孔間厚度對雙孔法測定材料局部強度的影響及方法改進

牟 遇，張愛華，王 平，朱 亮，祁 靖

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

0 引言

焊接接頭的力學性能不均勻對接頭承載能力有復雜的影響，用有限元法對接頭進行試驗研究和分析時，需要輸入各個區域的強度，其中最基本的參數為屈服強度和抗拉強度[1]。另外，鋼的本構性能會根據時效、服役載荷、脆化、輻照等因素而發生變化[2]，工程上需定期測定現役設備危險部位的局部強度，以便對其承載能力和安全可靠性進行評定。目前，標準拉伸試驗已經建立較為完善的理論與試驗體系，并已編纂成為標準[3]。但該方法制備試樣復雜，無法現場測試，且成本較高，不便推廣[4]。為了尋求能準確測定材料局部強度的現場試驗方法，本課題組已進行了許多研究，并提出了雙孔微剪切法[5]。這種方法無需制備試樣，直接在被測材料區域打兩盲孔，進行剪切試驗，通過測試兩孔間材料的荷載位移試驗曲線來分析局部強度，已驗證可作為現場試驗手段之一[6]。但通過進一步試驗與研究發現，雙孔微剪切試驗裝置剛性不足，且穩定性較差，增加了一定的試驗誤差。更重要的是，測定局部強度的計算過程較為繁雜，且因沒有考慮雙孔之間材料的厚度對試驗曲線的影響，使得測定誤差較大。因此，為減少試驗誤差，重新研制可平穩加載的雙孔裝置，并搭建LabVIEW控制采集系統。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質，建立涉及厚度值的歸一化參數與局部強度參數的相關性，提出直接根據雙孔荷載位移試驗曲線的特征值和孔間材料的厚度值一同求取12Cr13、S31608和16 Mn局部強度參數的方法，實現金屬材料的局部強度更簡單、更準確地測定。

1 雙孔試驗原理和試驗裝置

1.1 雙孔微剪切試驗原理

雙孔微剪切試驗原理示意圖如圖1(a)所示，它是直接在被測材料上鉆3個盲孔(φ6 mm，深5 mm)，且孔的中心線保持在同一平面。第一個孔是固定孔，用于固定專用的試驗裝置。第二個孔和第三個孔為測試孔，試驗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生剪切變形直到斷裂。荷載傳感器和位移傳感器記錄整個剪切過程中的荷載、位移數據。

從動支架及擺桿的受力模型如圖1(b)所示，從動支架及擺桿的設計尺寸已知，LAB=115.9 mm，LAC=158.3 mm。另外，FA的反作用力也已知，為荷載傳感器檢測值。則根據力學平衡關系式：

圖1 雙孔微剪切試驗方法

FA+FC=FBFB*LAB=FC*LAC

(1)

可以計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據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域，對應的荷載位移曲線只反映被測區域的力學性能。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，由此實現金屬材料局部強度的準確測定。

1.2 試驗裝置

雙孔微剪切試驗新裝置的剖面圖和實物圖如圖2所示，剛性較好且加載過程穩定，從而減少裝置對試驗結果的影響。相比較文獻[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，凸輪，荷載傳感器、電渦流位移傳感器、從動輪和剪切壓頭。從圖2可以看到，剪切壓頭與從動支架及擺桿是一個整體，所以非接觸式測量從動支架及擺桿的移動距離也等同于檢測剪切壓頭的移動距離，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，若切屑時產生粉末，也并不會影響位移傳感器的檢測精度。直流電機驅動凸輪旋轉，凸輪將旋轉輸出轉換為平移輸出，凸輪進程設計為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，再借助從動輪迫使從動支架及擺桿圍繞荷載傳感器的接觸點向右擺動，從而帶動剪切壓頭對被測材料施加荷載，實現加載。根據旋轉角度小于5°可近似為直線運動的原則，上述加載過程可近似為直線加載剪切，因為由計算可知，此處設計的旋轉角度不超過1°(tanθ=1.5/158.3)。壓頭由碳化鎢制成，保證了低變形、高強度，寬度為1 mm。整個裝置的尺寸為：46 mm*210 mm*40 mm，易于操作且便攜。

圖2 雙孔微剪切試驗的實驗裝置

1.3 試樣制備和厚度測量

試驗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個孔。孔內表面進行統一打磨，消除鉆孔對被測材料的影響，且保證摩擦系數統一為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。在試驗前，使用分度值0.001的工具顯微鏡進行測量，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 試樣實物圖

2 測控系統設計

2.1 硬件設計

整套系統以同步數據采集卡為數據采集和控制的核心，由采集卡負責兩路傳感器數據的同步采集，以及對直流減速電機運行或停止的控制。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、直流電機驅動板模塊、電源和薄膜開關等。硬件系統的接線原理圖如圖4所示。

圖4 硬件系統的原理接線圖

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，可實現壓頭位移的非接觸精確測量，靈敏度誤差為0.1%。直流電機驅動板模塊用于驅動電機，IN1、IN2為電機運行或制動的控制端口，PWM端口可外接PWM，用于調速，也可直接置以高電平，實現全速運轉。若IN1、IN2、PWM為“1、0、1”，則電機全速正轉，若為“0、0、×”，則制動。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。該系統使用DA1采集荷載信號，DA2采集位移信號，數據由USB總線傳送給便攜電腦。同時，該采集卡也具備16路數字輸入/輸出口，薄膜開關的啟動/停止信號由采集卡的數字輸入口DI4、DI6輸入，電機的控制信號由采集卡的數字輸出口DO6、DO7、DO8輸出，DO2、DO3輸出指示燈的控制信號。

2.2 LabVIEW軟件設計

隨著測試技術不斷發展，基于計算機的虛擬儀器技術普遍應用于測試領域。LabVIEW是一種圖形化的編程語言和開發環境，它的基本程序單位是VI，其用戶界面友好[8]，將其運用于雙孔微剪切試驗中，可方便實現數據的實時顯示和記錄。系統使用LabVIEW編程語言，多次調用DLL動態鏈接庫，實現按鍵對裝置運行的控制，以及對荷載、位移信號的同步采集、實時顯示、數據存儲，并生成動態曲線，便于直觀了解數據的變化規律。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，首先調用庫函數“openUSB”，連接板卡。然后調用“Read_Port_In”函數，讀入16位開關量輸入，每隔100 ms檢測采集卡的數字輸入口DI4是否有信號。若有信號，則啟動條件結構中嵌套的三層順序結構。“ad_continu_conf”函數主要參數有num_ch(通道數)、ad_range(量程設置，設置為±5V)、Rate_Sample(采樣頻率)等，需要事先給定參數，即可實現多通道數據連續采集。“Set_Port_Out”函數可使得out_port參數的16位數據中為“1”的位對應的輸出口置高電平，為“0”的位對應輸出口不變化，16位數據分別對應15～0號16個輸出口。同理，“Reset_Port_Out”函數使得為“1”的位對應的輸出口置低電平，為“0”的位對應輸出口不變化。因此，該LabVIEW程序中使用函數“Set_Port_Out”函數和“Reset_Port_Out”函數傳達電機和指示燈控制信號指令。另外，利用循環結構可設定電機運行和采集的時間，使得一次雙孔微剪切試驗完成后，試驗機構與采集程序自動停止。其中，也涉及到局部變量的建立和調用，提高了運行效率。最后，調用函數“Read_AdBuf”讀取緩沖區內的數據，通過創建數組、捆綁、波形圖、寫入電子表格等控件，完成數據采集的實時顯示和儲存。

圖6 LabVIEW主要程序框圖

試驗進行前，需要進行相關參數預設，采樣頻率2 500 Hz，采集時間4 s，電機運行時間4 s，給定數據存儲位置。試驗完成后，LabVIEW前面板如圖7所示，顯示荷載、位移兩路數據。其中，在2.05 S時，被測材料被完全破壞，位移達到最大，材料處于卸載狀態，所以荷載值為0。在圖7中可以看到，前面板設有虛擬啟動/停止按鈕和兩個指示燈，可直接在LabVIEW交互界面實現控制與顯示，其與實物按鍵和指示燈功能相同。

圖7 LabVIEW前面板

3 試驗結果分析

3.1 試驗現象和試驗曲線

試驗進行前，將圖2的試驗裝置中的固定柱放入試樣的固定孔內，將剪切壓頭放在第二個孔中，然后進行參數預設。試驗進行時，按下啟動開關，裝置運行，測試孔間的材料上被施加一定的荷載，材料依次發生彎曲、剪切變形、斷裂。在保證孔內摩擦系數、溫度、壓頭切入深度等條件相同的情況下，共進行21組試驗，每種材料各獲取7組試驗數據。雙孔微剪切試驗完成后的試驗現象如圖8所示。

圖8 雙孔微剪切試驗現象

對荷載傳感器和位移傳感器記錄的整個剪切過程中的荷載、位移數據進行濾波、荷載、位移換算等處理，可得到雙孔微剪切試驗的荷載位移曲線，現以孔間厚度0.395 mm的S31608試驗材料為例，試驗曲線如圖9所示。對試樣進行卸載觀察，可以發現，在加載過程中，被測量區域的材料要經歷4個階段的變形過程。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，被測材料的邊緣發生少量的塑性變形；第三階段，呈現非線性關系，被測材料開始屈服，塑性區不斷擴大直到貫穿整個剪切面；第四階段，荷載持續增加，達到最大值Pm時，壓頭切入被測材料。最大荷載值之后，加載面積迅速減小，導致承載能力迅速下降。裂紋首先出現在壓頭附近，并繼續擴展，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、高強度低合金鋼16 Mn三種材料的7組試驗數據進行處理，并去除最大荷載值以后的數據，得到每種材料不同孔間厚度下的荷載位移試驗曲線，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

通過對比可以發現，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]。試驗結果說明，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，材料同一相對錯動位移值所對應的荷載也呈現增大趨勢。因此，若不考慮孔間厚度t對雙孔試驗曲線或特征值的影響，則僅根據雙孔屈服載荷、最大載荷求取屈服強度、抗拉強度的方法可能存在較大誤差。

3.3 歸一化參數與局部強度參數關系

按照文獻[5]的方法，得到雙孔試驗曲線的特征值—屈服載荷Py和最大載荷Pm，如表2、表3所示。為了準確表述孔間厚度與屈服載荷、最大載荷的關系，將孔間厚度分別與屈服載荷、最大載荷進行擬合，結果如圖11所示。可以發現，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、最大載荷的關系—3種材料

從實驗的角度看，每個試樣孔間厚度的微小變化是可以預期和測量的。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，才能從試驗曲線中獲取盡可能多的性能信息。事實上，這個直接影響不可能由任何一個與t有關的參數實現整條曲線的規范化[9]。但分析發現，歸一化參數Py/t可以合理地避免厚度t對屈服強度σy測定的影響，歸一化參數Pm/2t可以合理地避免厚度t對抗拉強度σt測定的影響。試驗中的Py/t參數值和Pm/2t參數值分別如表4和表5所示，保留小數點后三位，其中σy、σt是標準拉伸試驗測得的屈服強度和抗拉強度。

根據表4，可以證實，3種材料均存在σy=αPy/t；根據表5，可以證實，3種材料均存在σt=βPm/2t。在文獻[10]中提到，一種合金到另外一種合金的α系數不會有顯著性變化。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關系。即使不足以證明，但至少可以按照上述關系式，根據歸一化參數Py/t、Pm/2t，測定12Cr13、S31608、16 Mn三種材料的局部強度，無需求解較為復雜的屈服剪應力和最大剪應力，且有效的解決了孔間厚度t對其局部強度測定的影響。

表4 Py/t歸一化參數

表5 Pm/2t歸一化參數

4 結束語

1)研制雙孔微剪切試驗新裝置，開發基于LabVIEW的測控系統。

2)通過試驗設計，分析孔間厚度對荷載位移曲線的影響。試驗結果說明：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，材料同一相對錯動位移值所對應的荷載也呈現增大趨勢。

3)提出根據Py/t參數和Pm/2t參數確定金屬材料局部強度的方法。引入由試驗曲線和孔間厚度共同決定的歸一化參數，并給出Py/t參數與屈服強度，Pm/2t參數與抗拉強度的相關關系，有效地減小孔間厚度對測定結果的影響。