紙板拉力測試機如何準確求取屈服點（diǎn）？

紙板拉力測試機如何準確求取（qǔ）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（shòu）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（bǐ）例關係，這時若外力消失（shī），材料的變形也將消失，恢複原狀，這（zhè）一階段通常稱為彈性（xìng）階段，物理學中的虎克（kè）定律，就是描述這一特性的基本定律。但當外力（lì）增（zēng）大到一定程度後，變形與（yǔ）受到的外力將不再成線（xiàn）性比例關係，這（zhè）時當外力消失後，材料的變形將不能*消失，外型尺寸將不（bú）能*恢複（fù）到原狀，這一階段稱為（wéi）塑性變形階段。

       一切的產品與設備都是由各種不同性能（néng）的材料構成，它們在使用（yòng）中（zhōng）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（dàn）這種變形必須被限製（zhì）在彈性範圍之內，否則產（chǎn）品的形狀將會發生*變化，影（yǐng）響繼（jì）續使用，設備的形狀也將發生變化，輕則造成加工零部件（jiàn）精度等級下降，重則造成零（líng）部件報（bào）廢，產生重大的質量事故。那麽如何（hé）確保變形（xíng）是在（zài）彈性範圍內呢？從上麵的分析已知（zhī）材料（liào）的變形分（fèn）為彈性變形（xíng）與塑性變形兩個階段，隻要找出這對已知材料的力學性能（néng）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（yǔ）設備（bèi）的可靠運行。

       由於材料種類繁多，性能差異很大，彈性階段與塑性階段的過渡情況很複雜，通過（guò）和殘餘應力（lì）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（dù）過程的性能，其中（zhōng）屈服點與非比例應（yīng）力是zui常用的（de）指標。雖然屈服點（diǎn）與非比例應（yīng）力（lì）同是反應材料彈性（xìng）階段與（yǔ）塑性（xìng）階段“轉折點”的指標，但（dàn）它們反應了不同過渡階段特性的材料的特點，因此（cǐ）它們的定義不同（tóng），求取方法（fǎ）不同，所需設備也不*相同。因此筆者將分別對這兩（liǎng）個指標進行分析。本（běn）文首先（xiān）分析屈服點的情況：

       從上麵的描述，可以看出準確求取屈服點在材料力學性能試驗中是非常（cháng）重要的，在許多的時候，它的（de）重要性甚（shèn）至大於材料的（de）極限強度值（極（jí）限強度是所（suǒ）有材料力學性能必（bì）需求取的指標之一），然而非常準確的求取它，在許多的時候（hòu）又是（shì）一件不太容易（yì）的事。它受到許多因素的製約，歸納起來（lái）有：
    ＊ 夾具的影響；
    ＊ 試驗機測控環節的影響（xiǎng）；
    ＊ 結果處（chù）理（lǐ）軟件的影響；
    ＊ 試驗人員理論水平的影響等。
    這其（qí）中的每一種影響都包含了不同（tóng）的方麵。下麵逐一進行分析

    一、 夾具的影（yǐng）響
   這類影（yǐng）響在試驗中發生的機率較高，主（zhǔ）要表現為試樣夾持部分打滑（huá）或試（shì）驗機某些力值傳遞環節間存在較大的間隙等因素，它（tā）在舊機器上（shàng）出現的概率（lǜ）較（jiào）大。由（yóu）於機器在使用一（yī）段時間後，各相對運動部件（jiàn）間會產生磨（mó）損現象，使得摩擦係數明顯降低，zui直觀的表現為夾塊的（de）鱗狀尖峰被（bèi）磨平，摩擦力大幅度的減小。當試樣受（shòu）力逐漸（jiàn）增大達到zui大靜摩擦力時（shí），試樣就會打滑，從而產生虛假屈服現象（xiàng）。如果以前使用該試驗機（jī）所作試驗屈服值正常，而現在所作試驗屈（qū）服值明顯偏（piān）低，且在某些較硬（yìng）或（huò）者較脆（cuì）的材料試驗時現象尤為明顯（xiǎn），則一般應首先（xiān）考慮是這一原因。這時需及時進行設備的（de）大修，消除間隙，更換夾塊。
    二、 試（shì）驗機測控環（huán）節的影響
   試驗機（jī）測（cè）控環節是（shì）整個試驗機的核心，隨（suí）著技術的發展，目前（qián）這一（yī）環節基本上采用了各種電子電路實現自動測控。由於自動測控知識的深（shēn）奧，結構的複雜，原理的不透明，一旦在產品的設（shè）計中考慮不周，就會對結果產生嚴重的影響，並且難以（yǐ）分（fèn）析其原（yuán）因。針對材料（liào）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（tài）窄
   由於目前試驗機上所采用的力值（zhí）檢測（cè）元件基本上（shàng）為載荷（hé）傳感器或（huò）壓力（lì）傳感器，而這兩類（lèi）傳感器都為模（mó）擬小信號輸出類型，在使（shǐ）用中必須進行信號（hào）放大。*，在我們的環境中（zhōng），存在著各種各樣的電磁幹擾信號，這種幹擾信號會通過許多不同的渠道偶合（hé）到測量信（xìn）號中一起被放大，結果使得有用信號（hào）被幹擾信號淹沒。為了從幹擾信號中提取出有（yǒu）用信號，針對材料試驗機的特點，一般在放大器中設置有低（dī）通濾波器。合理的設置低通濾波器的截止頻率，將放大器的頻帶限製在一個適當的範圍，就能使試驗機（jī）的測量控製性能得到（dào）極（jí）大的提高。然而在現實中，人們往往將數據的穩定顯示（shì）看的（de）非（fēi）常重要，而忽（hū）略了數據的真實性，將濾波器的截止頻率設置的（de）非常低。這樣在（zài）充分濾掉幹擾信號的同時，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（yī）就是它的頻帶很窄，幹擾信號基本不能通過。這樣設計的原因（yīn）是電子秤稱量的是穩（wěn）態信號，對稱量的過渡過程是不關心的，而材（cái）料試驗機測量的是動態信號，它的頻譜（pǔ）是非常寬的，若頻帶太窄，較高頻率的信號就會（huì）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小也應大於10HZ，達到30HZ。在實（shí）際中，有時（shí）放大（dà）器的頻帶雖然達到了這一範圍，但人們往往忽（hū）略了A/D轉換器的頻帶寬度，以至於（yú）造（zào）成了實際（jì）的頻（pín）帶寬度小於設置頻寬。以眾多（duō）的（de）試驗機數（shù）據采（cǎi）集係統選用的AD7705、AD7703、AD7701等為例。當A/D轉換器以“zui高輸出數據速率4KHZ”運行（háng）時，它的模擬輸入處理電路（lù）達到zui大的頻帶（dài）寬（kuān）度10HZ。當以試驗機（jī）zui常用的100HZ的輸出數據速率（lǜ）工作時，其模（mó）擬輸入處理電路的實際帶寬隻有0.25HZ，這會把很（hěn）多的（de）有用信號給丟失，如屈服點的力（lì）值波動等。用這樣的電（diàn）路當然（rán）不能得到正確（què）試驗結果。
    2、數據采集速率（lǜ）太低
   目前模（mó）擬信號的數（shù）據采集是通過A/D轉換器來實現（xiàn）的（de）。A/D轉換器的種類很多，但在試驗機上采用zui多（duō）的是（shì）∑－△型A/D轉換器。這（zhè）類（lèi）轉換器使用靈活，轉（zhuǎn）換速率可（kě）動（dòng）態（tài）調整，既可實現（xiàn）高（gāo）速低精度的轉換（huàn），又可實現低速高精度的轉換。在試驗機上由於對數據的采集速（sù）率要求不是太高，一般達每秒（miǎo）幾（jǐ）十次到幾百次就可滿足需（xū）求，因而一般多采用較低的轉換速率（lǜ），以實現較高的測量精度（dù）。但在某些廠家生（shēng）產的試驗機（jī）上，為了追求較高的采樣分辨率，以及*的數據顯示穩定性，而（ér）將采樣速度降的很低，這是不可取的（de）。因為當采樣速度很低時，對高速變化的信號就無法實時（shí）準確采（cǎi）集。例如金屬材料性（xìng）能（néng）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，以至於（yú）不（bú）能準確求出上（shàng）下屈（qū）服點，導（dǎo）致試驗失敗，結果丟了西瓜撿芝麻。
那麽如何判斷一個係統的頻帶寬窄以及采（cǎi）樣速率的高低呢？
   嚴格來說這需要許（xǔ）多的測試儀器及專業人員來完（wán）成。但通過下麵介（jiè）紹的簡單方法，可做出一個定性的認識。當一（yī）個係統的采樣分辨率（lǜ）達到幾萬分（fèn）之一（yī）以上，而顯示數據（jù）依然沒有波動或顯示數（shù）據具有明顯的滯後感覺時（shí），基本可以確定它的通頻帶很（hěn）窄或采樣速（sù）率很低。除非特殊場合（如：校驗試（shì）驗機力值精度的高精度標定（dìng）儀），否則在試驗機上是（shì）不可使用的（de）。 
  3、控製（zhì）方法（fǎ）使用（yòng）不當
   針對材料發生屈服時應力與應變的關（guān）係（xì）（發生屈服時，應力不變或產生上下波動，而應（yīng）變則繼續增（zēng）大）國標推薦的（de）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為恒（héng）應力控（kòng）製，這在絕大多數試驗機及某（mǒu）次（cì）試驗中是很（hěn）難完（wán）成（chéng）的（de）。因為它要求在剛出現屈服現象時改變控製模式，而（ér）試驗的目的本身就是（shì）為了要求取屈服點，怎麽可（kě）能以未知的結果作為條件進（jìn）行控製切換呢？所（suǒ）以在現（xiàn）實中，一般都是（shì）用（yòng）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（zhì）模式也很難在上（shàng）屈服點切換，一般會選擇超前一點）。對於使用恒位移控製（速度控製）的試驗機，由於材料在彈性階段的應力速率與應變速率成正比關係，隻要選擇合適的試驗速度，全程采用速（sù）度控製（zhì）就可兼容兩（liǎng）個階段的控製特性要求。但對於隻有力控製一種模式的試驗機，如（rú）果試（shì）驗（yàn）機的響（xiǎng）應特別快（這是自動控製努力想要達到（dào）的目的），則屈服發生的過程（chéng）時間就會非常短，如果數據采集的速（sù）度不夠高，則就會（huì）丟失屈服值（原因第2點已說明），優異的控製性能反而變成了產生誤差（chà）的原因。所以在選擇試驗機及控製方（fāng）法時不要選擇（zé）單一的（de）載荷控製（zhì）模

   三、 試驗人（rén）員的影響
   在試驗設備已確定的情況下（xià），試驗（yàn）結果的優劣就*取決於試驗人員（yuán）的（de）綜合素質。目前我（wǒ）國（guó）材料試驗機的操作人員綜合（hé）素質普遍不高（gāo），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（de）不斷出現，使他（tā）們很難適應材料試驗的需求（qiú）。在材料屈服強度的求取上常出現如下的問題（tí）：
    1、將非比例應力與屈服混為一（yī）談
   雖然非比例應力與屈服都是反應材料彈性階段（duàn）與塑性階段的過渡狀態的指標，但兩者有著本質的（de）不同。屈服是材料（liào）固有的性能，而非比例應力是通過人為規定（dìng）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，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（yàn）人員對此理解不（bú）深（shēn），以為屈服點、上屈服、下屈服、非比例（lì）應力對每一個試驗都存在，而且需全部求（qiú）取（qǔ）。
    2、將具有不連續屈服的趨（qū）勢當作具有屈服點
   國標對屈（qū）服的定義指出（chū），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（mǒu）些材（cái）料中會發（fā）生這樣（yàng）一種現象，雖然變形（xíng）繼續發（fā）生，力值也繼（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，有點象產生屈服的趨勢，並不符合屈服時力值恒定的定義。正（zhèng）如在第三類影響中提到（dào）的，由於對“力值恒定”的條件沒有定量指（zhǐ）標規（guī）定，這時經常會（huì）產生（shēng）這一現象是否是屈服，屈服值如何求取等問題的（de）爭論。
    3、將金屬材料的（de）屈服點與（yǔ）塑料類的屈服點混（hún）淆

式。

 四、 結果處理軟件的影響
   目前生（shēng）產的（de）試驗機絕大（dà）部分（fèn）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（cè）試。與過去廣泛采用的（de）圖解法相比有了非常大（dà）的（de）進（jìn）步。然而由於標準的（de）滯後，原（yuán）有（yǒu）的部分定義，就顯得不夠明確。如屈（qū）服點的定義，隻有定性的解釋，而沒有定量的說明，很不適應計算機自動處理的（de）需求。這就造成了：
    1、判斷條件的各自設定
    就屈服點而（ér）言（以金屬拉伸GB/T　228-2002為例）標準是（shì）這樣（yàng）定義的：
   “屈服強度：當金屬材料呈現屈（qū）服現象時，在試（shì）驗期間達（dá）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（hé）下屈（qū）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（fú）強度：在屈服期間，不計初始瞬時（shí）效應時的zui低應力。”
    這個定義在（zài）過去使用圖解（jiě）法時一般沒有什（shí）麽（me）疑問，但在今天使用計（jì）算機處理（lǐ）數據時就產生（shēng）了問題。
   ＊屈（qū）服強度的疑（yí）問：如何理解“塑性變形發生而力不增加（保（bǎo）持恒定）”？由於各種幹擾源的存在，即使材料在屈服階段真的力值保（bǎo）持恒定（這是不可能的），計算機所采集的數據也不會保（bǎo）持恒定，這就需要給出一個允許的（de）數據波動範（fàn）圍，由於國（guó）標未作定義，所以各個試驗機生產廠家隻好自行（háng）定義。由於條件的不統一，所求結果自然也就有（yǒu）所差異。
   ＊上下（xià）屈服強度的疑（yí）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（dù）是多少呢？國標未作解釋，若取的太小，可能將幹擾誤（wù）求（qiú）為上下屈服點，若取得太大，則可能將部分上下屈（qū）服點丟失。目前為了解決這一難題（tí），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（bō）動幅（fú）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（cān）數，這從理論上解決了問題，但對使用者卻提出了（le）*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，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度時絕大多數（shù）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（de）試驗機所*的一種現象，其原因是“慣性”作（zuò）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，所以在求取結（jié）果時（shí）就不能一律丟掉*個下峰點。但事（shì）實上，大（dà）部分的廠家（jiā）的試驗機處理程序都是丟掉了*個下峰點的。

   由於（yú）金屬材（cái）料與塑料（liào）的性能相差很大，其屈（qū）服（fú）的定義也有所不同。如金屬材料定義有屈服、上屈（qū）服、下屈服的概念。而塑料隻定義有屈服的概念。另外，金屬（shǔ）材料的屈服強度一定小於極限強度，而塑料的屈服可能（néng）小於極限強（qiáng）度，也（yě）可能等於極限（xiàn）強（qiáng）度（兩者在曲線上為同一點）。由於對標準的不熟（shú）悉，往往在試驗結果的輸出方麵產生一些不應（yīng）有的錯誤，如將塑料的屈（qū）服概念（上屈服）作為（wéi）金屬（shǔ）材料的屈（qū）服概念（一般為下屈服）輸出，或將無屈服的金（jīn）屬材（cái）料的zui大強度（dù）按塑料的屈（qū）服強（qiáng）度定義類推作為金屬材（cái）料屈服值輸出，產生金屬材（cái）料屈服值（zhí）與zui大值一（yī）致的笑話。
 
   綜上（shàng）所述，屈服值在材料（liào）力學性能試驗中有（yǒu）著非常重要的作用，但同時（shí）在求取時又（yòu）麵臨著許多（duō）問題，因此無論是國標的製定部門，還是試驗機的研發生產（chǎn）廠商、試驗機的（de）使用部門（mén），都應從各自的角度（dù）出發，努力解決所存（cún）在的問題，才能實（shí）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（hǎo）的條件。