紙板拉力測試機如何（hé）準確求取屈服點？

紙板拉力測（cè）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作用時都會產生變形。在受力（lì）的初始階段，一般來（lái）說（shuō）這種變形與受到的外力基本成線（xiàn）性的比例關係，這時若外力消失，材料的變（biàn）形也將消失，恢複原狀，這（zhè）一（yī）階段通常（cháng）稱為彈（dàn）性階（jiē）段（duàn），物理學中的（de）虎克定（dìng）律，就（jiù）是描述這一特性的基本定律。但當外力增大到（dào）一定程度後，變形與受到的外力將不再成（chéng）線性比例關係，這時（shí）當外力消失後，材料的變形將不能*消失（shī），外型尺寸將不能*恢複到原狀，這一階段稱為塑性變形階（jiē）段。

       一切的產品與設備都是（shì）由各種不同性能的材料構成，它們在使用中會受到（dào）各種各樣的（de）外力作用，自（zì）然就會產生各種各樣的變形，，但這種變形必須被限製在彈性範圍之內，否則產品的形狀（zhuàng）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（gōng）零部件精度等級（jí）下降，重則造成零部件報廢，產生重（chóng）大的質量事故。那麽如何確保變形是在彈性範圍內呢？從上（shàng）麵的分析（xī）已知材料的變形分（fèn）為彈性變（biàn）形與塑性變形兩個階段，隻要找出（chū）這對已知材料的力學性（xìng）能進行試驗與理論分（fèn）析，人們總結出了（le）采用屈服點、非（fēi）比例應力兩個階段的轉折點，工程（chéng）設計人員就可確保產品與（yǔ）設備（bèi）的可靠運行。

       由於材料種類繁多，性（xìng）能差異很大，彈性階段與塑性階（jiē）段（duàn）的過渡情況很複雜，通過和殘餘應力等指標作為材料彈性階段（duàn）與塑性階段的轉折點的指標來反應（yīng）材料的過渡過程的（de）性能，其中屈服點與（yǔ）非比例（lì）應力是zui常用的指標。雖然屈服點與非（fēi）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（tā）們反應（yīng）了不（bú）同過渡階段特性的（de）材料的特點，因此它們（men）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（duì）這兩個指標進（jìn）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，它的重要性甚至大於材（cái）料的極（jí）限強度值（極（jí）限（xiàn）強度（dù）是（shì）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（qiú）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（sù）的製約，歸納（nà）起來（lái）有：
    ＊ 夾具（jù）的影響；
    ＊ 試驗機測控環節的影響；
    ＊ 結果處理（lǐ）軟件的影響；
    ＊ 試驗人員理（lǐ）論水平的影響等。
    這其中的每一種影響都包含了不同的方麵。下麵（miàn）逐一進行分析

    一、 夾（jiá）具（jù）的影（yǐng）響
   這類影響在試驗中發生的（de）機率較高（gāo），主要表現為試（shì）樣夾持部分打滑（huá）或試驗機某些力值傳遞環節間存（cún）在較大的（de）間隙等因素，它在舊機（jī）器上（shàng）出現（xiàn）的概率較大。由（yóu）於機器在使用一段時間後，各相對運動部（bù）件間會產（chǎn）生磨損現象，使得摩擦係數明顯降低，zui直觀的（de）表現為夾塊（kuài）的鱗狀尖峰被磨平，摩擦力大幅度的減小。當試樣受力逐（zhú）漸增大達到zui大靜摩擦力時，試樣就會打滑（huá），從而產生虛假屈服現象。如（rú）果以前使用該試驗機所（suǒ）作試驗屈服值正（zhèng）常，而現在所作試驗屈服值明顯偏低，且（qiě）在某些較硬或者較脆的（de）材料試驗（yàn）時現象尤為明顯，則一般應首先（xiān）考慮是這一原因。這時需及時進行（háng）設備的大修，消除間隙，更換夾塊。
    二、 試驗機測控（kòng）環節（jiē）的影響
   試驗機測控（kòng）環節是整個試驗機的（de）核心，隨著技術的發展，目前這一環節基本（běn）上采用了各種電子（zǐ）電路實現自動測控。由於自動測（cè）控知識（shí）的深奧，結構的複雜，原理的（de）不透明（míng），一旦在產品的設計中考慮（lǜ）不周，就會對結果產生嚴重的影響，並且難以分析其原因。針（zhēn）對材料屈服點的求取zui主（zhǔ）要的有下列幾點：
    1、傳感（gǎn）器放大器頻帶太窄
   由（yóu）於目前試驗（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，在使用中必須進行信號（hào）放大。*，在我們的（de）環境中，存在著各種各樣的電磁幹擾信號（hào），這種幹擾信號會通過許多不同的渠道偶合到測量信號（hào）中一起被放大，結果使得（dé）有用信號被幹擾（rǎo）信號（hào）淹沒。為了從幹擾信號中提取出有用信（xìn）號，針對材料試驗機（jī）的特點，一般在放大器中設置有低通濾波器（qì）。合理的設置低通（tōng）濾波器的截止頻率，將放大器的頻帶限（xiàn）製在一個適當的（de）範圍，就能使試驗機的測量控（kòng）製性能得到極大的提高（gāo）。然而（ér）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（jiāng）濾波器的（de）截止頻率設置的非常低。這樣在（zài）充分濾掉幹擾信（xìn）號的同時，往往把有用信號也一（yī）起濾掉了。在日常生活中，我（wǒ）們常見的電（diàn）子秤，數據很穩（wěn）定，其原因之一就是它的頻帶很窄，幹擾信號（hào）基本（běn）不（bú）能通過。這樣設計的原因是電子（zǐ）秤稱量的是穩態信號，對稱量的過渡過程（chéng）是不關心的，而（ér）材料試驗機測量的是動態信號（hào），它的頻譜是非常寬（kuān）的，若頻（pín）帶太窄（zhǎi），較高（gāo）頻率的信（xìn）號就會被衰減或濾除，從而引起失真。對於屈服表現為力值多次上下波動的（de）情況，這（zhè）種失真（zhēn）是不允（yǔn）許的。就材料試驗機而言，筆者認為這一頻帶zui小也應大於（yú）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的（de）AD7705、AD7703、AD7701等為例。當A/D轉換器以“zui高輸（shū）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（shí），其模擬輸入處理電路的實際帶（dài）寬隻有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（jí）速率太低（dī）
   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（de）種類很多，但在（zài）試驗機上采用（yòng）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（diào）整，既可實現高速（sù）低精度的轉換，又可實現低速高精度的轉換。在試驗機（jī）上由於對數據的采集速率要求不（bú）是太高，一般達每秒幾十次到幾百次就可（kě）滿（mǎn）足需求，因而一（yī）般多采用較低的轉換速率，以實（shí）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（gāo）的采（cǎi）樣（yàng）分辨率，以及*的數據顯示（shì）穩定（dìng）性，而將采（cǎi）樣速度降的很（hěn）低，這（zhè）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確采集。例如金屬材料性能試驗中，當材料發生屈服而力值（zhí）上下波動時信號（hào）變化就是如此，以至（zhì）於（yú）不能（néng）準確求（qiú）出上（shàng）下屈服點，導致（zhì）試（shì）驗失敗，結果丟了西瓜（guā）撿芝麻。
那麽如何判斷一個係（xì）統的頻帶寬窄（zhǎi）以及采樣（yàng）速率的高低呢？
   嚴格來說這需要許多的（de）測試儀器及專業人員來完成。但通過下麵介（jiè）紹的簡單方（fāng）法，可做出一個定性的認識。當一個（gè）係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（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（zhǎi）或采樣（yàng）速率很低（dī）。除非特（tè）殊（shū）場合（如：校驗（yàn）試（shì）驗機力值精度的高精度標定儀），否則在試驗機上（shàng）是不可使用的。 
  3、控製方法使用不當
   針對材料發生屈服時應力與應變的關係（發生屈服時，應力不變或產生（shēng）上下波動，而應變則繼續增大）國標（biāo）推（tuī）薦的控製模式為恒應變控製，而在（zài）屈服發生前的彈性階段控製模式（shì）為恒應力控製，這在絕大多數試（shì）驗機及某次試驗中是很難完（wán）成的。因為它要求在剛出現屈服現（xiàn）象時改（gǎi）變控製模式（shì），而試（shì）驗的目的本身就是為了要求取屈服點，怎麽可能（néng）以未知的結（jié）果（guǒ）作為條件（jiàn）進行控製切換呢？所以在現（xiàn）實中，一般都是用同一種控製模式來完成整個的試驗的（即使使用不同的控製模式也很難在上屈服點（diǎn）切換，一般會選擇超前一點（diǎn））。對於使用恒位移控製（速度控製）的試（shì）驗機，由於材料（liào）在彈性階段的（de）應力速（sù）率與應變速率成正比關係，隻（zhī）要選（xuǎn）擇合適的試驗速度，全程采用速度控製就可兼容兩個階段的控製特性要求。但對（duì）於隻有力（lì）控製一種模式的試驗機，如果試驗機的響應特別快（這（zhè）是（shì）自動控製努力想要達到的目的（de）），則屈服發（fā）生的過程時間就會非常短，如果數據采集的（de）速度不夠高，則就（jiù）會丟失屈服值（原因第2點已（yǐ）說明），優異的控製性能反而變成了產生誤差（chà）的原因（yīn）。所以在選擇試驗機及控製方法時不（bú）要（yào）選擇單一的載（zǎi）荷控製模

   三、 試驗人員（yuán）的（de）影響（xiǎng）
   在試驗設備已確定的情況下，試驗結果的優劣就*取決於試驗人員的綜合素質。目前（qián）我國材料試驗（yàn）機的操作人員綜合素質普遍不高，專業（yè）知識與理論水平普遍較為欠（qiàn）缺（quē），再加上新概念（niàn）、新名詞的不斷出現，使他們很難適應材料試驗的需求。在材（cái）料屈服強度的求取（qǔ）上（shàng）常出現（xiàn）如下的問題：
    1、將非比例應力與屈服混為一談
   雖（suī）然非比例應力與屈（qū）服（fú）都是反應材料（liào）彈性階段與（yǔ）塑性階段的過渡（dù）狀態的（de）指標，但（dàn）兩者有著本質的不同。屈服（fú）是材料固有的性能，而（ér）非比例應力是通過人為規定的條件（jiàn）計算（suàn）的（de）結果，當材（cái）料存（cún）在屈服（fú）點時是無需求取非（fēi）比（bǐ）例（lì）應力的，隻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（rén）員對此（cǐ）理（lǐ）解不深，以為屈服點、上屈服、下屈服、非比例應力對（duì）每一個試驗都存在，而（ér）且需全（quán）部求取。
    2、將具有不（bú）連續屈服的（de）趨勢當作具有屈服點
   國標對屈服的定義指出，當變形繼續（xù）發生，而力保持不變或有波動時叫做屈服。但（dàn）在某些材料中會發生這（zhè）樣一種現象，雖然變形繼（jì）續（xù）發生，力值也繼續增大，但力值的增大幅度卻發（fā）生了由大到小再到大的（de）過程。從曲線上看，有點象產生屈服的趨勢，並不符合屈服時力值恒定的定義。正如在第三類影響（xiǎng）中（zhōng）提到的，由於對“力值恒定”的條（tiáo）件沒有定（dìng）量指標規定（dìng），這時（shí）經常會產生這一現象（xiàng）是否是屈服，屈服值如何求取等問題的爭論（lùn）。
    3、將金屬材料的屈服點與塑（sù）料類的屈服點混淆

式。

 四、 結果處理軟件的影響
   目前生產的（de）試驗機絕（jué）大部分都配備了不同類型的計算機（jī）（如（rú）PC機，單片機等）），以完成標準或用戶（hù）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。然而由於標準的滯（zhì）後，原有（yǒu）的部分定義，就顯得不（bú）夠明確。如屈服（fú）點（diǎn）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（zhè）樣定義的：
   “屈服強度：當金屬材料呈現屈服現象時，在試驗期（qī）間達到塑性變形發生而力（lì）不增加的（de）應力點，應（yīng）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（qū）服強（qiáng）度：在屈服期間，不計初始瞬時效應（yīng）時（shí）的zui低應力。”
    這（zhè）個定義在過去使（shǐ）用圖解法時一般沒有什麽疑問，但在（zài）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（bǎo）持恒定）”？由於各種（zhǒng）幹擾源的存在，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）算機所采集的數據也不會保持恒（héng）定，這就需要給出一個允（yǔn）許的數據波動範圍，由於國標未作定義，所以各個試驗機生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所差異。
   ＊上下屈服強度的疑問：若材料出現上下屈服（fú）點，則必然（rán）出現力值（zhí）的上下波動，但這個（gè）波動的幅度是多少呢（ne）？國標未作解釋，若取的太小，可能將幹擾誤求為上下屈服點，若取得太大，則可能（néng）將部分上下屈服（fú）點丟失。目前為了（le）解決這一難題，各廠（chǎng）家都想（xiǎng）了（le）許多的辦法，如按材料進行分類定義“誤（wù）差帶”及“波動幅度”，這可以（yǐ）解決大部分的使用問題。但對（duì）不常見的材料及新材料的（de）研究依然不能解決問題。為此部分廠家將“誤差（chà）帶”及“波動幅（fú）度”設計為用戶自（zì）定義參數，這從理論上解（jiě）決了問題，但對使用者（zhě）卻提出了*的要求。
    2、對下屈服點定義（yì）中“不計初始瞬時效應”的誤解什麽（me）叫“初始瞬時（shí）效應”？它是如（rú）何產生，是否所有（yǒu）的試驗都（dōu）存（cún）在？這些問題國標都未作解釋。所以在求取下（xià）屈服強度時絕大多數的情（qíng）況都是丟掉了*個“下峰點”的（de）。筆者（zhě）經過多方查閱資（zī）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（xiàng），其（qí）原因是“慣性”作用的影響（xiǎng）。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（qǔ）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（diào）了*個下峰點的。

   由（yóu）於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（qū）服、上屈服、下屈服的概念。而塑料隻定（dìng）義有屈服的概念。另外，金屬材料的屈服強（qiáng）度一定小於極限強度，而塑料的屈服可能小於極限強度，也可能等於極限強（qiáng）度（兩者在曲線上為同一點）。由於對標準的不熟悉，往往在試驗結果的輸出方麵產（chǎn）生一些不應（yīng）有的錯誤，如將（jiāng）塑料的屈服（fú）概念（上屈服）作為金屬材料的屈服（fú）概念（一般為下屈服）輸出，或將無（wú）屈服的（de）金屬材料的zui大強度按塑（sù）料的（de）屈服強度定義類（lèi）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（yī）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（cháng）重要的作用，但同時在求取時又麵臨著許多問（wèn）題，因此無論是國標的製定部（bù）門，還是試驗機的研發生產廠商、試驗機的使用（yòng）部門，都應從各自的角度（dù）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（shǐ）用創造良好的（de）條件。