杜 揚(yáng)，張 超，張 剛，葉田園，王雪薇，任萬(wàn)濱*

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)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(xué)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(yīng)用場(chǎng)合中材料的組分、制備工藝與結(jié)構(gòu)形狀各異，其力學(xué)性能有很大差異。即便是在同一工作環(huán)境下，材料的力學(xué)性能也會(huì)因?yàn)槔匣推渌h(huán)境影響而有所變化[1-3]。因此，準(zhǔn)確確定和評(píng)估材料在各種工況下的力學(xué)性能，是使設(shè)備高效可靠運(yùn)行需要解決的主要問(wèn)題之一。

目前普遍采用的材料力學(xué)指標(biāo)測(cè)試方法是拉伸測(cè)試法，是指采用液壓傳動(dòng)或電機(jī)傳動(dòng)的方式，將被測(cè)材料兩端與運(yùn)動(dòng)部件固定以對(duì)被測(cè)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中檢測(cè)材料的載荷和位移，獲得其應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)完畢后則根據(jù)試樣物理參數(shù)離線(xiàn)計(jì)算出相關(guān)力學(xué)指標(biāo)。目前較先進(jìn)的方法是原位測(cè)試方式，即借助高分辨率成像設(shè)備實(shí)時(shí)檢測(cè)材料在載荷作用下的微觀(guān)結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而在微觀(guān)尺度上研究材料力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系[4-6]。然而，目前國(guó)外的大型拉伸臺(tái)設(shè)備價(jià)格高昂，不具有小型、靈活的優(yōu)勢(shì)，很難推廣應(yīng)用于絕大部分普通工業(yè)產(chǎn)品材料的測(cè)試中。國(guó)內(nèi)的拉伸臺(tái)設(shè)備則普遍測(cè)量精度不高，且難以實(shí)現(xiàn)以極低速率施加載荷，因此在一些要求較高的精密應(yīng)用場(chǎng)合不能滿(mǎn)足使用要求[7-10]。

本文設(shè)計(jì)了一種用于材料測(cè)試的新型原位拉伸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具有高精度、寬量程測(cè)量應(yīng)力及應(yīng)變值，能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)并顯示應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)，能以極低速度對(duì)試樣施加載荷的優(yōu)點(diǎn)，且設(shè)備尺寸較小，易于應(yīng)用于微型系統(tǒng)中，能很好滿(mǎn)足精密測(cè)量系統(tǒng)的使用要求。下面介紹該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，并采用該系統(tǒng)測(cè)試材料的拉伸特性曲線(xiàn)，定量比較線(xiàn)材的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信，驗(yàn)證了該測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期應(yīng)用價(jià)值。

1 原位拉伸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新型原位拉伸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)量控制系統(tǒng)2大部分組成。整體方案如圖1所示。機(jī)械部分用于試樣的安裝、夾持和軸向加載；測(cè)控部分以STM32系列微控制器為核心完成載荷、位移的采集測(cè)量和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，并實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與上位機(jī)間的實(shí)時(shí)通信，通過(guò)操作界面完成實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定和測(cè)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(shí)時(shí)采集并自動(dòng)顯示材料的載荷?位移曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料力學(xué)性能的測(cè)試。系統(tǒng)可設(shè)定為多種工作模式，使被測(cè)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(hù)功能。

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

1.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)主要包括電機(jī)傳動(dòng)、試樣夾具、傳感器3部分，如圖2所示。電機(jī)傳動(dòng)部分主要由電機(jī)、減速器、齒輪箱以及2對(duì)蝸輪?蝸桿組成，可將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲仐U的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)減速器可以降低蝸桿的運(yùn)動(dòng)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(cè)材料或元件的軸線(xiàn)中心高度對(duì)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(tái)基座上，則可測(cè)得試樣軸向所受應(yīng)力；編碼器包括光柵尺和計(jì)數(shù)頭，分別與2個(gè)絲杠支座連接固定，當(dāng)絲杠支座通過(guò)絲杠?螺母實(shí)現(xiàn)相向運(yùn)動(dòng)或背向運(yùn)動(dòng)時(shí)，即可直接測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)軸向運(yùn)動(dòng)，以消除絲杠、齒輪的誤差。拉伸臺(tái)同時(shí)配有兩端限位開(kāi)關(guān)保護(hù)。針對(duì)不同被測(cè)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(lái)完成材料的拉伸、壓縮和疲勞試驗(yàn)。被測(cè)材料形變過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀(guān)察可由實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置的高倍數(shù)工業(yè)相機(jī)完成。

圖2 原位拉伸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意Fig. 2 Mechanical structure of the in-situ tensile experimental system

機(jī)械系統(tǒng)的工作原理為：當(dāng)電機(jī)受到激勵(lì)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)后，首先通過(guò)減速器降低其轉(zhuǎn)速并提高其扭矩，接著通過(guò)齒輪箱內(nèi)的齒輪帶動(dòng)對(duì)稱(chēng)分布的蝸輪?蝸桿，繼而帶動(dòng)對(duì)稱(chēng)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)試樣的壓縮或者拉伸運(yùn)動(dòng)。在試樣夾具帶動(dòng)試樣作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，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(jì)數(shù)頭之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)獲得試樣的軸向位移。

1.2 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 力信號(hào)調(diào)理

原位拉伸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用的高精度力傳感器測(cè)量范圍4500 N。為提高力測(cè)量精度，本文提出一種分段測(cè)力方法，將力信號(hào)調(diào)理及采集電路分為3級(jí)：第1級(jí)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(jí)將U2信號(hào)送至微控制器預(yù)采樣，并將0～3 V電壓等分為10段，每段長(zhǎng)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(jiàn)圖3）；第3級(jí)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(jì)算應(yīng)力值。其中將電壓U2分成10小段后再進(jìn)行放大及折算，因此理論上力的測(cè)量精度提高為原來(lái)的10倍。

圖3 微控制器DA輸出電壓與預(yù)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(cè)力過(guò)程中不可避免出現(xiàn)電壓值的漂移，因此對(duì)采集電壓信號(hào)應(yīng)用中值濾波算法，可有效抑制信號(hào)的微小波動(dòng)且延時(shí)較小，使得最終的力信號(hào)更加光滑平穩(wěn)。另外測(cè)量前在力傳感器不受力時(shí)，電壓信號(hào)也會(huì)因漂移具有一定初始值，因此在測(cè)試過(guò)程中先減去測(cè)得的力初始值并最終計(jì)算出材料所受的真實(shí)準(zhǔn)確應(yīng)力值。應(yīng)力測(cè)量算法過(guò)程如圖4所示。

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

1.2.2 位移信號(hào)調(diào)理

原位拉伸實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)數(shù)器中斷功能將16位計(jì)數(shù)器擴(kuò)展到24位，將計(jì)數(shù)范圍擴(kuò)大為原來(lái)的256倍，使得系統(tǒng)能夠以高分辨率在全行程范圍內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量位移值。位移信號(hào)采集過(guò)程如圖5所示。系統(tǒng)采用溢出中斷延時(shí)判斷算法，有效避免了高位計(jì)數(shù)器誤計(jì)數(shù)情況的發(fā)生，其中延時(shí)時(shí)間根據(jù)光柵尺的分辨率和被測(cè)材料的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定。

1.2.3 電機(jī)控制系統(tǒng)

材料原位拉伸實(shí)驗(yàn)要求被測(cè)試樣能以極低速度平穩(wěn)拉伸/壓縮，任何微小的速度波動(dòng)都可能對(duì)材料力學(xué)參數(shù)的檢測(cè)產(chǎn)生影響。為此，本文提出了一種新式的預(yù)測(cè)閉環(huán)控制算法，在1個(gè)控制周期中將直流電機(jī)的電樞方程離散化，在第k和第k+1采樣時(shí)刻，其電樞方程分別為：

式中：Ce為電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)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(shí)刻的調(diào)速電壓、計(jì)算轉(zhuǎn)速和電樞電流。通過(guò)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(jì)算出本周期代表實(shí)際負(fù)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(gè)周期，采樣速度n(k+1)等于設(shè)定速度n*，到第k+1采樣時(shí)刻，調(diào)速電壓等于第k個(gè)控制周期末給定的電壓，即U(k+1)=U*(k)，且在一個(gè)極短的控制周期內(nèi)負(fù)載變化很小，則認(rèn)為Ia(k+1)≈Ia(k)，因此本周期輸出的調(diào)速電壓為

通過(guò)在每個(gè)控制周期內(nèi)都進(jìn)行1次調(diào)速電壓反饋?預(yù)測(cè)算法，可在調(diào)速過(guò)程中不斷迭代最終實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)。該控制算法的速度跟蹤具有調(diào)節(jié)時(shí)間短、動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)，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(shè)計(jì)

材料原位拉伸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)操作界面，實(shí)現(xiàn)與微控制器采集數(shù)據(jù)的傳輸通信和人機(jī)對(duì)話(huà)。操作界面具有樣品參數(shù)設(shè)置，測(cè)試模式和條件設(shè)置，以及實(shí)時(shí)顯示測(cè)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(cè)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(fù)載停止條件。

拉伸或壓縮實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，?fù)載停止條件規(guī)定當(dāng)材料所受應(yīng)力達(dá)到設(shè)置的負(fù)載閾值時(shí)制動(dòng)電機(jī)，位移停止條件規(guī)定當(dāng)材料應(yīng)變達(dá)到設(shè)定位移閾值時(shí)制動(dòng)電機(jī)。疲勞模式下，可設(shè)置每次疲勞試驗(yàn)的位移值及疲勞次數(shù)，達(dá)到規(guī)定次數(shù)時(shí)自動(dòng)停止實(shí)驗(yàn)。當(dāng)測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)載或位移超程時(shí)，都會(huì)在操作界面中觸發(fā)相應(yīng)指示燈點(diǎn)亮并且自動(dòng)制動(dòng)電機(jī)，從而保證系統(tǒng)的安全性。

測(cè)試結(jié)束后系統(tǒng)可提取實(shí)驗(yàn)過(guò)程中被測(cè)試樣的關(guān)鍵參數(shù)，如最大受力及其對(duì)應(yīng)位移等，且所有采樣點(diǎn)的位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)自動(dòng)保存并存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)臺(tái)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(cè)試試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7780[11]的規(guī)定，分別選取表面無(wú)機(jī)械損傷、裂紋、毛刺等肉眼可見(jiàn)缺陷的銀氧化錫復(fù)合材料直線(xiàn)材和紫銅直線(xiàn)材，任意截取一定長(zhǎng)度作為試驗(yàn)試樣，將試樣兩端分別通過(guò)拉伸臺(tái)的夾具進(jìn)行固定。與傳統(tǒng)拉伸臺(tái)所用的試樣長(zhǎng)幾十[12]甚至上百mm相比，本系統(tǒng)所測(cè)試的試樣尺寸更小。試樣尺寸以及設(shè)定的試驗(yàn)條件如表1所示。

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

試驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在規(guī)定的拉伸速度下對(duì)試樣連續(xù)均勻地施加拉力，并通過(guò)上位機(jī)界面實(shí)時(shí)檢測(cè)試樣的動(dòng)態(tài)拉伸特性曲線(xiàn)，直到試樣斷裂，停止試驗(yàn)。

2.2 結(jié)果分析

繪制2組典型試樣的載荷?位移特性曲線(xiàn)如圖8所示，圖中位移值采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)。完整的拉伸特性曲線(xiàn)包括彈性變形階段、屈服階段、強(qiáng)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(huì)有所差異。圖8中銀氧化錫線(xiàn)材和紫銅線(xiàn)材代表了2種具有截然不同力學(xué)性能的典型材料，兩者在彈性變形階段載荷與位移的線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)Fig. 8 The tensile curves of AgSnO2 and red copper samples

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，銀氧化錫試樣1在拉伸位移達(dá)到219.8 μm時(shí)進(jìn)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(shí)承受屈服力約為994.0 N，且2個(gè)試樣經(jīng)過(guò)屈服點(diǎn)后均具有很長(zhǎng)的塑性變形及強(qiáng)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(shí)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(dá)到 2 509.5 和 2 733.2 μm 時(shí)發(fā)生斷裂，斷裂載荷分別為 1 495.9 和 1 464.5 N。

紫銅線(xiàn)材的屈服階段相對(duì)較短，但具有非常明顯的頸縮過(guò)程，由于形成極細(xì)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(shí)抗拉載荷分別為 1 279.7 和 1 214.2 N；分別在拉伸位移達(dá)到521.5和532.3 μm時(shí)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(fù)合線(xiàn)材強(qiáng)度大、塑性強(qiáng)，韌性明顯優(yōu)于紫銅線(xiàn)材。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型材料原位拉伸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具有微型化、高精度、多模式的特點(diǎn)，適用于各種形狀的材料或產(chǎn)品的力學(xué)性能測(cè)試。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集并顯示被測(cè)材料的載荷?位移曲線(xiàn)，載荷測(cè)量范圍4500 N、精度0.1 N，位移測(cè)量范圍44 mm、精度0.1 μm，且可通過(guò)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)金屬線(xiàn)材試樣進(jìn)行拉伸測(cè)試，結(jié)果表明：紫銅線(xiàn)材在經(jīng)過(guò)較短的彈性變形階段后迅速進(jìn)入頸縮階段而斷裂；銀錫線(xiàn)材具有較長(zhǎng)的屈服和強(qiáng)化階段，斷裂時(shí)已產(chǎn)生較大應(yīng)變，且強(qiáng)度和韌性均優(yōu)于紫銅線(xiàn)材。