上海湘傑淺晰影響开云体育新人礼金屈服點誤差的因素

本文通過對材料屈服點含義(yi) 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(chan) 生誤差的原因及解決(jue) 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(jia) 值。
    [關(guan) 鍵詞]：彈性變形 塑性變形 屈服 頻帶
    任何的材料在受到外力作用時都會(hui) 產(chan) 生變形。在受力的初始階段，一般來說這種變形與(yu) 受到的外力基本成線性的比例關(guan) 係，這時若外力消失，材料的變形也將消失，恢複原狀，這一階段通常稱為(wei) 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後，變形與(yu) 受到的外力將不再成線性比例關(guan) 係，這時當外力消失後，材料的變形將不能*消失，外型尺寸將不能*恢複到原狀，這一階段稱為(wei) 塑性變形階段。

    一切的產(chan) 品與(yu) 設備都是由各種不同性能的材料構成，它們(men) 在使用中會(hui) 受到各種各樣的外力作用，自然就會(hui) 產(chan) 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(nei) ，否則產(chan) 品的形狀將會(hui) 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(chan) 生重大的質量事故。那麽(me) 如何確保變形是在彈性範圍內(nei) 呢？從(cong) 上麵的分析已知材料的變形分為(wei) 彈性變形與(yu) 塑性變形兩(liang) 個(ge) 階段，隻要找出這對已知材料的力學性能進行試驗與(yu) 理論分析，人們(men) 總結出了采用屈服點、非比例應力兩(liang) 個(ge) 階段的轉折點，工程設計人員就可確保產(chan) 品與(yu) 設備的可靠運行。

    由於(yu) 材料種類繁多，性能差異很大，彈性階段與(yu) 塑性階段的過渡情況很複雜，通過和殘餘(yu) 應力等指標作為(wei) 材料彈性階段與(yu) 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(yu) 非比例應力是常用的指標。雖然屈服點與(yu) 非比例應力同是反應材料彈性階段與(yu) 塑性階段“轉折點”的指標，但它們(men) 反應了不同過渡階段特性的材料的特點，因此它們(men) 的定義(yi) 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(liang) 個(ge) 指標進行分析。本文首先分析屈服點的情況：

    從(cong) 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重要的，在許多的時候，它的重要性甚至大於(yu) 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。它受到許多因素的製約，歸納起來有：
1、夾具的影響；
2、試驗機測控環節的影響；
3、結果處理軟件的影響；
4、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麵。下麵逐一進行分析

    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(wei) 試樣夾持部分打滑或試驗機某些力值傳(chuan) 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。由於(yu) 機器在使用一段時間後，各相對運動部件間會(hui) 產(chan) 生磨損現象，使得摩擦係數明顯降低，直觀的表現為(wei) 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大靜摩擦力時，試樣就會(hui) 打滑，從(cong) 而產(chan) 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(wei) 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(ge) 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。由於(yu) 自動測控知識的深奧，結構的複雜，原理的不透明，一旦在產(chan) 品的設計中考慮不周，就會(hui) 對結果產(chan) 生嚴(yan) 重的影響，並且難以分析其原因。針對材料屈服點的求取主要的有下列幾點：
    1、傳(chuan) 感器放大器頻帶太窄
    由於(yu) 目前試驗機上所采用的力值檢測元件基本上為(wei) 載荷傳(chuan) 感器或壓力傳(chuan) 感器，而這兩(liang) 類傳(chuan) 感器都為(wei) 模擬小信號輸出類型，在使用中必須進行信號放大。*，在我們(men) 的環境中，存在著各種各樣的電磁幹擾信號，這種幹擾信號會(hui) 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幹擾信號淹沒。為(wei) 了從(cong) 幹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，將放大器的頻帶限製在一個(ge) 適當的範圍，就能使試驗機的測量控製性能得到極大的提高。然而在現實中，人們(men) 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(men) 常見的電子秤，數據很穩定，其原因之一就是它的頻帶很窄，幹擾信號基本不能通過。這樣設計的原因是電子秤稱量的是穩態信號，對稱量的過渡過程是不關(guan) 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(hui) 被衰減或濾除，從(cong) 而引起失真。對於(yu) 屈服表現為(wei) 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(wei) 這一頻帶小也應大於(yu) 10HZ，好達到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(men) 往往忽略了A/D轉換器的頻帶寬度，以至於(yu) 造成了實際的頻帶寬度小於(yu) 設置頻寬。以眾(zhong) 多的試驗機數據采集係統選用的AD7705、AD7703、AD7701等為(wei) 例。當A/D轉換器以“高輸出數據速率4KHZ”運行時，它的模擬輸入處理電路達到大的頻帶寬度10HZ。當以試驗機常用的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隻有0.25HZ，這會(hui) 把很多的有用信號給丟(diu) 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。在試驗機上由於(yu) 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(chan) 的試驗機上，為(wei) 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(wei) 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，以至於(yu) 不能準確求出上下屈服點，導致試驗失敗，結果丟(diu) 了西瓜撿芝麻。
那麽(me) 如何判斷一個(ge) 係統的頻帶寬窄以及采樣速率的高低呢？
    嚴(yan) 格來說這需要許多的測試儀(yi) 器及專(zhuan) 業(ye) 人員來完成。但通過下麵介紹的簡單方法，可做出一個(ge) 定性的認識。當一個(ge) 係統的采樣分辨率達到幾萬(wan) 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後感覺時，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(yi) ），否則在試驗機上是不可使用的。
    3、控製方法使用不當
    針對材料發生屈服時應力與(yu) 應變的關(guan) 係（發生屈服時，應力不變或產(chan) 生上下波動，而應變則繼續增大）國標推薦的控製模式為(wei) 恒應變控製，而在屈服發生前的彈性階段控製模式為(wei) 恒應力控製，這在絕大多數試驗機及某次試驗中是很難完成的。因為(wei) 它要求在剛出現屈服現象時改變控製模式，而試驗的目的本身就是為(wei) 了要求取屈服點，怎麽(me) 可能以未知的結果作為(wei) 條件進行控製切換呢？所以在現實中，一般都是用同一種控製模式來完成整個(ge) 的試驗的（即使使用不同的控製模式也很難在上屈服點切換，一般會(hui) 選擇超前一點）。對於(yu) 使用恒位移控製（速度控製）的試驗機，由於(yu) 材料在彈性階段的應力速率與(yu) 應變速率成正比關(guan) 係，隻要選擇合適的試驗速度，全程采用速度控製就可兼容兩(liang) 個(ge) 階段的控製特性要求。但對於(yu) 隻有力控製一種模式的試驗機，如果試驗機的響應特別快（這是自動控製努力想要達到的目的），則屈服發生的過程時間就會(hui) 非常短，如果數據采集的速度不夠高，則就會(hui) 丟(diu) 失屈服值（原因第2點已說明），優(you) 異的控製性能反而變成了產(chan) 生誤差的原因。所以在選擇試驗機及控製方法時好不要選擇單一的載荷控製模式。

    三、 結果處理軟件的影響
    目前生產(chan) 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(yi) 的各類數據測試。與(yu) 過去廣泛采用的圖解法相比有了非常大的進步。然而由於(yu) 標準的滯後，原有的部分定義(yi) ，就顯得不夠明確。如屈服點的定義(yi) ，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(wei) 例）標準是這樣定義(yi) 的：
    “4.9.2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。
    4.9.2.1上屈服強度：試樣發生屈服而力下降前的高應力。
    4.9.2.2下屈服強度：在屈服期間，不計初始瞬時效應時的低應力。”
    這個(ge) 定義(yi) 在過去使用圖解法時一般沒有什麽(me) 疑問，但在今天使用計算機處理數據時就產(chan) 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）”？由於(yu) 各種幹擾源的存在，即使材料在屈服階段真的力值保持恒定（這是不可能的），計算機所采集的數據也不會(hui) 保持恒定，這就需要給出一個(ge) 允許的數據波動範圍，由於(yu) 國標未作定義(yi) ，所以各個(ge) 試驗機生產(chan) 廠家隻好自行定義(yi) 。由於(yu) 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(ge) 波動的幅度是多少呢？國標未作解釋，若取的太小，可能將幹擾誤求為(wei) 上下屈服點，若取得太大，則可能將部分上下屈服點丟(diu) 失。目前為(wei) 了解決(jue) 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(yi) “誤差帶”及“波動幅度”，這可以解決(jue) 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(jue) 問題。為(wei) 此部分廠家將“誤差帶”及“波動幅度”設計為(wei) 用戶自定義(yi) 參數，這從(cong) 理論上解決(jue) 了問題，但對使用者卻提出了的要求。
    2、 對下屈服點定義(yi) 中“不計初始瞬時效應”的誤解什麽(me) 叫“初始瞬時效應”？它是如何產(chan) 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(diu) 掉了*個(ge) “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(chan) 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(diu) 掉*個(ge) 下峰點。但事實上，大部分的廠家的試驗機處理程序都是丟(diu) 掉了*個(ge) 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(you) 劣就*取決(jue) 於(yu) 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(zhuan) 業(ye) 知識與(yu) 理論水平普遍較為(wei) 欠缺，再加上新概念、新名詞的不斷出現，使他們(men) 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(yu) 屈服混為(wei) 一談
    雖然非比例應力與(yu) 屈服都是反應材料彈性階段與(yu) 塑性階段的過渡狀態的指標，但兩(liang) 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(wei) 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，隻有材料沒有明顯的屈服點時才求取非比例應力。部分試驗人員對此理解不深，以為(wei) 屈服點、上屈服、下屈服、非比例應力對每一個(ge) 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(yi) 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(hui) 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(cong) 曲線上看，有點象產(chan) 生屈服的趨勢，並不符合屈服時力值恒定的定義(yi) 。正如在第三類影響中提到的，由於(yu) 對“力值恒定”的條件沒有定量指標規定，這時經常會(hui) 產(chan) 生這一現象是否是屈服，屈服值如何求取等問題的爭(zheng) 論。
    3、將金屬材料的屈服點與(yu) 塑料類的屈服點混淆
    由於(yu) 金屬材料與(yu) 塑料的性能相差很大，其屈服的定義(yi) 也有所不同。如金屬材料定義(yi) 有屈服、上屈服、下屈服的概念。而塑料隻定義(yi) 有屈服的概念。另外，金屬材料的屈服強度一定小於(yu) 極限強度，而塑料的屈服可能小於(yu) 極限強度，也可能等於(yu) 極限強度（兩(liang) 者在曲線上為(wei) 同一點）。由於(yu) 對標準的不熟悉，往往在試驗結果的輸出方麵產(chan) 生一些不應有的錯誤，如將塑料的屈服概念（上屈服）作為(wei) 金屬材料的屈服概念（一般為(wei) 下屈服）輸出，或將無屈服的金屬材料的大強度按塑料的屈服強度定義(yi) 類推作為(wei) 金屬材料屈服值輸出，產(chan) 生金屬材料屈服值與(yu) 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，但同時在求取時又麵臨(lin) 著許多問題，因此無論是國標的製定部門，還是試驗機的研發生產(chan) 廠商、試驗機的使用部門，都應從(cong) 各自的角度出發，努力解決(jue) 所存在的問題，才能實現屈服點的準確、快速、方便的求取，為(wei) 材料的安全使用創造良好的條件。