金属材料力学性能检测技术发展的新思路

孙家睦

摘要：随着科技的不断发展，计算机模拟金属材料力学性能检测试验，能够直观对金属材料在整个试验过程中的应力应变状态进行分析，可以对未来建立金属材料检测数据库提供视觉素材；建立力学检测数据与模拟参数关联的数据库，为模拟金属材料改变自身形状，改变服役条件后进行力学性能模拟提供数据支持；利用计算机模拟软件建立金属构件在服役条件下的力学性能分析，为现实模拟金属构件的力学性能提供更直接有效的指导。

关键词：金属材料；力学性能；检测技术；发展思路

引言

任何一个产品在生产以及使用的过程中，都会在一定程度上受到力或者是温度的作用，在对材料进行选择的过程中主要是根据材料的特点以及经济性进行充分的考虑，首先需要对材料的使用性能进行全面分析，特别是对于材料力学性能而言，通常情况下这项指标可以直接体现出各种工程设计参数。要想保证材料使用的作用可以充分发挥出来，就必须对材料的力学性能进行全面的了解，同时还需要对影响力学性能的各项因素进行明确。

1金属材料的使用性能

在对材料进行选择的过程中，金属材料性能在其中起到了非常重要的参考作用，性能检测就是在真实环境下，然后对相关产品进行有效的模仿，从而可以了解到该项产品性能是否满足实际的使用需求，并且通过这种方式还可以收集到很多真实的数据信息，这样就能为产品的合格性进行准确的判定。金属材料的使用性能是一项非常重要的参考数据，这项标准直接决定了材料的使用范围。结合实际情况可以了解到，金属材料的使用性能主要包括了三个方面的主要内容，分别是化学性能、物理性能以及力学性能等。金属材料的力学性能指的是材料在不同温度下承受各种拉力所体现出的力学性能。

2金属材料力学性能实验方法

2.1拉伸测试

拉伸测试是测量金属产品质量的重要方式，在测试过程中，需要对仪器以及设备的数据进行限定，降低客观因素对数据的影响。以低碳钢的测试为例，在规定屈服载荷Ps后，在主动针停止转动时测量，横截面积为A，则其最大屈服极限为Ps/A。拉伸实验具有简单便捷的特点，在分析过程中，建立应变曲线，可以观测材料的极限以及弹性模量等相关信息，并且在实验过程中，材料的受力均匀，可以获取单向应力关系。　　

2.2压缩测试。

压缩测试主要应用于对材料的屈服极限以及抗拉强度的测试，通过观察材料的变形以及破坏形式，可以较好的确定材料力学性能。在测试过程中，由于材料的受压程度不一，因而需要采用球形承垫的方式来进行测试，以低碳钢的压缩测试为例，在测试过程中，需要遵循胡克定律的规则，压缩曲线呈现直线的变化趋势，在出现非线性变化时，表示材料达到了屈服，之后其呈现曲线变化的趋势，另外，在随着载荷不断增加的情况下，塑性变形呈现快速增长的趋势，其可以通过屈服载荷/横截面积的方式来确定屈服极限。压缩实验具有变形量大的特点，可以弥补拉伸实验的不足，同时在实验过程中，需要通过润滑油的方式来降低表面的摩擦力。

2.3硬度测试

硬度测试主要采用受力方式进行测量，通常采用压入法，根据布氏硬度的方式来进行测量，将合金置于一定压力下，可以确定其压痕面积S=1/2πD（D-D2-d2），通过布氏硬度进行测算，可以较好的确定材料的硬度。布氏硬度具有较高的代表性，压痕面积相对较大，可以反映材料的平均情况，但是其不利于成品检验。布氏硬度主要应用于锻钢和铸铁等金属材料的测试，但是对于有色金属等材料的硬度测试能力存在明显的不足，维氏硬度可以用于成品的测量，是常用的测量手段，其测试数值为试验力与表面积S的比值。在维氏硬度的测试中，对角线的长度通常为0.02-1.4mm，其主要应用于材料研究以及科学试验等几个方面。另外，维氏硬度压痕为正方形，便于测量，但是在使用过程中，对于材料的光滑度要求相对较高，因而仅仅应用于实验室的测量。

2.3模拟数据库的建立

DENS（密度）、EX（弹性模量）和NUXY（泊松比）是表示材料自身特性的参数，其大小与材料本身的状态，例如元素含量，热处理状态等相关，与使用环境，受力状态无关。模拟拉伸试验的意义在于通过对实际检测结果的耦合，推出不同材料自身的模拟参数（DENS、EX和NUXY），此时这些模拟参数与实际材料的固有参数无关，是使模拟结果与实际检测相耦合的条件，并建立相互关联的数据库。

1.2取样位置

钢板的取样位置与方向应根据产品规范或合同规定，当无规定时，应在w/4处横向切取样坯。当规定取横向拉伸试样时，钢板宽度不足以在w/4处取样，试样中心可以内移但应可能接近w/4处，w为钢板宽度。拉伸试样的取样位置有以下三种，分别是全截面试样、钢板厚度t≧30mm的矩形试样以及钢板厚度t≧25mm的圆形试样。在试验机量程和机械加工允许的情况下可以采用截面试样；对于t≧30mm的矩形试样，可将试验厚度减薄至30mm，并保留一个轧制表面；对于TMCP钢板，试样厚度为全厚度或厚度之半，当为厚度之半时，t≧30mm的矩形试样不适用；对于t≧25mm的圆形截面试样，可在w/4和t/4处取圆形截面试样。

2.4试样制备注意事项

要确保试样在取、制样及储存过程中，表面层及其内部性能不被损坏，并应符合以下规定：取、制样时，要注意热影响及加工硬化对金属材料力学性能的影响，所采用的任何加工方法不能影响试样的有关性能。加工试样过程中伴随的热影响和加工硬化区应去除。应去除由于取样造成的变形。应确保制备好的试样在转移、运输及储存过程中的完好、完整，避免出现影响检测结果的损坏，如表面划伤、磕碰、磨损、弯折、缺损、缺失等。

3金属材料力学性能检测技术未来发展方向

3.1不断提高测试结果的准确度随着我国社会经济以及各项技术水平的不断提高，金属材料试验设备也在进行不断的优化和完善，要想满足未来社会经济发展的相关需求，金属材料力学性能检测技术在未来需要引起重视。人们对于终极产品的要求开始逐渐提高，导致之前的测试方式已经不能再满足实际的发展需求，这就需要对目前测试中的精明度以及精确度进行不断的提升。

3.2广泛使用计算机模拟技术

我国工业领域规模正在逐步扩大，新工业的出现导致工作模式以及环境发生了重大改革，结合相应的传统力学性能测试可以了解到，之前的测试方式在很多情况下不能体现出金属材料在实际工作条件下的行为，所以也就无法对金属的使用性能做出准确的判断。如果在材料力学性能测试中采用计算机模拟技术，可以提供出良好的力学性能分析条件，然后对预测应力变化状况进行全面检测，从而可以为产品的设计制造过程提供一定指导。

结语

利用计算机模拟金属材料力学性能检测试验，能够直观对金属材料在整个试验过程中的应力应变状态进行分析，对未来建立金属材料检测数据库提供视觉素材。通过有限元分析的模拟分析，使具有比较复杂的形状和大小不同的尺寸金属构件在真实服役条件下得到表征。不仅能有效的预测金属材料在实际使用过程中应力应变的变化，为金属构件在服役条件下的失效分析、确定金属构件的合理设计、制造、安全使用和维护提供参考，还能对改进金属材料测试方法，提高测试精度提供一些新思路，同时也为现实模拟金属构件的力学性能提供更直接有效的指导。

参考文献

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