并联式微小试样力学拉伸性能高通量测试系统*

王贵勇,王海舟,王 蓬,朱林茂,祝铁柱,沈学静，赵 雷,李冬玲

(1.钢铁研究总院,北京 100081;2.钢研纳克检测技术股份有限公司,北京 100081;金属材料表征北京市重点实验室,北京 100081)

0 引 言

针对金属材料拉伸性能的测试,传统的测试方法试样尺寸较大,同时,大量重复性测试会造成材料浪费。另外,对服役中的材料(特别是复杂结构材料及材料尺寸有限的服役材料)进行测试时,传统的测试方法割取试样会造成设备的损伤。

而微小试样力学性能拉伸测试通过截取微型试样进行测试,可接近满足对材料力学性能的无损检测[1,2]。

由于被测材料的体积受限,无法制备满足常规尺寸要求,借助微小拉伸样品进行力学性能测试的方法称为微小拉伸样品测试方法[3]。通常把试样尺寸区别于常规拉伸样品的试样称为微小拉伸试样,其名义横向尺寸通常小于3 mm,纵向尺寸小于25 mm。

针对微小试样的拉伸测试,目前的研究主要集中在单轴微拉伸方面。如LUCAS G E等人[4]开展了小尺寸样品在辐射材料方面的应用研究。张国庆等人[5]设计了微拉伸测试系统,并对SU-8光刻胶进行了微尺度力学性能测试。

然而,单轴拉伸由于一次只能进行一根试样的测试,难以满足高通量测试技术的需求。高通量测试技术是指在相同环境条件下,一次对多个样品同时进行测试的技术[6-8]。

关于高通量力学拉伸性能测试技术,相关研究较少。国外仅有HECKMANA N M[9]、SALZBRENNERA B C[10]等人使用了增材制造对微小拉伸样品进行了批量制备,然后使用测试设备对制备的试样逐一进行了测试,实现材料表面粗糙度、孔隙率和微观结构等随机性差异对性能分布变化影响的评估。国内仅有陈新[11]、周宇[12]、张东升[13]等人在专利中对高通量试验装置提出了设想,而工程应用中鲜见相关报道。

因此,笔者开发一种力学性能高通量测试系统,可同时对多个微小试样进行拉伸力学性能测试,在系统上实现对微小试样力学拉伸性能的高通量测试,并通过准确度评价、实验结果分析及不确定度评定对测试系统进行验证。

1 结构设计

基于并联式的微小试样力学拉伸性能高通量测试系统结构示意图如图1所示。

图1 基于并联式的微小试样力学拉伸性能高通量测试系统结构示意图1—工作台面;2—测试装置;3—电机及减速系统;4—夹具;5—试样

并联式的微小试样力学拉伸性能高通量测试系统主要由:力传感器、变形传感器、滚珠丝杠及夹具组成的6个独立通道的力学性能测试装置,以及1个电机、减速系统组成的动力传动系统组成。

其工作原理为:电机转动时，驱动减速系统转动，减速系统驱动力学性能测试装置上的滚珠丝杠转动，实现对力学性能测试装置的横梁来回运动的控制,进而完成拉伸、压缩等性能测试。

测试时,可同时选中6个通道的力学性能测试装置,实现同时对6根微小试样进行力学性能测试。也可根据测试需要,选中其中的任意几个或1个通道进行测试。

测试中,多个通道的测试装置同时进行测试时,如果某个测试通道的测试结束,则该测试通道的离合器自动分开,测试通道停止工作,其余未完成测试的测试通道则继续工作,直到所有测试全部结束。每个测试通道均拥有独立的变形传感器和力值传感器,独立采集每个被测试样的变形及力值等数据。

2 控制系统及软件设计

2.1 控制系统设计

控制系统结构图如图2所示。

图2 控制系统的结构组成

该控制系统主要由计算机、多通道核心处理器、开关输入输出模块、电源系统及各测试通道的力值、变形及定位传感器等组成。

其中,开关量输入输出主要用于系统及测试通道的安全保护、限位保护及离合器通断控制等;各测试通道的变形传感器、力值传感器则通过并行传输的方式同时传递到多通道核心处理器,核心处理器采集到各通道测试数据后,进行信号转换及数据处理,并将处理后的数据传递给控制软件;定位传感器用来对测试通道的夹具位置进行快速复位。

控制系统的工作原理为:通过在控制软件上一键操作,可以实现对6个测试通道的独立同步控制,进而实现对多个被测试样的同步测试。具体如下:

控制软件向测控系统发送指令驱动电机工作,电机通过减速系统驱动测试通道的上的滚珠丝杠实现同步转动,实现各测试通道移动横梁的同步来回运动,进而实现对被测样品的同步拉伸、压缩等测试。测试过程中,控制软件能够独立采集并处理各测试通道的力值和试样变形数据,并绘制各测试通道的测试曲线,以及计算、处理测试结果等。

测试中,当某个测试通道的测试结束时,并不影响其他测试通道的测试继续进行,直到全部被测样品完成测试。如果测试单元的移动横梁到达安全保护位置时,离合器将自动断开,实现对测试通道的安全保护。

2.2 软件设计

控制软件功能模块如图3所示。

图3 控制软件功能组成

软件系统主要由系统参数设置模块、测试过程控制模块、试样信息模块、测试结果模块、测试数据分析模块及检定模块等组成。

系统参数设置模块包括数据采集周期、显示精度,测试项目及曲线坐标设置等。测试过程控制模块主要对测试过程进行控制,包括测试通道的选择,测试速度、预载力设置及测试开始及测试结束等。试样信息模块主要对被测试样的尺寸、材料等信息进行录入。

测试结果模块主要对每个测试通道的测试数据及计算结果等信息进行显示。测试数据分析模块可以对测试曲线、曲线上的特征点及计算结果进行详细分析。检定模块主要用于力值、变形传感器的示值标定和校准。

测试系统的工作流程图如图4所示。

图4 测试系统工作流程图

测试工作流程为:

根据被测样品的类型选择相应的测试方法,然后对被测样品的尺寸进行测量,并把相关测量参数及材料牌号等录入到每个试样信息模块中;

按照试样的尺寸选择合适的夹具,并将试样和夹具安装到测试通道上;当所有被测样品全部安装完成后,通过软件操作对试样进行预加初载,然后在控制软件上点击“开始测试”,各测试通道将同步启动对被测样品进行测试;

测试中,各测试通道独立采集每个被测试样的力值和变形数据,并在控制软件界面实时显示时间-力值、时间-变形、应变-应力、变形-力值等测试曲线;当被测样品完成测试时,控制软件将自动判断是否有其他测试,如果有,则测试继续进行;没有,则测试结束;

测试结束后,控制软件将自动进行测试数据处理和计算,并在控制软件上显示测试结果,可根据需要选择是否打印测试报告。

3 实验及结果分析

3.1 测试系统的准确度评价

并联式的微小试样力学拉伸性能高通量测试系统的实物图如图5所示。

图5 并联式的微小试样力学拉伸性能高通量测试系统实物图

对测试系统的测量准确度进行评价时,需要结合测试系统各测试通道的力值、变形测量装置及位移速率的准确度进行综合评定。

参照JJG 475—2008《电子式万能试验机检定规程》及JJF 1296.1—2011《静力单轴试验机型式评价大纲第1部分:电子式万能试验机》,笔者采用准确度等级为0.1级的标准测力仪对各测试通道的力值进行校准;采用准确度等级为0.05级高精度位移速率检定装置对变形测量装置、位移速率进行校准。

笔者分别对力值、变形及位移速率的测量结果进行不确定度评定并对评定结果进行验证,结果表明,测试系统的准确度等级为0.5级。

3.2 实验

笔者采用国家标准拉伸物质进行比对测试实验。

具体方案为设计直径分别为1.0 mm、1.5 mm、2.5 mm的3种微小拉伸样品,从国家标准拉伸物质上进行取样加工,在测试系统上进行拉伸测试。测试速率根据小试样的横截面积和平行段长度,参照标准拉伸物质给定的速率进行等比例缩小。

为保证测试材料取样的一致性,笔者规定取样位置为拉伸标准物质的中间平行段,取样位置示意图如图6所示。

图6 取样位置示意图

比对的测试参数为:最大抗拉强度、上屈服强度、下屈服强度和规定塑性延伸强度(0.2%)。笔者通过比对,观察不同直径微小拉伸试样的强度指标随尺寸变化而发生改变的趋势,为后续进行微小试样力学性能测试研究,建立尺寸效应相关性模型奠定基础。

标准拉伸物质的最大抗拉强度、下屈服强度通过标准物质的证书获得,并在常规拉伸试验机上进行测试验证;上屈服强度、规定塑性延伸强度(0.2%)通过在常规拉伸试验机上进行多次测试,取其平均值作为参考值。

进行对比测试的国家标准拉伸样品编号为:GSB 03—2039—2016(φ10),出厂编号为:211014—41—211014—45,标准抗拉强度为(655±15)MPa,标准下屈服强度为(400±15)MPa,通过在常规拉伸试验机上进行测试,得到的上屈服强度为(405±15)MPa,规定塑性延伸强度(0.2%)为(403±15)MPa。

最大抗拉强度定义为最大测试力所对应的应力:

(1)

式中:Fm—最大力;So—原始横截面积。

上屈服强度定义为测试力首次下降前的最大力对应的应力,通常取屈服前的第1个峰值应力为上屈服强度:

(2)

式中:FeH—测试力首次下降前的最大力;So—原始横截面积。

下屈服强度定义为不计初始瞬时效应时,屈服阶段中的最小力所对应的应力:

(3)

式中:FeL—不计初始瞬时效应时屈服阶段中的最小力;So—原始横截面积。

规定塑性延伸强度(0.2%)的计算,定义为:在曲线图上作一条与测试曲线的弹性直线段部分平行,且在延伸轴上与该直线段的距离等效于规定塑性延伸率的直线,该直线与测试曲线的交截点即为所求规定塑性延伸强度的力对应的应力:

(4)

式中:Fp0.2—规定塑性延伸率为0.2%时对应的测试力;So—原始横截面积。

设计的微小拉伸样品尺寸图如图7所示。

图7 微小拉伸试样加工尺寸图

制备试样时,为消除表面粗糙度对测试结果的影响,笔者规定试样的中间平行段表面粗糙度与标准拉伸物质的表面粗糙度相同,试样制备后通过表面粗糙度比较样块进行加工质量控制。

由于微小试样的横截面积尺寸误差对强度指标的影响较明显,因此,原始横截面积不能用尺寸误差范围之内的名义值代替,需要对每个试样的尺寸进行实际测量。

在形状公差方面,沿着微小拉伸试样整个平行段长度,规定横向直径尺寸测量值的极差优于国标标准要求,取0.02 mm。

笔者将加工完成的微小拉伸试样进行编号,在系统上进行测试。

3.3 结果分析

直径为φ2.5 mm、φ1.5 mm、φ1.0 mm的微小拉伸试样,在6个测试通道同时进行测试的时间-力值、应变-应力曲线图,如图(8～10)所示。

图8 φ2.5 mm拉伸试样的测试曲线图

图9 φ1.5 mm拉伸试样的测试曲线图

图10 φ1.0 mm拉伸试样的测试曲线图

从图(8～10)可知:对于不同直径的微小拉伸试样,6根试样同时进行测试时,各试样的测试曲线趋势较为一致,均出现了明显屈服的现象;且相同直径的试样的测试曲线较为接近,一致性较好。

此外,各试样的测试曲线较为光滑,说明各测试通道之间相互干涉较小。已经结束测试的通道并不会对其他正在进行测试的通道造成明显干涉,也不会影响其他通道测试的继续进行,直到全部测试结束。

上述结果说明,并联式的微小试样力学拉伸性能高通量测试系统方案可行。

测试的最大抗拉强度、屈服强度、塑性延伸强度实测值与标准(参考)值对比情况如表1所示。

表1 最大抗拉强度、屈服强度、塑性延伸强度实测值与标准(参考)值对比

从表1可以看出:不同直径的试样,随着试样直径的减小,强度指标出现了减小的趋势,即出现了“越小越弱”的现象,符合第一类尺寸效应。

3.4 拉伸测试结果的不确定度评定

影响试样强度测试结果的主要影响因素包括测试结果的重复性、测试力、试样原始横截面积及拉伸速率等。上述因素都会为测试结果带来不确定性。

最大抗拉强度、上屈服强度、下屈服强度、规定塑性延伸强度的测量模型分别如式(1～4)所示。

笔者采用GUM[14,15]法对测试结果进行不确定度评定。笔者对测试重复性引入的不确定分量,根据表1中试样直径为2.5 mm的测试结果,采用A类方法中的贝塞尔公式计算,取6根试样测试结果的平均值的标准偏差作为标准不确定度,即:

(5)

相对标准不确定度为:

(6)

笔者将表1中试样直径为2.5 mm的测试结果代入式(5,6),计算得到最大抗拉强度、上屈服强度、下屈服强度及规定塑性延伸强度(0.2%)重复性引入的相对不确定度分量分别为:urm=0.203%、ureH=0.324%、ureL=0.293%、urp0.2=0.314%。

笔者对测试力、试样原始横截面积及拉伸速率引入的不确定分量,采用B类方法评定。

最大抗拉强度的合成标准不确定度为:

(7)

上屈服强度的合成标准不确定度为:

(8)

下屈服强度的合成标准不确定度为:

(9)

规定塑性延伸强度(0.2%)的合成标准不确定度为:

(10)

测试结果取95%的置信区间,则置信因子k=2,将置信因子分别乘以式(7～10),即得到各测试参数为扩展不确定度。扩展不确定度取2位有效数字。

测试结果的标准不确定度分量、合成标准不确定度及扩展不确定度计算结果汇总如表2所示。

表2 测试结果的标准不确定度分量、合成标准不确定度及扩展不确定度计算结果汇总

从表2可知:最大抗拉强度、上屈服强度、下屈服强度、规定塑性延伸强度(0.2%)的相对扩展不确定度分别为Urm=1.2%(k=2)、UreH=1.3%(k=2)、UreL=1.2%(k=2)、Urp0.2=1.3%(k=2),换算成扩展不确定分别为Um=7.9 MPa(k=2)、UeH=5.1 MPa(k=2)、UeL=5.1 MPa(k=2)、Up0.2=5.1 MPa(k=2),评定的不确定度满足GB/T228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》的要求。

且由表1可知:给定的标准拉伸试样的最大抗拉强度、上屈服强度、下屈服强度及规定塑性延伸强度(0.2%)的允许误差为±15 MPa,因此,评定的测量结果不确定度均小于允许误差,表明测试结果的分散性较小。

上述实验及结果表明:并联式的微小试样力学拉伸性能高通量测试系统方案可行,能够同时对多个微小试样进行拉伸力学性能测试,且测试结果的分散性小,可为金属材料力学拉伸性能的微型化、高通量测试提供设计参考。

4 结束语

笔者对并联式的微小试样力学拉伸性能高通量测试系统的结构、控制系统、控制软件进行了设计,并通过准确度评价、实验结果分析及不确定度评定,该对测试系统进行了验证。

研究结果表明:

(1)并联式的微小试样力学拉伸性能高通量测试系统准确度等级为0.5级;

(2)随着试样直径的减小,被测试样的强度出现了减小的趋势;评定的测试结果不确定度满足GB/T228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》的要求;

(3)测试系统的方案可行,能够同时对多个微小拉伸试样的力学性能进行测试,且测试结果的离散度较小。

笔者后续的研究方向:多物理场耦合环境下,微小试样力学性能高通量的原位表征研究;尺寸效应研究及相关性模型的建立。