拉伸試驗全程位移控制法

1、 拉伸試驗全程位移控制法蘇英群 （天津鋼管集團(tuán)有限公司，天津，300301）摘要:針對目前國內(nèi)仍有許多金屬材料拉伸試驗機(jī)不能或不適宜進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變、位移三段控制的實際情況，探討了用位移控制替代應(yīng)力控制和應(yīng)變控制的金屬材料拉伸試驗全程位移控制法，避開了三種控制方式之間的轉(zhuǎn)換。在沒有對拉伸速率提出特殊要求的情況下，可以近似應(yīng)用本方法。關(guān)鍵詞: 拉伸試驗 位移控制 應(yīng)力控制 應(yīng)變控制 控制方式轉(zhuǎn)換 系統(tǒng)柔度The method for tensile test With displacement control mode in all processYingqun suTianjin Pipe(gr

2、oup) CO., LTD, Tianjin 300301Abstract Whereas most metallic materials tensile test machines in our country are not able or not suitable to do tests in three segment controls with stress ,strain ,and displacement control modes, this paper brings out the idea of displacement control method in all proc

3、ess which use displacement control as a substitute for stress control and strain control to avoid the transition between the three control modes. It can be used in the case that the tensile speed is not required especially. Key word tensile testing displacement control stress control strain control

4、control modes transition system flexible1、 引言 為了準(zhǔn)確測定金屬材料拉伸性能，使試驗結(jié)果具有可比性，各國拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)無一例外地規(guī)定了試樣拉伸時彈性階段應(yīng)力速率、屈服階段應(yīng)變速率和破斷前兩夾頭分離速率。滿足這種要求的一種方法是直接進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變、位移三段控制。鑒于目前國內(nèi)用于金屬材料拉伸試驗的儀器大多不能直接實現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變、位移三段控制，即使有的試驗機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)，因控制方式轉(zhuǎn)換時不平穩(wěn)，測試人員一般不會使用這種方法。另外，由于某些類型引伸計結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷、試樣表面不良狀態(tài)等多種原因，會使刀口打滑引發(fā)應(yīng)變控制的危險性，測試人員不敢輕易使用應(yīng)變控制。為了尋求一

5、種既能滿足試驗標(biāo)準(zhǔn)對拉伸速度的要求，又能簡化試驗程序的方法，筆者曾在1994年天津鋼管創(chuàng)刊號上發(fā)表了題為申克 RBO 萬能材料試驗機(jī)速度控制研究的論文，推導(dǎo)了夾頭位移速率與應(yīng)力增加速率的關(guān)系，提出了用位移控制代替應(yīng)力控制的方法。十幾年來，筆者所在實驗室一直采用全程位移控制法進(jìn)行拉伸性能的產(chǎn)品檢驗和科研實驗,實際測定的應(yīng)力速率和應(yīng)變速率與設(shè)定值比較接近，可以滿足試驗標(biāo)準(zhǔn)對拉伸試驗不同階段的拉伸速度要求。本方法適用于：僅能進(jìn)行位移控制，而不具有應(yīng)力、應(yīng)變控制功能的試驗機(jī)；即使具有應(yīng)力、應(yīng)變控制功能，但不能進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變、位移三種控制方式轉(zhuǎn)換的試驗機(jī)；能進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變、位移三種控制方式轉(zhuǎn)換，但轉(zhuǎn)換時

6、有“過沖”，既轉(zhuǎn)換不平穩(wěn)的試驗機(jī)；能進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變、位移三種控制方式轉(zhuǎn)換，但因應(yīng)變控制的危險性，不希望進(jìn)行應(yīng)變控制的測試者；拉伸試驗軟件設(shè)計者。2 全程位移控制法2.1試驗系統(tǒng)柔度對拉伸速度的影響拉伸試驗時，試樣對試驗系統(tǒng)（包括機(jī)架、加載機(jī)構(gòu)、載荷測量裝置、試樣夾持部分等等）施加一個反向載荷，使試驗系統(tǒng)發(fā)生變形。如果試驗系統(tǒng)的變形量大，說明試驗系統(tǒng)柔度大。試驗系統(tǒng)柔度的定義是：系統(tǒng)在承受載荷時，每增加單位力所產(chǎn)生的彈性變形量，單位為mm/N。位移傳感器一般固定在移動橫梁或移動夾頭上，顯而易見，經(jīng)位移傳感器測量的位移不能代表試樣標(biāo)距部分的位移。要想通過位移傳感器反饋信號控制試樣標(biāo)距部分位移，必須

7、考慮系統(tǒng)柔度的影響。2.2 用位移控制替代應(yīng)力控制由于系統(tǒng)柔度的作用，夾頭（橫梁）位移S應(yīng)該等于試樣平行長度位移L與系統(tǒng)柔度K作用產(chǎn)生的位移之和，既SL+KF 式中，F(xiàn)為試樣承受載荷在試樣拉伸的線彈性段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，既= E 式中E為拉伸彈性模量而L/Lc 式中Lc為試樣平行長度將代入，得LLc/E 設(shè)試樣變形所用時間為t，則L/t為試樣平行部分變形速率，應(yīng)力速率/t。由式兩邊除以t，得L/tLc/E 用V表示夾頭（橫梁）位移速率，則VS/t，由式得VL/t+KF/t 將帶入得VLc/E+KF/t 用S0表示試樣平行部分橫截面積，將式變形：VLc/E+K S0（F/ S0）/tLc/E+

8、K S0/t（Lc/E+K S0），既V（Lc/E+K S0） 式確立了拉伸試驗彈性階段夾頭位移速率與應(yīng)力速率的關(guān)系。式中Lc、E、S0都是已知項，K值由實驗測定后也是已知量。給定一個試驗要求的應(yīng)力速率，就可由式計算出夾頭（橫梁）位移速率V，對機(jī)器控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定后，可由試驗程序準(zhǔn)確控制?，F(xiàn)在看一個實例：試驗儀器為GALDABINI SUN 100 電子萬能材料試驗機(jī)，在已知試驗狀態(tài)系統(tǒng)K值條件下（K1.97×10-5 mm / N），想要用位移控制達(dá)到試樣應(yīng)力速率為25 N/ mm2/s的目的。已知Lc75mm， S0約為480mm，由式計算，V0.245mm/s。用這個位移速度進(jìn)

9、行彈性階段拉伸試驗結(jié)果見表1。表1 SUN 100試驗機(jī)速度控制驗證實驗結(jié)果試樣號12345S0（mm2）481.0455.3486.5482.7512.3實測（N/ mm2/s）24.922.926.925.427.9與期望值偏差（N/ mm2/s）-0.1-2.1+1.9+0.4+2.9再來看一個實例：試驗儀器為SCHENCK RBO 600 電液伺服萬能材料試驗機(jī)，在已知系統(tǒng)K值條件下（K5.41×10-6 mm / N），想要用位移控制達(dá)到試樣應(yīng)力速率為28 N/ mm2的目的。已知Lc82mm， S0約為320mm，由式計算，V0.059mm/s。用這個位移速度進(jìn)行彈性階段

10、拉伸試驗結(jié)果見表2。表2 SCHENCK RBO 600試驗機(jī)速度控制驗證實驗結(jié)果試樣號12345S0（mm2）313.2309.3316.5323.8339.2實測27.527.428.127.927.1與期望值偏差（N/ mm2）-0.5-0.6+0.1-2.1-2.9兩臺試驗機(jī)的速度控制驗證實驗表明，用位移控制替代應(yīng)力控制是方便可行的，可以近似達(dá)到預(yù)期目的。當(dāng)然，如果機(jī)器能進(jìn)行應(yīng)力、位移控制方式之間的轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換時無“過沖”，可以直接使用應(yīng)力控制，過渡到2.3節(jié)。2.3 用位移控制替代應(yīng)變控制設(shè)載荷增加速率為F/t，試樣伸長速率為V試樣L/t，則由式，夾頭（橫梁）移動速率為：VV試樣+K

11、 試樣在彈性范圍內(nèi)加載時， V試樣Ve，則VVe+K 當(dāng)試樣進(jìn)入屈服階段時，V試樣Vp, 應(yīng)力速率接近0，既0，則由式VVp 各國試驗標(biāo)準(zhǔn)對試樣平行長度的應(yīng)變速率做了規(guī)定。例如，GB/T2282002規(guī)定，E150000N/mm2時的應(yīng)變速率為0.00025/s0.0025/s，這里用表示。若將其轉(zhuǎn)化為夾頭（橫梁）位移速率，則僅需將乘以試樣平行長度，既VLc 于是，就可以用式設(shè)定夾頭（橫梁）位移速率，實現(xiàn)間接控制試樣應(yīng)變速率的目的。2.4 用位移控制完成抗拉強(qiáng)度測試試樣屈服階段完成后，為了測定抗拉強(qiáng)度，多數(shù)國外標(biāo)準(zhǔn)僅對兩夾頭（橫梁）分離速率做出了規(guī)定，只要按標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)定夾頭位移速率即可。GB/

12、T228-2002規(guī)定試樣平行長度的應(yīng)變速率不應(yīng)超過0.008/s，這時可以用式進(jìn)行計算，可不必考慮系統(tǒng)柔度的作用， 因為試樣標(biāo)距長度實際變形速率要小于夾頭（橫梁）位移速率，用式計算的控制參數(shù)肯定不會超出標(biāo)準(zhǔn)要求，這是一種最簡潔的辦法。2.5測定柔度的簡易方法 測定方法運用式時，必須知道系統(tǒng)K值?？梢杂脗鹘y(tǒng)的測試方法，用具有屈服平臺的若干個試樣測定系統(tǒng)K值，但測試過程比較繁瑣。這里介紹一個簡易方法。測試原理是將式變形，得到K（V/Lc/E）/ S0 因V是設(shè)定值，Lc、E、S0都是已知量，只要在試驗時測定出試樣彈性階段應(yīng)力速率，就可由式計算出系統(tǒng)K值。的測定方法比較簡單，如有X-Y記錄儀，可以

13、繪制Ft曲線，從曲線的彈性段求出；也可以在彈性段用秒表計時方法計算出。當(dāng)然，如果配有試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可更方便地計算出，有的試驗軟件則可自動計算出系統(tǒng)柔度。用式測試系統(tǒng)柔度時，可使用平時試驗量較大的試樣，重復(fù)測試次數(shù)不少于10次，取平均值即可。2.5.2 K值測定舉例例1 GALDABINI SUN 100 電子萬能材料試驗機(jī)特定條件下的K值測定特定條件：室溫， 液壓楔型夾具， Lc70mm， S0325.2mm2, E=210000, 設(shè)定V=0.083mm/s，測定的彈性階段應(yīng)力速率和利用（13）式計算的K值的結(jié)果見表3。表3 SUN 100 試驗機(jī)K值測定結(jié)果試樣號12345678910

14、實測（N/ mm2）11.1011.5312.6610.2711.5813.5412.8413.1412.9411.09K計算（mm / N×10-5）2.192.111.912.382.101.781.891.841.872.20K平均（mm / N×10-5）2.06例2 SCHENCK RBO 600 電液伺服萬能材料試驗機(jī)特定條件下的K值測定特定條件：室溫， 液壓平推夾具， Lc82mm， E=210000, V=0.083mm/s，測定的彈性階段應(yīng)力速率和利用（13）式計算K值的結(jié)果見表4。表4 SCHENCK RBO 600 試驗機(jī)K值測定結(jié)果試樣號123456

15、78910S0測定（mm2）227.3252.8233.2241.2236.8226.4237.1236.0226.2232.4實測（N/ mm2）52.348.349.748.050.251.149.250.449.951.2K計算（mm / N×10-65.265.255.495.555.335.455.475.335.635.30K平均（mm / N×10-6）5.413 應(yīng)用中的注意事項3.1橫梁固定的試驗系統(tǒng)，測得的柔度與夾具類型和試樣尺寸有關(guān)；靠橫梁移動對試樣加載的試驗系統(tǒng)，測得的柔度不僅受上述因素影響，還與橫梁即時位置或者說與立柱長度變化有關(guān)，K值變化較大。因

16、此，對于使用不同類型夾具和試樣尺寸差別較大時，應(yīng)分別測定不同情況下的K值，再加以應(yīng)用。用本文介紹的方法測定的系統(tǒng)柔度，包含了試樣平行部分以外的尺寸、幾何形狀等因素。3.2 因楔型夾具有其自身的特點，用位移控制時，線彈性段的應(yīng)力速率不是恒定而是逐漸升高的，本文使用楔型夾具時測定的應(yīng)力速率是平均應(yīng)力速率。3.3沒有臺肩的剖條試樣使用本方法時，速度控制誤差波動較大。因為這時試樣的平行長度不易確定，即使取兩夾頭中間的距離為試樣的平行長度，但靠近平行部分的夾持部位也有變形。4 結(jié)果與討論4.1用全程位移控制法可以間接實現(xiàn)應(yīng)力與應(yīng)變速率的控制。給定一個期望的應(yīng)力速率，可以計算出位移速率V（Lc/E+K S0）；給定一個期望的應(yīng)變速率，可以計算出位移速率VLc。4.2本方法僅僅是一種近似方法，對經(jīng)常使用的幾種夾具或幾種試樣，可以事先測定不同情況的系統(tǒng)K值，做成速查表或編成不同的試驗?zāi)Ｐ鸵怨┦褂脮r查詢或調(diào)用，尤其適用于頻數(shù)較高的生產(chǎn)檢