材料試驗機工作原理

材料試驗機工作原理

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材料試驗機是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生誤差的原因及解決的辦法以及應注意的事項。對試驗機的選型、設計、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發生變形。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系，這時若外力消失，材料的變形也將消失，恢復原狀，這一階段通常稱為彈性階段，物理學中的虎克定律，就是描述這一特性的基本定律。但當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系，這時當外力消失后，材料的變形將不能*消失，外型尺寸將不能*恢復到原狀，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同性能的材料構成，它們在使用中會受到各種各樣的外力作用，自然就會產生各種各樣的變形，，但這種變形必須被限制在彈性范圍之內，否則產品的形狀將會發生*變化，影響繼續使用，設備的形狀也將發生變化，輕則造成加工零部件精度等級下降，重則造成零部件報廢，產生重大的質量事故。那么如何確保變形是在彈性范圍內呢？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性能進行試驗與理論分析，人們總結出了采用屈服點、非比例應力兩個階段的轉折點，工程設計人員就可確保產品與設備的可靠運行。

   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雜，通過和殘余應力等指標作為材料彈性階段與塑性階段的轉折點的指標來反應材料的過渡過程的性能，其中屈服點與非比例應力是zui常用的指標。雖然屈服點與非比例應力同是反應材料彈性階段與塑性階段“轉折點”的指標，但它們反應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，所需設備也不*相同。因此筆者將分別對這兩個指標進行分析。本文首先分析屈服點的情況：

   從上面的描述，可以看出準確求取屈服點在材料力學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度值（極限強度是所有材料力學性能必需求取的指標之一），然而非常準確的求取它，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；
    ＊ 試驗機測控環節的影響；
    ＊ 結果處理軟件的影響；
    ＊ 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。下面逐一進行分析

一、夾具的影響
   這類影響在試驗中發生的機率較高，主要表現為試樣夾持部分打滑或試驗機某些力值傳遞環節間存在較大的間隙等因素，它在舊機器上出現的概率較大。由于機器在使用一段時間后，各相對運動部件間會產生磨損現象，使得摩擦系數明顯降低，zui直觀的表現為夾塊的鱗狀尖峰被磨平，摩擦力大幅度的減小。當試樣受力逐漸增大達到zui大靜摩擦力時，試樣就會打滑，從而產生虛假屈服現象。如果以前使用該試驗機所作試驗屈服值正常，而現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象尤為明顯，則一般應首先考慮是這一原因。這時需及時進行設備的大修，消除間隙，更換夾塊。

二、試驗機測控環節的影響

試驗機測控環節是整個試驗機的核心，隨著技術的發展，目前這一環節基本上采用了各種電子電路實現自動測控。由于自動測控知識的深奧，結構的復雜，原理的不透明，一旦在產品的設計中考慮不周，就會對結果產生嚴重的影響，并且難以分析其原因。針對材料屈服點的求取zui主要的有下列幾點：
1、傳感器放大器頻帶太窄
   由于目前試驗機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，在使用中必須進行信號放大。*，在我們的環境中，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，針對材料試驗機的特點，一般在放大器中設置有低通濾波器。合理的設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的范圍，就能使試驗機的測量控制性能得到極大的提高。然而在現實中，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，將濾波器的截止頻率設置的非常低。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，數據很穩定，其原因之一就是它的頻帶很窄，干擾信號基本不能通過。這樣設計的原因是電子秤稱量的是穩態信號，對稱量的過渡過程是不關心的，而材料試驗機測量的是動態信號，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。就材料試驗機而言，筆者認為這一頻帶zui小也應大于10HZ，達到30HZ。在實際中，有時放大器的頻帶雖然達到了這一范圍，但人們往往忽略了A/D轉換器的頻帶寬度，以至于造成了實際的頻帶寬度小于設置頻寬。以眾多的試驗機數據采集系統選用的AD7705、AD7703、AD7701等為例。當A/D轉換器以“zui高輸出數據速率4KHZ”運行時，它的模擬輸入處理電路達到zui大的頻帶寬度10HZ。當以試驗機zui常用的100HZ的輸出數據速率工作時，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。用這樣的電路當然不能得到正確試驗結果。
2、數據采集速率太低
   目前模擬信號的數據采集是通過A/D轉換器來實現的。A/D轉換器的種類很多，但在試驗機上采用zui多的是∑－△型A/D轉換器。這類轉換器使用靈活，轉換速率可動態調整，既可實現高速低精度的轉換，又可實現低速高精度的轉換。在試驗機上由于對數據的采集速率要求不是太高，一般達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換速率，以實現較高的測量精度。但在某些廠家生產的試驗機上，為了追求較高的采樣分辨率，以及*的數據顯示穩定性，而將采樣速度降的很低，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實時準確采集。例如金屬材料性能試驗中，當材料發生屈服而力值上下波動時信號變化就是如此，以至于不能準確求出上下屈服點，導致試驗失敗，結果丟了西瓜撿芝麻。
那么如何判斷一個系統的頻帶寬窄以及采樣速率的高低呢？
   嚴格來說這需要許多的測試儀器及專業人員來完成。但通過下面介紹的簡單方法，可做出一個定性的認識。當一個系統的采樣分辨率達到幾萬分之一以上，而顯示數據依然沒有波動或顯示數據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：校驗試驗機力值精度的高精度標定儀），否則在試驗機上是不可使用的。
3、控制方法使用不當
   針對材料發生屈服時應力與應變的關系（發生屈服時，應力不變或產生上下波動，而應變則繼續增大）國標推薦的控制模式為恒應變控制，而在屈服發生前的彈性階段控制模式為恒應力控制，這在絕大多數試驗機及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果作為條件進行控制切換呢？所以在現實中，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，由于材料在彈性階段的應力速率與應變速率成正比關系，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，如果試驗機的響應特別快（這是自動控制努力想要達到的目的），則屈服發生的過程時間就會非常短，如果數據采集的速度不夠高，則就會丟失屈服值（原因第2點已說明），優異的控制性能反而變成了產生誤差的原因。所以在選擇試驗機及控制方法時不要選擇單一的載荷控制模式。

三、結果處理軟件的影響
   目前生產的試驗機絕大部分都配備了不同類型的計算機（如PC機，單片機等）），以完成標準或用戶定義的各類數據測試。與過去廣泛采用的圖解法相比有了非常大的進步。然而由于標準的滯后，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，很不適應計算機自動處理的需求。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，在試驗期間達到塑性變形發生而力不增加的應力點，應區分上屈服強度和下屈服強度。
    上屈服強度：試樣發生屈服而力下降前的zui高應力。
    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么疑問，但在今天使用計算機處理數據時就產生了問題。
   ＊屈服強度的疑問：如何理解“塑性變形發生而力不增加（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），計算機所采集的數據也不會保持恒定，這就需要給出一個允許的數據波動范圍，由于國標未作定義，所以各個試驗機生產廠家只好自行定義。由于條件的不統一，所求結果自然也就有所差異。
   ＊上下屈服強度的疑問：若材料出現上下屈服點，則必然出現力值的上下波動，但這個波動的幅度是多少呢？國標未作解釋，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”設計為用戶自定義參數，這從理論上解決了問題，但對使用者卻提出了*的要求。
    2、對下屈服點定義中“不計初始瞬時效應”的誤解什么叫“初始瞬時效應”？它是如何產生，是否所有的試驗都存在？這些問題國標都未作解釋。所以在求取下屈服強度時絕大多數的情況都是丟掉了*個“下峰點”的。筆者經過多方查閱資料，了解到“初始瞬時效應”是早期生產的通過擺錘測力的試驗機所*的一種現象，其原因是“慣性”作用的影響。既然不是所有的試驗機都存在初始瞬時的效應，所以在求取結果時就不能一律丟掉*個下峰點。但事實上，大部分的廠家的試驗機處理程序都是丟掉了*個下峰點的。

四、試驗人員的影響

在試驗設備已確定的情況下，試驗結果的優劣就*取決于試驗人員的綜合素質。目前我國材料試驗機的操作人員綜合素質普遍不高，專業知識與理論水平普遍較為欠缺，再加上新概念、新名詞的不斷出現，使他們很難適應材料試驗的需求。在材料屈服強度的求取上常出現如下的問題：
1、將非比例應力與屈服混為一談

雖然非比例應力與屈服都是反應材料彈性階段與塑性階段的過渡狀態的指標，但兩者有著本質的不同。屈服是材料固有的性能，而非比例應力是通過人為規定的條件計算的結果，當材料存在屈服點時是無需求取非比例應力的，只有材料沒有明顯的屈服點時才求取非比例應力。部分試驗人員對此理解不深，以為屈服點、上屈服、下屈服、非比例應力對每一個試驗都存在，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，當變形繼續發生，而力保持不變或有波動時叫做屈服。但在某些材料中會發生這樣一種現象，雖然變形繼續發生，力值也繼續增大，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規定，這時經常會產生這一現象是否是屈服，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，金屬材料的屈服強度一定小于極限強度，而塑料的屈服可能小于極限強度，也可能等于極限強度（兩者在曲線上為同一點）。由于對標準的不熟悉，往往在試驗結果的輸出方面產生一些不應有的錯誤，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，或將無屈服的金屬材料的zui大強度按塑料的屈服強度定義類推作為金屬材料屈服值輸出，產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，因此無論是國標的制定部門，還是試驗機的研發生產廠商、試驗機的使用部門，都應從各自的角度出發，努力解決所存在的問題，才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。