牟 遇，張愛華，王 平，朱 亮，祁 靖

(1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730050)

0 引言

焊接接頭的力學(xué)性能不均勻?qū)宇^承載能力有復(fù)雜的影響，用有限元法對接頭進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析時(shí)，需要輸入各個(gè)區(qū)域的強(qiáng)度，其中最基本的參數(shù)為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度[1]。另外，鋼的本構(gòu)性能會根據(jù)時(shí)效、服役載荷、脆化、輻照等因素而發(fā)生變化[2]，工程上需定期測定現(xiàn)役設(shè)備危險(xiǎn)部位的局部強(qiáng)度，以便對其承載能力和安全可靠性進(jìn)行評定。目前，標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)已經(jīng)建立較為完善的理論與試驗(yàn)體系，并已編纂成為標(biāo)準(zhǔn)[3]。但該方法制備試樣復(fù)雜，無法現(xiàn)場測試，且成本較高，不便推廣[4]。為了尋求能準(zhǔn)確測定材料局部強(qiáng)度的現(xiàn)場試驗(yàn)方法，本課題組已進(jìn)行了許多研究，并提出了雙孔微剪切法[5]。這種方法無需制備試樣，直接在被測材料區(qū)域打兩盲孔，進(jìn)行剪切試驗(yàn)，通過測試兩孔間材料的荷載位移試驗(yàn)曲線來分析局部強(qiáng)度，已驗(yàn)證可作為現(xiàn)場試驗(yàn)手段之一[6]。但通過進(jìn)一步試驗(yàn)與研究發(fā)現(xiàn)，雙孔微剪切試驗(yàn)裝置剛性不足，且穩(wěn)定性較差，增加了一定的試驗(yàn)誤差。更重要的是，測定局部強(qiáng)度的計(jì)算過程較為繁雜，且因沒有考慮雙孔之間材料的厚度對試驗(yàn)曲線的影響，使得測定誤差較大。因此，為減少試驗(yàn)誤差，重新研制可平穩(wěn)加載的雙孔裝置，并搭建LabVIEW控制采集系統(tǒng)。鑒于孔間厚度的微小變化對荷載位移曲線具有明顯可測的影響這一實(shí)質(zhì)，建立涉及厚度值的歸一化參數(shù)與局部強(qiáng)度參數(shù)的相關(guān)性，提出直接根據(jù)雙孔荷載位移試驗(yàn)曲線的特征值和孔間材料的厚度值一同求取12Cr13、S31608和16 Mn局部強(qiáng)度參數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)金屬材料的局部強(qiáng)度更簡單、更準(zhǔn)確地測定。

1 雙孔試驗(yàn)原理和試驗(yàn)裝置

1.1 雙孔微剪切試驗(yàn)原理

雙孔微剪切試驗(yàn)原理示意圖如圖1(a)所示，它是直接在被測材料上鉆3個(gè)盲孔(φ6 mm，深5 mm)，且孔的中心線保持在同一平面。第一個(gè)孔是固定孔，用于固定專用的試驗(yàn)裝置。第二個(gè)孔和第三個(gè)孔為測試孔，試驗(yàn)裝置中的剪切壓頭利用杠桿原理對測試孔間材料施加荷載，使測試孔之間的材料發(fā)生剪切變形直到斷裂。荷載傳感器和位移傳感器記錄整個(gè)剪切過程中的荷載、位移數(shù)據(jù)。

從動(dòng)支架及擺桿的受力模型如圖1(b)所示，從動(dòng)支架及擺桿的設(shè)計(jì)尺寸已知，LAB=115.9 mm，LAC=158.3 mm。另外，F(xiàn)A的反作用力也已知，為荷載傳感器檢測值。則根據(jù)力學(xué)平衡關(guān)系式：

圖1 雙孔微剪切試驗(yàn)方法

FA+FC=FBFB*LAB=FC*LAC

(1)

可以計(jì)算得到剪切壓頭施加在被測材料上的荷載FC，而位移傳感器的檢測數(shù)據(jù)去除掉傳感器探頭的初始安裝距離，就為材料的變形位移。由此，可以得到被測區(qū)域在荷載作用下的變形情況—荷載位移曲線。在加載過程中，變形集中在壓頭下的區(qū)域，對應(yīng)的荷載位移曲線只反映被測區(qū)域的力學(xué)性能。分析微剪切過程中的荷載位移曲線，可以得到屈服載荷和最大載荷，由此實(shí)現(xiàn)金屬材料局部強(qiáng)度的準(zhǔn)確測定。

1.2 試驗(yàn)裝置

雙孔微剪切試驗(yàn)新裝置的剖面圖和實(shí)物圖如圖2所示，剛性較好且加載過程穩(wěn)定，從而減少裝置對試驗(yàn)結(jié)果的影響。相比較文獻(xiàn)[7]中的裝置，它將支爪拆除，加載方式由剪切加載改為彎曲剪切加載，固定柱承載裝置的所有部件。裝置部件主要包括帶減速的直流電機(jī)，凸輪，荷載傳感器、電渦流位移傳感器、從動(dòng)輪和剪切壓頭。從圖2可以看到，剪切壓頭與從動(dòng)支架及擺桿是一個(gè)整體，所以非接觸式測量從動(dòng)支架及擺桿的移動(dòng)距離也等同于檢測剪切壓頭的移動(dòng)距離，且位移傳感器探頭與剪切壓頭的安裝位置相距一定的距離，若切屑時(shí)產(chǎn)生粉末，也并不會影響位移傳感器的檢測精度。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪將旋轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)換為平移輸出，凸輪進(jìn)程設(shè)計(jì)為1.5 mm。因荷載傳感器連接部件與凸輪外殼上端配合而形成的鉸鏈的存在，再借助從動(dòng)輪迫使從動(dòng)支架及擺桿圍繞荷載傳感器的接觸點(diǎn)向右擺動(dòng)，從而帶動(dòng)剪切壓頭對被測材料施加荷載，實(shí)現(xiàn)加載。根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度小于5°可近似為直線運(yùn)動(dòng)的原則，上述加載過程可近似為直線加載剪切，因?yàn)橛捎?jì)算可知，此處設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)角度不超過1°(tanθ=1.5/158.3)。壓頭由碳化鎢制成，保證了低變形、高強(qiáng)度，寬度為1 mm。整個(gè)裝置的尺寸為：46 mm*210 mm*40 mm，易于操作且便攜。

圖2 雙孔微剪切試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 試樣制備和厚度測量

試驗(yàn)材料選用工程上常用的3種鋼材料，馬氏體不銹鋼12Cr13、奧氏體不銹鋼S31608、高強(qiáng)度低合金鋼16 Mn。材料制備的試樣如圖3所示，每種材料共有12組，正反各6組，每組3個(gè)孔?？變?nèi)表面進(jìn)行統(tǒng)一打磨，消除鉆孔對被測材料的影響，且保證摩擦系數(shù)統(tǒng)一為μ=0.8。每組中測試孔間材料的厚度t均不相同，在0.3～0.6 mm之間。在試驗(yàn)前，使用分度值0.001的工具顯微鏡進(jìn)行測量，分別選取7組，厚度值如表1所示。

表1 試樣孔間材料的厚度值

圖3 試樣實(shí)物圖

2 測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

整套系統(tǒng)以同步數(shù)據(jù)采集卡為數(shù)據(jù)采集和控制的核心，由采集卡負(fù)責(zé)兩路傳感器數(shù)據(jù)的同步采集，以及對直流減速電機(jī)運(yùn)行或停止的控制。硬件主要包括：采集卡、荷載傳感器、位移傳感器、直流減速電機(jī)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊、電源和薄膜開關(guān)等。硬件系統(tǒng)的接線原理圖如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)的原理接線圖

其中，荷載傳感器選用DYZ-101柱式稱重壓力傳感器，測量精度為0.05%，輸出信號經(jīng)由荷載變送器后為±5 V電壓信號輸出。它可以用來檢測壓力或拉力，壓力為“+”，拉力為“-”，本文裝置中用于檢測拉力(FA的反作用力)。位移傳感器選用SE990分體式電渦流傳感器，分為探頭和分置器兩部分，可實(shí)現(xiàn)壓頭位移的非接觸精確測量，靈敏度誤差為0.1%。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，IN1、IN2為電機(jī)運(yùn)行或制動(dòng)的控制端口，PWM端口可外接PWM，用于調(diào)速，也可直接置以高電平，實(shí)現(xiàn)全速運(yùn)轉(zhuǎn)。若IN1、IN2、PWM為“1、0、1”，則電機(jī)全速正轉(zhuǎn)，若為“0、0、×”，則制動(dòng)。采集卡選用恒凱_USB6202，它具有4路16位模擬同步采集通道，軟件選擇±10 V/±5 V兩檔量程。該系統(tǒng)使用DA1采集荷載信號，DA2采集位移信號，數(shù)據(jù)由USB總線傳送給便攜電腦。同時(shí)，該采集卡也具備16路數(shù)字輸入/輸出口，薄膜開關(guān)的啟動(dòng)/停止信號由采集卡的數(shù)字輸入口DI4、DI6輸入，電機(jī)的控制信號由采集卡的數(shù)字輸出口DO6、DO7、DO8輸出，DO2、DO3輸出指示燈的控制信號。

2.2 LabVIEW軟件設(shè)計(jì)

隨著測試技術(shù)不斷發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器技術(shù)普遍應(yīng)用于測試領(lǐng)域。LabVIEW是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，它的基本程序單位是VI，其用戶界面友好[8]，將其運(yùn)用于雙孔微剪切試驗(yàn)中，可方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和記錄。系統(tǒng)使用LabVIEW編程語言，多次調(diào)用DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫，實(shí)現(xiàn)按鍵對裝置運(yùn)行的控制，以及對荷載、位移信號的同步采集、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲，并生成動(dòng)態(tài)曲線，便于直觀了解數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。測控流程圖如圖5所示。

圖5 LabVIEW程序流程圖

LabVIEW主要程序框圖如圖6所示，首先調(diào)用庫函數(shù)“openUSB”，連接板卡。然后調(diào)用“Read_Port_In”函數(shù)，讀入16位開關(guān)量輸入，每隔100 ms檢測采集卡的數(shù)字輸入口DI4是否有信號。若有信號，則啟動(dòng)條件結(jié)構(gòu)中嵌套的三層順序結(jié)構(gòu)。“ad_continu_conf”函數(shù)主要參數(shù)有num_ch(通道數(shù))、ad_range(量程設(shè)置，設(shè)置為±5V)、Rate_Sample(采樣頻率)等，需要事先給定參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)連續(xù)采集?！癝et_Port_Out”函數(shù)可使得out_port參數(shù)的16位數(shù)據(jù)中為“1”的位對應(yīng)的輸出口置高電平，為“0”的位對應(yīng)輸出口不變化，16位數(shù)據(jù)分別對應(yīng)15～0號16個(gè)輸出口。同理，“Reset_Port_Out”函數(shù)使得為“1”的位對應(yīng)的輸出口置低電平，為“0”的位對應(yīng)輸出口不變化。因此，該LabVIEW程序中使用函數(shù)“Set_Port_Out”函數(shù)和“Reset_Port_Out”函數(shù)傳達(dá)電機(jī)和指示燈控制信號指令。另外，利用循環(huán)結(jié)構(gòu)可設(shè)定電機(jī)運(yùn)行和采集的時(shí)間，使得一次雙孔微剪切試驗(yàn)完成后，試驗(yàn)機(jī)構(gòu)與采集程序自動(dòng)停止。其中，也涉及到局部變量的建立和調(diào)用，提高了運(yùn)行效率。最后，調(diào)用函數(shù)“Read_AdBuf”讀取緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，通過創(chuàng)建數(shù)組、捆綁、波形圖、寫入電子表格等控件，完成數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)顯示和儲存。

圖6 LabVIEW主要程序框圖

試驗(yàn)進(jìn)行前，需要進(jìn)行相關(guān)參數(shù)預(yù)設(shè)，采樣頻率2 500 Hz，采集時(shí)間4 s，電機(jī)運(yùn)行時(shí)間4 s，給定數(shù)據(jù)存儲位置。試驗(yàn)完成后，LabVIEW前面板如圖7所示，顯示荷載、位移兩路數(shù)據(jù)。其中，在2.05 S時(shí)，被測材料被完全破壞，位移達(dá)到最大，材料處于卸載狀態(tài)，所以荷載值為0。在圖7中可以看到，前面板設(shè)有虛擬啟動(dòng)/停止按鈕和兩個(gè)指示燈，可直接在LabVIEW交互界面實(shí)現(xiàn)控制與顯示，其與實(shí)物按鍵和指示燈功能相同。

圖7 LabVIEW前面板

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)曲線

試驗(yàn)進(jìn)行前，將圖2的試驗(yàn)裝置中的固定柱放入試樣的固定孔內(nèi)，將剪切壓頭放在第二個(gè)孔中，然后進(jìn)行參數(shù)預(yù)設(shè)。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，按下啟動(dòng)開關(guān)，裝置運(yùn)行，測試孔間的材料上被施加一定的荷載，材料依次發(fā)生彎曲、剪切變形、斷裂。在保證孔內(nèi)摩擦系數(shù)、溫度、壓頭切入深度等條件相同的情況下，共進(jìn)行21組試驗(yàn)，每種材料各獲取7組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。雙孔微剪切試驗(yàn)完成后的試驗(yàn)現(xiàn)象如圖8所示。

圖8 雙孔微剪切試驗(yàn)現(xiàn)象

對荷載傳感器和位移傳感器記錄的整個(gè)剪切過程中的荷載、位移數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、荷載、位移換算等處理，可得到雙孔微剪切試驗(yàn)的荷載位移曲線，現(xiàn)以孔間厚度0.395 mm的S31608試驗(yàn)材料為例，試驗(yàn)曲線如圖9所示。對試樣進(jìn)行卸載觀察，可以發(fā)現(xiàn)，在加載過程中，被測量區(qū)域的材料要經(jīng)歷4個(gè)階段的變形過程。第一階段，彈性彎曲和剪切變形，只有壓頭附近的一小部分被測材料發(fā)生彈性變形；第二階段，彈塑性彎曲和剪切變形，被測材料的邊緣發(fā)生少量的塑性變形；第三階段，呈現(xiàn)非線性關(guān)系，被測材料開始屈服，塑性區(qū)不斷擴(kuò)大直到貫穿整個(gè)剪切面；第四階段，荷載持續(xù)增加，達(dá)到最大值Pm時(shí)，壓頭切入被測材料。最大荷載值之后，加載面積迅速減小，導(dǎo)致承載能力迅速下降。裂紋首先出現(xiàn)在壓頭附近，并繼續(xù)擴(kuò)展，直到被測材料完全斷裂。

圖9 荷載—位移曲線

3.2 孔間厚度對荷載位移曲線的影響

分別對馬氏體不銹鋼12Cr13、奧氏體不銹鋼S31608、高強(qiáng)度低合金鋼16 Mn三種材料的7組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并去除最大荷載值以后的數(shù)據(jù)，得到每種材料不同孔間厚度下的荷載位移試驗(yàn)曲線，如圖10所示，以此說明孔間厚度對同一材料的雙孔荷載位移曲線的影響。

圖10 不同孔間厚度下的荷載—位移曲線

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，孔間材料的厚度不同，則雙孔微剪切的荷載位移曲線不同，其中也就包括雙孔法里自定義的一些特征值大小的不同，比如，雙孔試驗(yàn)曲線彈性階段的斜率、塑性位移量等于孔間厚度的0.2%處的荷載為屈服載荷Py、最大荷載值為最大載荷Pm[5]。試驗(yàn)結(jié)果說明，孔間材料厚度的微小變化對荷載位移曲線具有明顯可測的影響，且隨著孔間材料厚度的增大，材料同一相對錯(cuò)動(dòng)位移值所對應(yīng)的荷載也呈現(xiàn)增大趨勢。因此，若不考慮孔間厚度t對雙孔試驗(yàn)曲線或特征值的影響，則僅根據(jù)雙孔屈服載荷、最大載荷求取屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的方法可能存在較大誤差。

3.3 歸一化參數(shù)與局部強(qiáng)度參數(shù)關(guān)系

按照文獻(xiàn)[5]的方法，得到雙孔試驗(yàn)曲線的特征值—屈服載荷Py和最大載荷Pm，如表2、表3所示。為了準(zhǔn)確表述孔間厚度與屈服載荷、最大載荷的關(guān)系，將孔間厚度分別與屈服載荷、最大載荷進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖11所示。可以發(fā)現(xiàn)，3種材料的屈服載荷Py、最大載荷Pm與孔間厚度t均成線性關(guān)系。

表2 不同孔間厚度下的屈服載荷

表3 不同孔間厚度下的最大載荷

圖11 厚度與屈服載荷、最大載荷的關(guān)系—3種材料

從實(shí)驗(yàn)的角度看，每個(gè)試樣孔間厚度的微小變化是可以預(yù)期和測量的。在圖10中可以看到，厚度t±0.02 mm的變化都會引起荷載位移曲線的明顯變化。需要足夠重視孔間厚度的影響，才能從試驗(yàn)曲線中獲取盡可能多的性能信息。事實(shí)上，這個(gè)直接影響不可能由任何一個(gè)與t有關(guān)的參數(shù)實(shí)現(xiàn)整條曲線的規(guī)范化[9]。但分析發(fā)現(xiàn)，歸一化參數(shù)Py/t可以合理地避免厚度t對屈服強(qiáng)度σy測定的影響，歸一化參數(shù)Pm/2t可以合理地避免厚度t對抗拉強(qiáng)度σt測定的影響。試驗(yàn)中的Py/t參數(shù)值和Pm/2t參數(shù)值分別如表4和表5所示，保留小數(shù)點(diǎn)后三位，其中σy、σt是標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)測得的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)表4，可以證實(shí)，3種材料均存在σy=αPy/t；根據(jù)表5，可以證實(shí)，3種材料均存在σt=βPm/2t。在文獻(xiàn)[10]中提到，一種合金到另外一種合金的α系數(shù)不會有顯著性變化。在本文研究中可以得到，12Cr13、S31608、16Mn三種材料的α系數(shù)分別為556.9 MPa/(kN/mm)、556.6 MPa/(kN/mm)、555.0 MPa/(kN/mm)；12Cr13、S31608、16 Mn三種材料的β系數(shù)分別為822.0 MPa/(kN/mm)、823.1 MPa/(kN/mm)、802.3 MPa/(kN/mm)。由此，可以合理推測其他金屬材料也存在類似的相關(guān)關(guān)系。即使不足以證明，但至少可以按照上述關(guān)系式，根據(jù)歸一化參數(shù)Py/t、Pm/2t，測定12Cr13、S31608、16 Mn三種材料的局部強(qiáng)度，無需求解較為復(fù)雜的屈服剪應(yīng)力和最大剪應(yīng)力，且有效的解決了孔間厚度t對其局部強(qiáng)度測定的影響。

表4 Py/t歸一化參數(shù)

表5 Pm/2t歸一化參數(shù)

4 結(jié)束語

1)研制雙孔微剪切試驗(yàn)新裝置，開發(fā)基于LabVIEW的測控系統(tǒng)。

2)通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析孔間厚度對荷載位移曲線的影響。試驗(yàn)結(jié)果說明：孔間厚度的微小變化對荷載位移曲線具有明顯可測的影響，且隨著厚度的增大，材料同一相對錯(cuò)動(dòng)位移值所對應(yīng)的荷載也呈現(xiàn)增大趨勢。

3)提出根據(jù)Py/t參數(shù)和Pm/2t參數(shù)確定金屬材料局部強(qiáng)度的方法。引入由試驗(yàn)曲線和孔間厚度共同決定的歸一化參數(shù)，并給出Py/t參數(shù)與屈服強(qiáng)度，Pm/2t參數(shù)與抗拉強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，有效地減小孔間厚度對測定結(jié)果的影響。