一種用于材料力學性能測試的新型原位拉伸系統(tǒng)

杜 揚，張 超，張 剛，葉田園，王雪薇，任萬濱*

（1. 哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程及自動化學院，哈爾濱 150001；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

材料的力學性能表現(xiàn)為材料抵抗各種外加載荷的能力，由于在不同工業(yè)應用場合中材料的組分、制備工藝與結(jié)構(gòu)形狀各異，其力學性能有很大差異。即便是在同一工作環(huán)境下，材料的力學性能也會因為老化和其他環(huán)境影響而有所變化[1-3]。因此，準確確定和評估材料在各種工況下的力學性能，是使設備高效可靠運行需要解決的主要問題之一。

目前普遍采用的材料力學指標測試方法是拉伸測試法，是指采用液壓傳動或電機傳動的方式，將被測材料兩端與運動部件固定以對被測材料施加軸向載荷，使其產(chǎn)生拉伸或壓縮的變形。傳統(tǒng)方式通常在實驗過程中檢測材料的載荷和位移，獲得其應力?應變曲線，在實驗完畢后則根據(jù)試樣物理參數(shù)離線計算出相關(guān)力學指標。目前較先進的方法是原位測試方式，即借助高分辨率成像設備實時檢測材料在載荷作用下的微觀結(jié)構(gòu)變化，進而在微觀尺度上研究材料力學性能與結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系[4-6]。然而，目前國外的大型拉伸臺設備價格高昂，不具有小型、靈活的優(yōu)勢，很難推廣應用于絕大部分普通工業(yè)產(chǎn)品材料的測試中。國內(nèi)的拉伸臺設備則普遍測量精度不高，且難以實現(xiàn)以極低速率施加載荷，因此在一些要求較高的精密應用場合不能滿足使用要求[7-10]。

本文設計了一種用于材料測試的新型原位拉伸實驗系統(tǒng)，具有高精度、寬量程測量應力及應變值，能實時動態(tài)檢測并顯示應力?應變曲線，能以極低速度對試樣施加載荷的優(yōu)點，且設備尺寸較小，易于應用于微型系統(tǒng)中，能很好滿足精密測量系統(tǒng)的使用要求。下面介紹該系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方法，并采用該系統(tǒng)測試材料的拉伸特性曲線，定量比較線材的力學性能。實驗結(jié)果可信，驗證了該測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)預期應用價值。

1 原位拉伸實驗系統(tǒng)設計

新型原位拉伸實驗系統(tǒng)主要由機械運動系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)2大部分組成。整體方案如圖1所示。機械部分用于試樣的安裝、夾持和軸向加載；測控部分以STM32系列微控制器為核心完成載荷、位移的采集測量和電機的驅(qū)動控制，并實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與上位機間的實時通信，通過操作界面完成實驗條件設定和測試波形的顯示與保存等功能。本系統(tǒng)可在不同加載速度條件下，實時采集并自動顯示材料的載荷?位移曲線，實現(xiàn)對材料力學性能的測試。系統(tǒng)可設定為多種工作模式，使被測材料分別工作在拉伸、壓縮以及疲勞狀態(tài)，且具有載荷和位移的雙重閾值保護功能。

圖1 原位拉伸實驗系統(tǒng)整體方案Fig. 1 Schematic diagram of the in-situ tensile experimental system

1.1 機械系統(tǒng)設計

機械系統(tǒng)主要包括電機傳動、試樣夾具、傳感器3部分，如圖2所示。電機傳動部分主要由電機、減速器、齒輪箱以及2對蝸輪?蝸桿組成，可將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)槲仐U的直線運動，通過減速器可以降低蝸桿的運動速度并增大其拉力。試樣兩端的夾具與絲杠支座連接，且高度可調(diào)，便于夾持部件與被測材料或元件的軸線中心高度對齊。傳感器部分由力傳感器和編碼器組成，力傳感器一端與夾具相連，另一端固定在拉伸臺基座上，則可測得試樣軸向所受應力；編碼器包括光柵尺和計數(shù)頭，分別與2個絲杠支座連接固定，當絲杠支座通過絲杠?螺母實現(xiàn)相向運動或背向運動時，即可直接測量試驗臺軸向運動，以消除絲杠、齒輪的誤差。拉伸臺同時配有兩端限位開關(guān)保護。針對不同被測材料或試樣形狀可配備不同的夾持組件，如各種結(jié)構(gòu)的推頭、拉頭等，來完成材料的拉伸、壓縮和疲勞試驗。被測材料形變過程的實時動態(tài)觀察可由實驗系統(tǒng)配置的高倍數(shù)工業(yè)相機完成。

圖2 原位拉伸實驗系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)示意Fig. 2 Mechanical structure of the in-situ tensile experimental system

機械系統(tǒng)的工作原理為：當電機受到激勵開始旋轉(zhuǎn)后，首先通過減速器降低其轉(zhuǎn)速并提高其扭矩，接著通過齒輪箱內(nèi)的齒輪帶動對稱分布的蝸輪?蝸桿，繼而帶動對稱分布的雙向絲杠旋轉(zhuǎn)，在絲杠?螺母的作用下使得分別固定在絲杠支座上的試樣夾具做相向或背向的直線運動，從而實現(xiàn)試樣的壓縮或者拉伸運動。在試樣夾具帶動試樣作直線運動的同時，由試樣夾具后端的力傳感器采集試樣的軸向受力，并由光柵尺和計數(shù)頭之間的相對運動獲得試樣的軸向位移。

1.2 測控系統(tǒng)設計

1.2.1 力信號調(diào)理

原位拉伸實驗系統(tǒng)選用的高精度力傳感器測量范圍4500 N。為提高力測量精度，本文提出一種分段測力方法，將力信號調(diào)理及采集電路分為3級：第1級將力傳感器-48～48 mV的輸出電壓低噪低漂放大至-1.5～1.5 V，即電壓U1，再外加 1.5 V偏置電壓得到0～3 V的電壓U2；第2級將U2信號送至微控制器預采樣，并將0～3 V電壓等分為10段，每段長0.3 V，確定U2所處的分段范圍后，控制DAC通道輸出該段電壓的下邊界值（參見圖3）；第3級將U2與上述邊界值間的差值U3放大并送至微控制器再次采樣，依據(jù)此采樣值計算應力值。其中將電壓U2分成10小段后再進行放大及折算，因此理論上力的測量精度提高為原來的10倍。

圖3 微控制器DA輸出電壓與預采樣電壓關(guān)系Fig. 3 The relationship between the output voltage of the micro-controller DA and the pre-sampled voltage

測力過程中不可避免出現(xiàn)電壓值的漂移，因此對采集電壓信號應用中值濾波算法，可有效抑制信號的微小波動且延時較小，使得最終的力信號更加光滑平穩(wěn)。另外測量前在力傳感器不受力時，電壓信號也會因漂移具有一定初始值，因此在測試過程中先減去測得的力初始值并最終計算出材料所受的真實準確應力值。應力測量算法過程如圖4所示。

圖4 力信號調(diào)理與采集過程示意Fig. 4 Schematic diagram of force signal collection and processing

1.2.2 位移信號調(diào)理

原位拉伸實驗系統(tǒng)所采用的光柵編碼器的最高分辨率為1.22 nm。微控制器自帶16位正交編碼計數(shù)器采集編碼器輸出脈沖，并根據(jù)編碼器分辨率將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為位移值。本文利用計數(shù)器中斷功能將16位計數(shù)器擴展到24位，將計數(shù)范圍擴大為原來的256倍，使得系統(tǒng)能夠以高分辨率在全行程范圍內(nèi)準確測量位移值。位移信號采集過程如圖5所示。系統(tǒng)采用溢出中斷延時判斷算法，有效避免了高位計數(shù)器誤計數(shù)情況的發(fā)生，其中延時時間根據(jù)光柵尺的分辨率和被測材料的運動速度設定。

1.2.3 電機控制系統(tǒng)

材料原位拉伸實驗要求被測試樣能以極低速度平穩(wěn)拉伸/壓縮，任何微小的速度波動都可能對材料力學參數(shù)的檢測產(chǎn)生影響。為此，本文提出了一種新式的預測閉環(huán)控制算法，在1個控制周期中將直流電機的電樞方程離散化，在第k和第k+1采樣時刻，其電樞方程分別為：

式中：Ce為電機反電動勢常數(shù)；φ為氣隙磁通；Ra為電樞電阻；U(k)、n(k)、Ia(k)分別為第k采樣時刻的調(diào)速電壓、計算轉(zhuǎn)速和電樞電流。通過速度閉環(huán)算法最終給出本周期的調(diào)速電壓U*(k)。在已知U(k)和n(k)的條件下，可以根據(jù)式(1)計算出本周期代表實際負載情況的電樞電流

速度閉環(huán)的理想效果是：本周期輸出控制電壓后，在下個周期，采樣速度n(k+1)等于設定速度n*，到第k+1采樣時刻，調(diào)速電壓等于第k個控制周期末給定的電壓，即U(k+1)=U*(k)，且在一個極短的控制周期內(nèi)負載變化很小，則認為Ia(k+1)≈Ia(k)，因此本周期輸出的調(diào)速電壓為

通過在每個控制周期內(nèi)都進行1次調(diào)速電壓反饋?預測算法，可在調(diào)速過程中不斷迭代最終實現(xiàn)速度閉環(huán)。該控制算法的速度跟蹤具有調(diào)節(jié)時間短、動態(tài)性能好的優(yōu)點，其控制框圖如圖6所示。

圖6 速度閉環(huán)算法控制框圖Fig. 6 Schematic diagram of the speed closed-loop algorithm

1.3 軟件系統(tǒng)設計

材料原位拉伸實驗系統(tǒng)應用LabVIEW軟件設計上位機操作界面，實現(xiàn)與微控制器采集數(shù)據(jù)的傳輸通信和人機對話。操作界面具有樣品參數(shù)設置，測試模式和條件設置，以及實時顯示測試結(jié)果并提取特征參數(shù)的功能。其中，樣品參數(shù)包括樣品形狀和尺寸，測試模式包括軸向拉伸、軸向壓縮和軸向疲勞模式，停止條件則包括位移停止條件和負載停止條件。

拉伸或壓縮實驗模式下，負載停止條件規(guī)定當材料所受應力達到設置的負載閾值時制動電機，位移停止條件規(guī)定當材料應變達到設定位移閾值時制動電機。疲勞模式下，可設置每次疲勞試驗的位移值及疲勞次數(shù)，達到規(guī)定次數(shù)時自動停止實驗。當測試過程中出現(xiàn)應力過載或位移超程時，都會在操作界面中觸發(fā)相應指示燈點亮并且自動制動電機，從而保證系統(tǒng)的安全性。

測試結(jié)束后系統(tǒng)可提取實驗過程中被測試樣的關(guān)鍵參數(shù)，如最大受力及其對應位移等，且所有采樣點的位移和應力數(shù)據(jù)自動保存并存儲在自定義的文件路徑中，便于后續(xù)的文件傳輸和分析處理。系統(tǒng)軟件操作界面如圖7所示。

圖7 微型拉伸實驗臺控制系統(tǒng)操作界面Fig. 7 The interface of the control system of the micro tensile test bed

2 測試試驗及結(jié)果分析

2.1 試驗條件

根據(jù)國家標準JB/T 7780[11]的規(guī)定，分別選取表面無機械損傷、裂紋、毛刺等肉眼可見缺陷的銀氧化錫復合材料直線材和紫銅直線材，任意截取一定長度作為試驗試樣，將試樣兩端分別通過拉伸臺的夾具進行固定。與傳統(tǒng)拉伸臺所用的試樣長幾十[12]甚至上百mm相比，本系統(tǒng)所測試的試樣尺寸更小。試樣尺寸以及設定的試驗條件如表1所示。

表1 試樣規(guī)格參數(shù)及試驗條件設置Table 1 Specifications of the experimental samples and conditions

試驗過程中，實驗系統(tǒng)在規(guī)定的拉伸速度下對試樣連續(xù)均勻地施加拉力，并通過上位機界面實時檢測試樣的動態(tài)拉伸特性曲線，直到試樣斷裂，停止試驗。

2.2 結(jié)果分析

繪制2組典型試樣的載荷?位移特性曲線如圖8所示，圖中位移值采用對數(shù)坐標。完整的拉伸特性曲線包括彈性變形階段、屈服階段、強化階段和頸縮階段，直至發(fā)生斷裂，不同材料的拉伸特性會有所差異。圖8中銀氧化錫線材和紫銅線材代表了2種具有截然不同力學性能的典型材料，兩者在彈性變形階段載荷與位移的線性度很好，紫銅材料的彈性模量大于銀氧化錫材料的，表明在彈性變形階段銀錫線材具有更好的延展性。

圖8 銀氧化錫試樣和紫銅試樣拉伸特性曲線Fig. 8 The tensile curves of AgSnO2 and red copper samples

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，銀氧化錫試樣1在拉伸位移達到219.8 μm時進入屈服階段，屈服力約為988.7 N；試樣2在拉伸位移為246.7 μm時承受屈服力約為994.0 N，且2個試樣經(jīng)過屈服點后均具有很長的塑性變形及強化階段，此階段試樣承受的載荷穩(wěn)定在一較小區(qū)間內(nèi)；試樣1和試樣2在拉伸位移為2 035.4和 2 049.7 μm 時抗拉載荷分別為 1 514.1 和1 481.1 N；最后分別在拉伸位移達到 2 509.5 和 2 733.2 μm 時發(fā)生斷裂，斷裂載荷分別為 1 495.9 和 1 464.5 N。

紫銅線材的屈服階段相對較短，但具有非常明顯的頸縮過程，由于形成極細的頸縮區(qū)而使得載荷迅速下降。紫銅試樣1與試樣2在拉伸位移為254.8和 269.7 μm 時抗拉載荷分別為 1 279.7 和 1 214.2 N；分別在拉伸位移達到521.5和532.3 μm時發(fā)生斷裂，斷裂載荷分別為993.7和911.1 N。

上述結(jié)果表明，銀氧化錫復合線材強度大、塑性強，韌性明顯優(yōu)于紫銅線材。

3 結(jié)束語

本文設計了一種新型材料原位拉伸實驗系統(tǒng)，具有微型化、高精度、多模式的特點，適用于各種形狀的材料或產(chǎn)品的力學性能測試。系統(tǒng)可實時采集并顯示被測材料的載荷?位移曲線，載荷測量范圍4500 N、精度0.1 N，位移測量范圍44 mm、精度0.1 μm，且可通過閉環(huán)控制算法將施載速度穩(wěn)定控制在1～15 μm/s之間。

采用本實驗系統(tǒng)對金屬線材試樣進行拉伸測試，結(jié)果表明：紫銅線材在經(jīng)過較短的彈性變形階段后迅速進入頸縮階段而斷裂；銀錫線材具有較長的屈服和強化階段，斷裂時已產(chǎn)生較大應變，且強度和韌性均優(yōu)于紫銅線材。