材料屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度）的含義

源科

試驗(yàn)人員的影響:
, B6 e$ G- `4 G/ v       在試驗(yàn)設(shè)備已確定的情況下,，試驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)劣就完全取決于試驗(yàn)人員的綜合素質(zhì)。目前我國(guó)材料試驗(yàn)機(jī)的操作人員綜合素質(zhì)普遍不高，專業(yè)知識(shí)與理論水平普遍較為欠缺,，再加上新概念,、新名詞的不斷出現(xiàn),，使他們很難適應(yīng)材料試驗(yàn)的需求,。在材料屈服強(qiáng)度的求
取上常出現(xiàn)如下的問題：
# E5 C9 A8 o8 M+ U1,、將非比例應(yīng)力與屈服混為一談
雖然非比例應(yīng)力與屈服都是反應(yīng)材料彈性階段與塑性階段的過渡狀態(tài)的指標(biāo)，但兩者有著本質(zhì)的不同,。屈服是材料固有的性能,，而非比例應(yīng)力是通過人為規(guī)定的條件計(jì)算的結(jié)果，當(dāng)材料存在屈服點(diǎn)時(shí)是無(wú)需求取非比例應(yīng)力的,，只有材料沒有明顯的屈服點(diǎn)時(shí)才求取非比例應(yīng)力。部分試驗(yàn)人員對(duì)此理解不深,，以為屈服點(diǎn),、上屈服、下屈服、非比例應(yīng)力對(duì)每一個(gè)試驗(yàn)都存在,，而且需全部求取,。
6 w( k7 @! H/ j4 h( {2 ?( X+ {2、將具有不連續(xù)屈服的趨勢(shì)當(dāng)作具有屈服點(diǎn)
+ ]5 ^4 L0 B" i國(guó)標(biāo)對(duì)屈服的定義指出,，當(dāng)變形繼續(xù)發(fā)生,，而力保持不變或有波動(dòng)時(shí)叫做屈服。但在某些材料中會(huì)發(fā)生這樣一種現(xiàn)象,，雖然變形繼續(xù)發(fā)生,，力值也繼續(xù)增大，但力值的增大幅度卻發(fā)生了由大到小再到大的過程,。從曲線上看,，有點(diǎn)象產(chǎn)生屈服的趨勢(shì)，但并不符合屈服時(shí)力值恒定的定義,。正如在第三類影響中提到的,，由于對(duì)“力值恒定”的條件沒有定量的指標(biāo)規(guī)定，這時(shí)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生這一現(xiàn)象是否是屈服,，屈服值如何求取等問題的爭(zhēng)論,。
3、將金屬材料的屈服點(diǎn)與塑料類的屈服點(diǎn)混淆
) Y# G2 D' I% |; Y% w% `# F由于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服、上屈服,、下屈服的概念,。而塑料只定義有屈服的概念。另外,，金屬材料的屈服強(qiáng)度一定小于極限強(qiáng)度,，而塑料的屈服可能小于極限強(qiáng)度，也可能等于極限強(qiáng)度(兩者在曲線上為同一點(diǎn)),。由于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的不熟悉,，往往在試驗(yàn)結(jié)果的輸出方面產(chǎn)生一些不應(yīng)有的錯(cuò)誤，如將塑料的屈服概念(上屈服)作為金屬材料的屈服概念(一般為下屈服)輸出,，或?qū)�無(wú)屈服的金屬材料的最大強(qiáng)度按塑料的屈服強(qiáng)度定義類推作為金屬材料的屈服值輸出,，產(chǎn)生金屬材料屈服值與最大值相一致的笑話。
0 L/ S, T% h& w1 k+ V4 U一切的產(chǎn)品與設(shè)備都是由各種不同性能的材料構(gòu)成,，它們?cè)谑褂弥袝?huì)受到各種各樣的外力作用,，自然就會(huì)產(chǎn)生各種各樣的變形，,，但這種變形必須被限制在彈性范圍之內(nèi),，否則產(chǎn)品的形狀將會(huì)發(fā)生永久變化,，影響繼續(xù)使用，設(shè)備的形狀也將發(fā)生變化,，輕則造成加工零部件精度等級(jí)下降,，重則造成零部件報(bào)廢，產(chǎn)生重大的質(zhì)量事故,。那么如何確保變形是在彈性范圍內(nèi)呢,？從上面的分析已知材料的變形分為彈性變形與塑性變形兩個(gè)階段，只要找出這兩個(gè)階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn),，工程設(shè)計(jì)人員就可確保產(chǎn)品與設(shè)備的可靠運(yùn)行,。
0 Y0 v( `& ]5 n" m由于材料種類繁多，性能差異很大,，彈性階段與塑性階段的過渡情況很復(fù)雜,，通過對(duì)已知材料的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)與理論分析，人們總結(jié)出了采用屈服點(diǎn),、非比例應(yīng)力和殘余應(yīng)力等指標(biāo)作為材料彈性階段與塑性階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的指標(biāo)來(lái)反應(yīng)材料的過渡過程的性能,，其中屈服點(diǎn)與非比例應(yīng)力是最常用的指標(biāo)。雖然屈服點(diǎn)與非比例應(yīng)力同是反應(yīng)材料彈性階段與塑性階段“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”的指標(biāo),，但它們反應(yīng)了不同過渡階段特性的材料的特點(diǎn),，因此它們的定義不同，求取方法不同,，所需設(shè)備也不完全相同,。因此筆者將分別對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。本文首先分析屈服點(diǎn)的情況：
       從上面的描述,，可以看出準(zhǔn)確求取屈服點(diǎn)在材料力學(xué)性能試驗(yàn)中是非常重要的,，在許多的時(shí)候，它的重要性甚至大于材料的極限強(qiáng)度值（極限強(qiáng)度是所有材料力學(xué)性能必需求取的指標(biāo)之一）,，然而非常準(zhǔn)確的求取它,，在許多的時(shí)候又是一件不太容易的事。它受到許多因素的制約,，歸納起來(lái)有：
- x/ |1 h- C  ^/ h& \% nØ 夾具的影響,；
Ø 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控環(huán)節(jié)的影響；
Ø 結(jié)果處理軟件的影響,；
- B  a  @( e' {7 dØ 試驗(yàn)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面。下面逐一進(jìn)行分析
, D! X. B# ^. F9 G; _一,、夾具的影響：
' o' g) o$ w) m9 y3 q) B這類影響在試驗(yàn)中發(fā)生的機(jī)率較高,，主要表現(xiàn)為試樣夾持部分打滑或試驗(yàn)機(jī)某些力值傳遞環(huán)節(jié)間存在較大的間隙等因素，它在舊機(jī)器上出現(xiàn)的概率較大,。由于機(jī)器在使用一段時(shí)間后,，各相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件間會(huì)產(chǎn)生磨損現(xiàn)象,，使得摩擦系數(shù)明顯降低,，最直觀的表現(xiàn)為夾塊的鱗狀尖峰被磨平,，摩擦力大幅度的減小。當(dāng)試樣受力逐漸增大達(dá)到最大靜摩擦力時(shí),，試樣就會(huì)打滑,，從而產(chǎn)生虛假屈服現(xiàn)象。如果以前使用該試驗(yàn)機(jī)所作試驗(yàn)屈服值正常,，而現(xiàn)在所作試驗(yàn)屈服值明顯偏低,，且在某些較硬或者較脆的材料試驗(yàn)時(shí)現(xiàn)象尤為明顯，則一般應(yīng)首先考慮是這一原因,。這時(shí)需及時(shí)進(jìn)行設(shè)備的大修,，消除間隙，更換夾塊,。
) D; l4 W/ S1 s# H. {* |+ \: F任何的材料在受到外力作用時(shí)都會(huì)產(chǎn)生變形,。在受力的初始階段，一般來(lái)說這種變形與受到的外力基本成線性的比例關(guān)系,，這時(shí)若外力消失,，材料的變形也將消失，恢復(fù)原狀,，這一階段通常稱為彈性階段,，物理學(xué)中的虎克定律，就是描述這一特性的基本定律,。但當(dāng)外力增大到一定程度后,，變形與受到的外力將不再成線性比例關(guān)系，這時(shí)當(dāng)外力消失后,，材料的變形將不能完全消失,，外型尺寸將不能完全恢復(fù)到原狀，這一階段稱為塑性變形階段,。
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試驗(yàn)機(jī)測(cè)控環(huán)節(jié)的影響:
* Z" o7 l8 w' d2 Q1 U6 G6 P       試驗(yàn)機(jī)測(cè)控環(huán)節(jié)是整個(gè)試驗(yàn)機(jī)的核心,，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前這一環(huán)節(jié)基本上采用了各種電子電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)控,。由于自動(dòng)測(cè)控知識(shí)的深?yuàn)W,，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，原理的不透明,，一旦在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中考慮不周,，就會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，并且難以分析其原因,。針對(duì)材料屈服點(diǎn)的求取最主要的有下列幾點(diǎn)：
& Y+ P* |0 h$ N9 F% l" J" X- E( @5 \1,、傳感器放大器頻帶太窄
       由于目前試驗(yàn)機(jī)上所采用的力值檢測(cè)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(hào)輸出類型，在使用中必須進(jìn)行信號(hào)放大,。眾所周知,，在我們的環(huán)境中，存在著各種各樣的電磁干擾信號(hào),，這種干擾信號(hào)會(huì)通過許多不同的渠道偶合到測(cè)量信號(hào)中一起被放大,，結(jié)果使得有用信號(hào)被干擾信號(hào)淹沒。為了從干擾信號(hào)中提取出有用信號(hào),，針對(duì)材料試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn),，一般在放大器中設(shè)置有低通濾波器。合理的設(shè)置低通濾波器的截止頻率,，將放大器的頻帶限制在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶�,，就能使試�?yàn)機(jī)的測(cè)量控制性能得到極大的提高。然而在現(xiàn)實(shí)中,，人們往往將數(shù)據(jù)的穩(wěn)定顯示看的非常重要,，而忽略了數(shù)據(jù)的真實(shí)性，將濾波器的截止頻率設(shè)置的非常低,。這樣在充分濾掉干擾信號(hào)的同時(shí),，往往把有用信號(hào)也一起濾掉了。在日常生活中,，我們常見的電子秤,，數(shù)據(jù)很穩(wěn)定，其原因之一就是它的頻帶很窄,，干擾信號(hào)基本不能通過,。這樣設(shè)計(jì)的原因是電子秤稱量的是穩(wěn)態(tài)信號(hào)，對(duì)稱量的過渡過程是不關(guān)心的,，而材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)量的是動(dòng)態(tài)信號(hào),，它的頻譜是非常寬的，若頻帶太窄,，較高頻率的信號(hào)就會(huì)被衰減或?yàn)V除,，從而引起失真。對(duì)于屈服表現(xiàn)為力值多次上下波動(dòng)的情況,，這種失真是不允許的,。就萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)而言，筆者認(rèn)為這一頻帶最小也應(yīng)大于10HZ,，最好達(dá)到30HZ,。在實(shí)際中，有時(shí)放大器的頻帶雖然達(dá)到了這一范圍,，但人們往往忽略了A/D轉(zhuǎn)換器的頻帶寬度,，以至于造成了實(shí)際的頻帶寬度小于設(shè)置頻寬,。以眾多的試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用的AD7705、AD7703,、AD7701等為例,。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器以“最高輸出數(shù)據(jù)速率4KHZ”運(yùn)行時(shí)，它的模擬輸入處理電路達(dá)到最大的頻帶寬度10HZ,。當(dāng)以試驗(yàn)機(jī)最常用的100HZ的輸出數(shù)據(jù)速率工作時(shí),，其模擬輸入處理電路的實(shí)際帶寬只有0.25HZ，這會(huì)把很多的有用信號(hào)給丟失,，如屈服點(diǎn)的力值波動(dòng)等。用這樣的電路當(dāng)然不能得到正確的試驗(yàn)結(jié)果,。
! d! h. q8 ~- J. J2,、數(shù)據(jù)采集速率太低
       目前模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集是通過A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多,，但在試驗(yàn)機(jī)上采用最多的是∑－△型A/D轉(zhuǎn)換器,。這類轉(zhuǎn)換器使用靈活，轉(zhuǎn)換速率可動(dòng)態(tài)調(diào)整,，既可實(shí)現(xiàn)高速低精度的轉(zhuǎn)換,，又可實(shí)現(xiàn)低速高精度的轉(zhuǎn)換。在試驗(yàn)機(jī)上由于對(duì)數(shù)據(jù)的采集速率要求不是太高,，一般達(dá)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(zhuǎn)換速率，以實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量精度,。但在某些廠家生產(chǎn)的試驗(yàn)機(jī)上,，為了追求較高的采樣分辨率，以及極高的數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定性,，而將采樣速度降的很低,，這是不可取的。因?yàn)楫?dāng)采樣速度很低時(shí),，對(duì)高速變化的信號(hào)就無(wú)法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集,。例如金屬材料性能試驗(yàn)中，當(dāng)材料發(fā)生屈服而力值上下波動(dòng)時(shí)信號(hào)變化就是如此,，以至于不能準(zhǔn)確的求出上下屈服點(diǎn),，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，結(jié)果丟了西瓜,，撿了芝麻,。
　　　 那么如何判斷一個(gè)系統(tǒng)的頻帶寬窄以及采樣速率的高低呢？
: k3 v" l7 ?( i4 t/ E8 f8 ^) X嚴(yán)格來(lái)說這需要許多的專用測(cè)試儀器及專業(yè)人員來(lái)完成,。但通過下面介紹的簡(jiǎn)單方法,，可做出一個(gè)定性的認(rèn)識(shí),。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的采樣分辨率達(dá)到幾萬(wàn)分之一以上，而顯示數(shù)據(jù)依然沒有波動(dòng)或顯示數(shù)據(jù)具有明顯的滯后感覺時(shí),，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(chǎng)合（如：校驗(yàn)試驗(yàn)機(jī)力值精度的高精度標(biāo)定儀），否則在試驗(yàn)機(jī)上是不可使用的,。
7 J4 ?! l5 O& d" }' z3 N3,、控制方法使用不當(dāng)
5 x  g: J1 {3 G' ]　　　　針對(duì)材料發(fā)生屈服時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系（發(fā)生屈服時(shí)，應(yīng)力不變或產(chǎn)生上下波動(dòng),，而應(yīng)變則繼續(xù)增大）國(guó)標(biāo)推薦的控制模式為恒應(yīng)變控制,，而在屈服發(fā)生前的彈性階段控制模式為恒應(yīng)力控制，這在絕大多數(shù)試驗(yàn)機(jī)及某次試驗(yàn)中是很難完成的,。因?yàn)樗�要求在剛出現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)改變控制模式,，而試驗(yàn)的目的本身就是為了要求取屈服點(diǎn)，怎么可能以未知的結(jié)果作為條件進(jìn)行控制切換呢,？所以在現(xiàn)實(shí)中,，一般都是用同一種控制模式來(lái)完成整個(gè)的試驗(yàn)的（即使使用不同的控制模式也很難在上屈服點(diǎn)切換，一般會(huì)選擇超前一點(diǎn)）,。對(duì)于使用恒位移控制（速度控制）的試驗(yàn)機(jī),，由于材料在彈性階段的應(yīng)力速率與應(yīng)變速率成正比關(guān)系，只要選擇合適的試驗(yàn)速度,，全程采用速度控制就可兼容兩個(gè)階段的控制特性要求,。但對(duì)于只有力控制一種模式的試驗(yàn)機(jī)，如果試驗(yàn)機(jī)的響應(yīng)特別快（這是自動(dòng)控制努力想要達(dá)到的目的）,，則屈服發(fā)生的過程時(shí)間就會(huì)非常短,，如果數(shù)據(jù)采集的速度不夠高，則就會(huì)丟失屈服值（原因第2點(diǎn)已說明）,，優(yōu)異的控制性能反而變成了產(chǎn)生誤差的原因,。所以在選擇試驗(yàn)機(jī)及控制方法時(shí)最好不要選擇單一的載荷控制模式。
8 o$ w* w* a, S* r5 w3 Z結(jié)果處理軟件的影響:
- G: Z; n* M& C. G- ]' h, y8 s/ u       目前生產(chǎn)的試驗(yàn)機(jī)絕大部分都配備了不同類型的計(jì)算機(jī)（如PC機(jī),，單片機(jī)等））,，以完成標(biāo)準(zhǔn)或用戶定義的各類數(shù)據(jù)測(cè)試。與過去廣泛采用的圖解法相比有了非常大的進(jìn)步,。然而由于標(biāo)準(zhǔn)的滯后,，原有的部分定義，就顯得不夠明確,。如屈服點(diǎn)的定義,，只有定性的解釋，而沒有定量的說明，很不適應(yīng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理的需求,。這就造成了：
$ A* d6 H; E2 F6 \. G1,、判斷條件的各自設(shè)定
　　　　就屈服點(diǎn)而言（以金屬拉伸GB/T　228-2002為例）標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的：
　“4.9.2屈服強(qiáng)度：當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn),，應(yīng)區(qū)分上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度,。
4 \( |* ~9 `  s4.9.2.1上屈服強(qiáng)度：試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高應(yīng)力。
4.9.2.2下屈服強(qiáng)度：在屈服期間,，不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最低應(yīng)力,。”
這個(gè)定義在過去使用圖解法時(shí)一般沒有什么疑問,，但在今天使用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)時(shí)就產(chǎn)生了問題,。
/ |3 f2 @; I; Z. Yu     屈服強(qiáng)度的疑問：如何理解“塑性變形發(fā)生而力不增加（保持恒定）”？由于各種干擾源的存在,，即使材料在屈服階段真的力值保持絕對(duì)恒定(這是不可能的),，計(jì)算機(jī)所采集的數(shù)據(jù)也不會(huì)絕對(duì)保持恒定，這就需要給出一個(gè)允許的數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍,，由于國(guó)標(biāo)未作定義，所以各個(gè)試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)廠家只好自行定義,。由于條件的不統(tǒng)一,，所求結(jié)果自然也就有所差異。
' ]7 I* C0 Y( X  bu     上下屈服強(qiáng)度的疑問：若材料出現(xiàn)上下屈服點(diǎn),，則必然出現(xiàn)力值的上下波動(dòng),，但這個(gè)波動(dòng)的幅度是多少呢？國(guó)標(biāo)未作解釋,，若取的太小,，可能將干擾誤求為上下屈服點(diǎn)，若取得太大,，則可能將部分上下屈服點(diǎn)丟失,。目前為了解決這一難題，各廠家都想了許多的辦法,，如按材料進(jìn)行分類定義“誤差帶”及“波動(dòng)幅度”,，這可以解決大部分的使用問題。但對(duì)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(dòng)幅度”設(shè)計(jì)為用戶自定義參數(shù),，這從理論上解決了問題，但對(duì)使用者卻提出了極高的要求,。
2,、對(duì)下屈服點(diǎn)定義中“不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)”的誤解
       什么叫“初始瞬時(shí)效應(yīng)”？它是如何產(chǎn)生，是否所有的試驗(yàn)都存在,？這些問題國(guó)標(biāo)都未作解釋,。所以在求取下屈服強(qiáng)度時(shí)絕大多數(shù)的情況都是丟掉了第一個(gè)“下峰點(diǎn)”的。筆者經(jīng)過多方查閱資料,，了解到“初始瞬時(shí)效應(yīng)”是早期生產(chǎn)的通過擺錘測(cè)力的試驗(yàn)機(jī)所特有的一種現(xiàn)象,，其原因是“慣性”作用的影響。既然不是所有的試驗(yàn)機(jī)都存在初始瞬時(shí)的效應(yīng),，所以在求取結(jié)果時(shí)就不能一律丟掉第一個(gè)下峰點(diǎn),。但事實(shí)上，大部分的廠家的試驗(yàn)機(jī)處理程序都是丟掉了第一個(gè)下峰點(diǎn)的,。
    拉力試驗(yàn)機(jī),，金屬拉力試驗(yàn)機(jī)，塑料拉力試驗(yàn)機(jī),，橡膠拉力試驗(yàn)機(jī),，電線拉力試驗(yàn)機(jī)，薄膜拉力試驗(yàn)機(jī),，端子拉力試驗(yàn)機(jī),，彈簧試驗(yàn)機(jī)，鋁塊（鋁棒）拉力試驗(yàn)機(jī),，萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)等,。
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