一种材料局部机械强度检测系统的设计

　　0　引言

　　焊接接头不同程度地存在着力学性能的不均匀性。如工程上常使用焊缝金属的强度低于母材的焊接接头,即低匹配接头,来减小冷裂纹倾向;有时使用焊缝金属的强度高于母材的焊接接头,即高匹配接头,以降低焊缝中缺陷的危险性。另外,焊接热影响区的力学性能,随母材、焊接方法及焊接规范的不同有较大的变化。如焊接线能量的增加,细晶粒钢的热影响区软化的程度和范围逐渐增加。研究发现,焊接接头的力学性能不均匀性,对接头整体承载能力有复杂的影响。

　　目前,已经有许多用来研究材料的局部力学性能的方法的报道。NayebiA等人使用球状压痕技术,测定载荷与压痕位移曲线,来确定钢的屈服应力和加工硬化指数[1]。这种方法尽管简单,考虑到球状压头与被测材料之间的摩擦力以及被测材料在受压时所受的静压力,其结果精确度受到限制。类似材料局部强度测定方法还有平面压头的硬度试验[2]。

　　ZhangX P和DorntL提出了一种双孔微剪切局部强度试验的测定方法,在被测试样上打两盲孔,直接进行剪切试验,来测定材料的局部强度。就其检测系统进行了研究[3]。系统以TLS-5压力传感器(载荷传感器)和ST-1-03型涡流传感器(位移LVDT传感器)为检测器件,设计了一种以美国德州仪器TI公司生产的单片机MSP430F149为核心控制器的高速实时检测系统,实现了载荷与位移曲线的显示,能快速、高效、准确地检测出被测材料的强度,对掌握和分析材料或承载设备的状况提供了坚实基础。

　　1　双孔微剪切法测定材料局部强度原理

　　双孔微剪切法测定材料的局部强度原理如图1(a)所示,在试样上选定被测材料区域,在其两侧钻直径为1~2mm,深度为2~3mm的上下两孔,两孔间的部分为被测材料的区域,厚度为0·2~0·3mm。试验时,通过专用的压头在上孔内表面施加向下的力,使两孔之间的材料发生剪切变形直到断裂。在加载过程中,变形集中在压头下的区域,对应的载荷位移曲线只反映被测区域的力学性能。变形区域大小由压头大小决定,实验中压头尺寸宽度为0·5mm,压头与孔接触部分的弧度和孔相吻合。

　　图1　实验原理及被剪切试样示意图

　　Fig. 1　The experimental principle and schematicof sheared sample

　　根据剪切过程中的载荷位移曲线,可直接得到最大剪切载荷Pm。载荷位移曲线上剪切屈服强度τu和最大剪切强度τy分别用以下的公式计算:

　　τu=PmA0(1)

　　τy=PyA0(2)

　　式中:Pm为载荷-位移曲线中的最大剪切载荷;Py为曲线中的屈服点的载荷,即定义为离开2·5%的两孔之间的厚度d与弹性区相平行的直线与实验所得曲线的交点。A0为三个剪切面的总面积,即A0=(2L+b)×d。如图1(b)所示为剪切面积的一半,L为剪切时刀片进入试样的距离;b为切断以后两壁之间的距离;d为切断后断口的平均厚度。双孔微剪切法测定材料局部强度的原理为整个系统的可实现性提供了强大的理论基础。