拉伸试验全程位移控制法

1、拉伸试验全程位移控制法苏英群（天津钢管集团有限公司，天津，300301）摘要：针对目前国内仍有许多金属材料拉伸试验机不能或不适宜进行应力、应变、位移三段控制的实际情况，探讨了用位移控制替代应力控制和应变控制的金属材料拉伸试验全程位移控制法，避开了三种控制方式之间的转换。在没有对拉伸速率提出特殊要求的情况下，可以近似应用本方法。关键词：拉伸试验位移控制应力控制应变控制控制方式转换系统柔度ThemethodfortensiletestWithdisplacementcontrolmodeinallprocessYingqunsuTianjinPipe(group)CO.,LTD,Tianjin30

2、0301AbstractWhereasmostmetallicmaterialstensiletestmachinesinourcountryarenotableornotsuitabletodotestsinthreesegmentcontrolswithstress,strain,anddisplacementcontrolmodes,thispaperbringsouttheideaofdisplacementcontrolmethodinallprocesswhichusedisplacementcontrolasasubstituteforstresscontrolandstrain

3、controltoavoidthetransitionbetweenthethreecontrolmodes.Itcanbeusedinthecasethatthetensilespeedisnotrequiredespecially.Keywordtensiletestingdisplacementcontrolstresscontrolstraincontrolcontrolmodestransitionsystemflexible1、引言为了准确测定金属材料拉伸性能，使试验结果具有可比性，各国拉伸试验标准无一例外地规定了试样拉伸时弹性阶段应力速率、屈服阶段应变速率和破断前两夹头分离速率。

4、满足这种要求的一种方法是直接进行应力、应变、位移三段控制。鉴于目前国内用于金属材料拉伸试验的仪器大多不能直接实现应力、应变、位移三段控制，即使有的试验机能够实现，因控制方式转换时不平稳，测试人员一般不会使用这种方法。另外，由于某些类型引伸计结构设计缺陷、试样表面不良状态等多种原因，会使刀口打滑引发应变控制的危险性，测试人员不敢轻易使用应变控制。为了寻求一种既能满足试验标准对拉伸速度的要求，又能简化试验程序的方法，笔者曾在1994年天津钢管创刊号上发表了题为申克RBO万能材料试验机速度控制研究的论文，推导了夹头位移速率与应力增加速率的关系，提出了用位移控制代替应力控制的方法。十几年来，笔者所在实

5、验室一直采用全程位移控制法进行拉伸性能的产品检验和科研实验，实际测定的应力速率和应变速率与设定值比较接近，可以满足试验标准对拉伸试验不同阶段的拉伸速度要求。本方法适用于：仅能进行位移控制，而不具有应力、应变控制功能的试验机；即使具有应力、应变控制功能，但不能进行应力、应变、位移三种控制方式转换的试验机；能进行应力、应变、位移三种控制方式转换，但转换时有“过冲”，既转换不平稳的试验机；能进行应力、应变、位移三种控制方式转换，但因应变控制的危险性，不希望进行应变控制的测试者；拉伸试验软件设计者。2全程位移控制法2.1 试验系统柔度对拉伸速度的影响拉伸试验时，试样对试验系统(包括机架、加载机构、载荷

6、测量装置、试样夹持部分等等)施加一个反向载荷，使试验系统发生变形。如果试验系统的变形量大，说明试验系统柔度大。试验系统柔度的定义是：系统在承受载荷时，每增加单位力所产生的弹性变形量，单位为mm/No位移传感器一般固定在移动横梁或移动夹头上，显而易见，经位移传感器测量的位移不能代表试样标距部分的位移。要想通过位移传感器反馈信号控制试样标距部分位移，必须考虑系统柔度的影响。2.2 用位移控制替代应力控制由于系统柔度的作用，夹头(横梁)位移S应该等于试样平行长度位移L与系统柔度K作用产生的位移之和，既S=AL+KF式中，F为试样承受载荷在试样拉伸的线弹性段，应力b与应变e成正比，既(T=E£

7、;式中E为拉伸弹性模量而e=L/Lc式中Lc为试样平行长度将代入，得 L=Lc(r/E(4)设试样变形所用时间为t,则L/t为试样平行部分变形速率，应力速率&=b/t。由式两边除以t,得 L/t=&Lc/E用V表示夹头(横梁)位移速率，则V=S/t,由式得V =AL/t+KF/t(6)将带入得V =6Lc/E+KF/t用So表示试样平行部分横截面积，将式变形：V =OLc/E+KSo(F/So)/t=OLc/E+KSo(r/t=(LJE+KSo),既V =6(Lc/E+KS0)式确立了拉伸试验弹性阶段夹头位移速率与应力速率的关系。式中Lc、E、So都是已知项，k值由实验测定后也

8、是已知量。给定一个试验要求的应力速率a,就可由式计算出夹头(横梁)位移速率V,对机器控制参数进行设定后，可由试验程序准确控制。现在看一个实例：试验仪器为GALDABINISUN1。电子万能材料试验机，在已知试验状态系统K值条件下(K=1.97xio-5mm/N),想要用位移控制达到试样应力速率为25N/mm2/s的目的。已知Lc=75mm,So约为48omm,由式计算，V=o.245mm/s。用这个位移速度进行弹性阶段拉伸试验结果见表1。表1SUN100试验机速度控制验证实验结果12345,2So(mm)481.0455.3486.5482.7512.3实测(N/mm2/s)24.922.92

9、6.925.427.9与期望值偏差（N/mm2/s）-0.1-2.1+1.9+0.4+2.9再来看一个实例：试验仪器为SCHENCKRBO600电液伺服万能材料试验机，在已知系统K值条件下（K=5.41X10-6mm/n）,想要用位移控制达到试样应力速率为28N/mm2的目的。已知Lc=82mm,S0约为320mm,由式计算，V=0.059mm/s。用这个位移速度进行弹性阶段拉伸试验结果见表2。表2SCHENCKRBO600试验机速度控制验证实验结果12345So(mm2)313.2309.3316.5323.8339.2实测27.527.428.127.927.1与期望值偏差（N/mm2）-

10、0.5-0.6+0.1-2.1-2.9两台试验机的速度控制验证实验表明，用位移控制替代应力控制是方便可行的，可以近似达到预期目的。当然，如果机器能进行应力、位移控制方式之间的转换，且转换时无“过冲”，可以直接使用应力控制，过渡到2.3节。2.3用位移控制替代应变控制设载荷增加速率为=F/t,试样伸长速率为V试样=4L/t,则由式，夹头（横梁）移动速率为：V =V试木*+K宜（9）试样在弹性范围内加载时，V试样=Ve,则V =Ve+K中（10）当试样进入屈服阶段时，V试样=Vp,应力速率接近0,既G=0,则由式V =Vp（11）各国试验标准对试样平行长度的应变速率做了规定。例如，GB/T228-

11、2002规定，E>150000N/mm2时的应变速率为0.00025/s0.0025/s,这里用E表示。若将其转化为夹头（横梁）位移速率，则仅需将息乘以试样平行长度，既V =ELc于是，就可以用式设定夹头（横梁）位移速率，实现间接控制试样应变速率的目的。2.4 用位移控制完成抗拉强度测试试样屈服阶段完成后，为了测定抗拉强度，多数国外标准仅对两夹头（横梁）分离速率做出了规定，只要按标准要求设定夹头位移速率即可。GB/T228-2002规定试样平行长度的应变速率不应超过0.008/s,这时可以用式进行计算，可不必考虑系统柔度的作用，因为试样标距长度实际变形速率要小于夹头（横梁）位移速率，用式

12、计算的控制参数肯定不会超出标准要求，这是一种最简洁的办法。2.5测定柔度的简易方法2.5.1测定方法运用式时，必须知道系统K值。可以用传统的测试方法，用具有屈服平台的若干个试样测定系统K值，但测试过程比较繁琐。这里介绍一个简易方法。测试原理是将式变形，得到K=（V/5Lc/E）/S0（13）因V是设定值，Lc、E、S0都是已知量，只要在试验时测定出试样弹性阶段应力速率0,就可由式计算出系统K值。的测定方法比较简单，如有X-Y记录仪，可以绘制Ft曲线，从曲线的弹性段求出G；也可以在弹性段用秒表计时方法计算出do当然，如果配有试验数据采集系统，可更方便地计算出0,有的试验软件则可自动计算出系统柔度

13、。用式测试系统柔度时，可使用平时试验量较大的试样，重复测试次数不少于10次，取平均值即可。2.5 .2K值测定举例例1GALDABINISUN100电子万能材料试验机特定条件下的K值测定特定条件：室温，液压楔型夹具，Lc=70mm,S°=325.2mm2,E=210000,设定V=0.083mm/s,测定的弹性阶段应力速率之和利用（13）式计算的K值的结果见表3。表3SUN100试验机K值测定结果12345678910实测（N/mm2）11.1011.5312.6610.2711.5813.5412.8413.1412.9411.09K计算(mm/Nx10'应用中的注意事项3

14、.1横梁固定的试验系统，测得的柔度与夹具类型和试样尺寸有关；靠横梁移动对试样加载的试验系统，测得的柔度不仅受上述因素影响，还与横梁即时位置或者说与立柱长度变化有关，K值变化较大。因此，对于使用不同类型夹具和试样尺寸差别较大时，应分别测定不同情况下的K值，再加以应用。用本文介绍的方法测定的系统柔度，包含了试样平行部分以外的尺寸、几何形状等因素。3.2因楔型夹具有其自身的特点，用位移控制时，线弹性段的应力速率不是恒定而是逐渐升高的，本文使用楔型夹具时测定的应力速率是平均应力速率。3.3没有台肩的剖条试样使用本方法时，速度控制误差波动较大。因为这时试样的平行长度不易确定，即使取两夹头中间的距离为试样

15、的平行长度，但靠近平行部分的夹持部位也有变形。结果与讨论4.1用全程位移控制法可以间接实现应力与应变速率的控制。给定一个期望的应力速率&,可以)2.192.111.912.382.101.781.891.841.872.20K平均(mm/Nx10'5)2.06例2SCHENCKRBO600电液伺服万能材料试验机特定条件下的K值测定特定条件：室温，液压平推夹具，Lc=82mm,E=210000,V=0.083mm/s,测定的弹性阶段应力速率8和利用（13）式计算K值的结果见表4。表4SCHENCKRBO600试验机K值测定结果12345678910Somm2)227.3252.8

16、233.2241.2236.8226.4237.1236.0226.2232.4实测（N/mm2）52.348.349.748.050.251.149.250.449.951.2K计算(mm/NX101计算出位移速率V=&（LJE+KS。）；给定一个期望的应变速率E,可以计算出位移速率V=eLco4.2本方法仅仅是一种近似方法，对经常使用的几种夹具或几种试样，可以事先测定不同情况的5.265.255.495.555.335.455.475.335.635.30K平均(mm/NX10-6)5.41系统K值，做成速查表或编成不同的试验模型以供使用时查询或调用，尤其适用于频数较高的生产检验，可以在保证试验