精密扭摆内耗仪的研究进展及其钢中固溶碳测定

　　内耗是由于非弹性形变而将弹性振动能耗散为热能的结果,每个内耗峰相当于一条机械振动能量吸收谱线(类似于光谱学的吸收谱线),故内耗谱也称为力学谱.将内耗谱与材料的结构和缺陷相结合的学科被称为材料的力学谱学.20世纪40年代,葛庭燧发明了测量材料内耗的葛摆仪[1],并由Ang等加以改进而研制成倒扭摆仪[2];1977年,Woirgard等[2]研制出可任意改变频率的内耗测量仪,即以应力与应变之间的相位差作为内耗,并在测量过程中保持应变振幅(10-6~10-5)条件下测量内耗;同时,文亦汀等[3]研制出具有强迫振动和自由衰减等测量模式的多功能内耗仪,并实现了微机DOS系统下的控制.但是,大量的内耗谱属于滞弹性弛豫,所观察到的内耗谱属于力学弛豫谱.为此,需研制可以同时测定应力与应变的振幅及其相位的周期性变化的全息内耗仪[4].鉴于此,笔者研制出由奔IV计算机控制的FTA系列精密扭摆内耗仪[5-8].本文介绍了新一代扭摆内耗仪的研究进展,并将其用于超低碳烘烤硬化钢中固溶碳含量的测定.

　　1　精密扭摆内耗仪的结构及性能指标

　　图1所示为所研制的精密扭摆内耗仪结构示意图.其主要技术指标为:频率范围0.001~10.000Hz;温度范围200~670,970,1 170 K(分别对应于普通型及中、高温型);应变振幅10-6~10-4;在自由衰减模式时,内耗Q-1≤10-5,强迫振动模式时,Q-1≥10-4,模量分辨率10-4.试样尺寸 (1.0~2.5) mm×50 mm,且根据所需长度可调.

　　为了提高内耗测量的精度,对其机械结构进行改进并研制出对中机构,即挂摆杆和试样夹具下夹头的固定架均处于倒扭摆装置的中心,从而保证了试样扭动时只有一个自由度运动(即纯切向转动).同时,摆杆及扭摆连杆均垂直于水平面,并绕倒扭摆中心的纵轴转动.另外,为了减少周围环境的影响,采用3级减振防震措施,即采用沙坑吸振地基、主机架及其主板防震垫等.

　　2　电控系统的改进

　　电控制柜、计算机及采集系统由低频信号发生器、制动装置、调零控制系统、温度控制系统、光源强度控制系统、光电信号接收转换器、工控机、采样系统以及信号传输系统等组成[8].微机通过串行通信控制低频信号发生器而产生不同频率的正弦波,经Helmholtz线圈产生磁场应力并作用于试样,再将试样的应变通过光电转换器变为电信号,经数模转换(D/A)而变为数字信号并由微机处理.

　　电控部分的关键是低频信号的产生.如图2所示,所研制的精密扭摆内耗仪采用了直接数字频率合成(DDFS)技术,由单片机控制16位D/A转换而合成输出低频正弦信号,将正弦信号预先转换成D/A转换数据并存储于单片机的只读存储器(ROM)中.通过定时器中断读取转换数据,保证了输出正弦波频率的准确性.通过数字可编程电阻改变运算放大器的反馈电阻并调节放大电路增益,从而获得所设定正弦信号输出的幅度.为了适应不同材料强迫振动测量的振幅要求,系统将反馈电阻网络通过K1切换而获得不同的衰减和放大幅值的输出信号.另外,通过计算机串口和单片机通讯来设置频率,实现了良好的人机交互.