筆者經過多方查閱資（zī）料（liào），了（le）解到（dào）“初（chū）始瞬時效應（yīng）”是早期生產的通過擺錘測力的試驗機（jī）所*的一種現象，其（qí）原（yuán）因是“慣性”作用的影響。既然不是所有的試驗機都存在初始（shǐ）瞬時的效應，所以在求取結果時就不能一律丟掉*個下峰點。但事實上，大（dà）部分的廠家的試驗機處理程序都是（shì）丟掉了*個（gè）下峰點的。

   由於金屬材料與塑料的性能相差很大，其屈服的（de）定義也有所不同。如（rú）金屬材料定義有屈服、上屈服、下屈服的概念。而塑（sù）料隻定（dìng）義有屈服的概念。另外，金屬材料的屈服強度一定小於極限強度，而塑料的屈服可能小於極限（xiàn）強度，也可能等於極限強度（兩者在曲線上為（wéi）同（tóng）一點）。由於（yú）對標準的不熟悉，往往在試驗結果的輸出方麵產生一些不應有的錯誤，如將塑料的屈服概念（上屈（qū）服）作為金屬材料的屈服概（gài）念（一般（bān）為下屈服）輸出，或將無屈服的金屬材料的（de）zui大強度按塑料的屈服強度定義類推作為金屬材料屈（qū）服值輸出（chū），產生金屬材料屈服值與zui大值一致（zhì）的笑話（huà）。
 
   綜上所述，屈服值在材料力學性能試驗中有著非（fēi）常重要的（de）作用，但同時在求（qiú）取時又麵臨著許多問題，因（yīn）此無論是國標的製定部門，還是試驗機的研發生產（chǎn）廠商、試（shì）驗機（jī）的使（shǐ）用部門，都應從各自的角度出發，努力解決所存在的問題，才（cái）能實現屈服點的準確、快速、方便的求取，為材料的安全使用創造良好的條件。