牟 遇，張愛(ài)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(duì)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(huì)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(cè)定現(xiàn)役設(shè)備危險(xiǎn)部位的局部強(qiáng)度，以便對(duì)其承載能力和安全可靠性進(jìn)行評(píng)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(wú)法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，且成本較高，不便推廣[4]。為了尋求能準(zhǔn)確測(cè)定材料局部強(qiáng)度的現(xiàn)場(chǎng)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(wú)需制備試樣，直接在被測(cè)材料區(qū)域打兩盲孔，進(jìn)行剪切試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試兩孔間材料的荷載位移試驗(yàn)曲線來(lái)分析局部強(qiáng)度，已驗(yàn)證可作為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段之一[6]。但通過(guò)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(cè)定局部強(qiáng)度的計(jì)算過(guò)程較為繁雜，且因沒(méi)有考慮雙孔之間材料的厚度對(duì)試驗(yàn)曲線的影響，使得測(cè)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(duì)荷載位移曲線具有明顯可測(cè)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(jiǎn)單、更準(zhǔn)確地測(cè)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(cè)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(cè)試孔，試驗(yàn)裝置中的剪切壓頭利用杠桿原理對(duì)測(cè)試孔間材料施加荷載，使測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)材料上的荷載FC，而位移傳感器的檢測(cè)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(cè)區(qū)域在荷載作用下的變形情況—荷載位移曲線。在加載過(guò)程中，變形集中在壓頭下的區(qū)域，對(duì)應(yīng)的荷載位移曲線只反映被測(cè)區(qū)域的力學(xué)性能。分析微剪切過(guò)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(cè)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(guò)程穩(wěn)定，從而減少裝置對(duì)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(cè)量從動(dòng)支架及擺桿的移動(dòng)距離也等同于檢測(cè)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(huì)影響位移傳感器的檢測(cè)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(duì)被測(cè)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(guò)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(guò)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(cè)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(duì)被測(cè)材料的影響，且保證摩擦系數(shù)統(tǒng)一為μ=0.8。每組中測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(kāi)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(cè)量精度為0.05%，輸出信號(hào)經(jīng)由荷載變送器后為±5 V電壓信號(hào)輸出。它可以用來(lái)檢測(cè)壓力或拉力，壓力為“+”，拉力為“-”，本文裝置中用于檢測(cè)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(cè)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(hào)，DA2采集位移信號(hào)，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(kāi)關(guān)的啟動(dòng)/停止信號(hào)由采集卡的數(shù)字輸入口DI4、DI6輸入，電機(jī)的控制信號(hào)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(hào)。

2.2 LabVIEW軟件設(shè)計(jì)

隨著測(cè)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(cè)試領(lǐng)域。LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言和開(kāi)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(yǔ)言，多次調(diào)用DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，實(shí)現(xiàn)按鍵對(duì)裝置運(yùn)行的控制，以及對(duì)荷載、位移信號(hào)的同步采集、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，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(cè)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(kù)函數(shù)“openUSB”，連接板卡。然后調(diào)用“Read_Port_In”函數(shù)，讀入16位開(kāi)關(guān)量輸入，每隔100 ms檢測(cè)采集卡的數(shù)字輸入口DI4是否有信號(hào)。若有信號(hào)，則啟動(dòng)條件結(jié)構(gòu)中嵌套的三層順序結(jié)構(gòu)?！癮d_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(duì)應(yīng)的輸出口置高電平，為“0”的位對(duì)應(yīng)輸出口不變化，16位數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)15～0號(hào)16個(gè)輸出口。同理，“Reset_Port_Out”函數(shù)使得為“1”的位對(duì)應(yīng)的輸出口置低電平，為“0”的位對(duì)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(hào)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(guò)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(chǔ)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(chǔ)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(cè)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(kāi)關(guān)，裝置運(yùn)行，測(cè)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(duì)荷載傳感器和位移傳感器記錄的整個(gè)剪切過(guò)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(duì)試樣進(jìn)行卸載觀察，可以發(fā)現(xiàn)，在加載過(guò)程中，被測(cè)量區(qū)域的材料要經(jīng)歷4個(gè)階段的變形過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)材料開(kāi)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(cè)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(cè)材料完全斷裂。

圖9 荷載—位移曲線

3.2 孔間厚度對(duì)荷載位移曲線的影響

分別對(duì)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(shuō)明孔間厚度對(duì)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(guò)對(duì)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(shuō)明，孔間材料厚度的微小變化對(duì)荷載位移曲線具有明顯可測(cè)的影響，且隨著孔間材料厚度的增大，材料同一相對(duì)錯(cuò)動(dòng)位移值所對(duì)應(yīng)的荷載也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。因此，若不考慮孔間厚度t對(duì)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(cè)量的。在圖10中可以看到，厚度t±0.02 mm的變化都會(huì)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(duì)屈服強(qiáng)度σy測(cè)定的影響，歸一化參數(shù)Pm/2t可以合理地避免厚度t對(duì)抗拉強(qiáng)度σt測(cè)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(cè)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(huì)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(cè)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(cè)定12Cr13、S31608、16 Mn三種材料的局部強(qiáng)度，無(wú)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(duì)其局部強(qiáng)度測(cè)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(yǔ)

1)研制雙孔微剪切試驗(yàn)新裝置，開(kāi)發(fā)基于LabVIEW的測(cè)控系統(tǒng)。

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

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(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。