金屬材料力學(xué)性能檢測技術(shù)發(fā)展的研究

謝鵬

摘要：金屬材料通過檢測能夠得到關(guān)于力學(xué)性能的檢測結(jié)果。其中包含了測試方法，測試的環(huán)境，測試人員的條件等等內(nèi)容。金屬力學(xué)性能的改進(jìn)，要求被測試的材料必須進(jìn)行科學(xué)和標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)，才能得到試驗(yàn)和試樣的應(yīng)力狀態(tài)的研究成果，并且根據(jù)試驗(yàn)中的樣品的尺寸和大小等，進(jìn)行測試的數(shù)據(jù)分析。但是有一點(diǎn)需要注意，就是金屬構(gòu)件大多是具有復(fù)雜的尺寸的。因此通過力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行的測定的結(jié)果，能不能作為金屬材料的強(qiáng)度性能的表征加以分析，是必須加以準(zhǔn)確和可靠的評(píng)價(jià)的。

關(guān)鍵詞：金屬材料；力學(xué)性能檢測技術(shù)；發(fā)展

1金屬材料的使用性能

在對(duì)材料進(jìn)行選擇的過程中，金屬材料性能在其中起到了非常重要的參考作用，性能檢測就是在真實(shí)環(huán)境下，然后對(duì)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行有效的模仿，從而可以了解到該項(xiàng)產(chǎn)品性能是否滿足實(shí)際的使用需求，并且通過這種方式還可以收集到很多真實(shí)的數(shù)據(jù)信息，這樣就能為產(chǎn)品的合格性進(jìn)行準(zhǔn)確的判定。金屬材料的使用性能是一項(xiàng)非常重要的參考數(shù)據(jù)，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)直接決定了材料的使用范圍。結(jié)合實(shí)際情況可以了解到，金屬材料的使用性能主要包括了三個(gè)方面的主要內(nèi)容，分別是化學(xué)性能、物理性能以及力學(xué)性能等。金屬材料的力學(xué)性能指的是材料在不同溫度下承受各種拉力所體現(xiàn)出的力學(xué)性能。

2金屬材料力學(xué)性能檢測技術(shù)

利用有限元的分析軟件，對(duì)連續(xù)體中的近似計(jì)算數(shù)值加以分析，能夠得到相當(dāng)完善的理論體系，其中包含的數(shù)值的計(jì)算方法解決了工程了很多問題，包括電磁學(xué)、力學(xué)等。我國的材料力學(xué)的有限元的分析方法，經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)可以對(duì)一些普通材料進(jìn)行力學(xué)條件下的有限元的分析，并且給出關(guān)于材料力學(xué)應(yīng)力應(yīng)變和性能指標(biāo)的關(guān)系。經(jīng)過對(duì)復(fù)雜的物理對(duì)象的離散和劃分，通過對(duì)近似的函數(shù)的有限元的分析，能夠?qū)⒄w的方程加以求解、處理，對(duì)誤差等進(jìn)行分析，得到近似值的描述結(jié)果。通過計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算，能偶利用數(shù)值進(jìn)行任意復(fù)雜的問題多的處理。金屬材料的力學(xué)試驗(yàn)的目標(biāo)在與對(duì)金屬材料的拉伸、沖擊、工藝進(jìn)行各種試驗(yàn)，通過幾何形式的力學(xué)測驗(yàn)，將力學(xué)的性能檢測以標(biāo)準(zhǔn)的式樣進(jìn)行模擬，放在普通的力學(xué)檢測試驗(yàn)上，進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)愛的力學(xué)檢測。模擬的力學(xué)檢測和試驗(yàn)，能夠使整個(gè)試驗(yàn)過程出現(xiàn)直觀的效果。

2.1模擬拉伸試驗(yàn)

以模擬拉伸試驗(yàn)為例，國內(nèi)拉伸試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)為GB/T228.1-2010金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法，主要測定的檢測項(xiàng)目為：抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率以及n值、r值等。拉伸試樣在拉伸的過程中一般要經(jīng)歷彈性、屈服、強(qiáng)化、頸縮四個(gè)階段，試驗(yàn)數(shù)據(jù)是通過測量作用于試樣的載荷F和試樣原始標(biāo)距部分的伸長L計(jì)算得出應(yīng)力-應(yīng)變圖，從而得出相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。ANSYS模擬金屬拉伸試驗(yàn)主要分為：建模、設(shè)置物理參數(shù)、設(shè)置加載條件和求解等幾大部分。根據(jù)拉伸試驗(yàn)的特點(diǎn)，模型可以簡化成不考慮夾持部分，將一端圓弧末端固定，而在另一端圓弧末端施加位移載荷，這樣既可以縮短計(jì)算時(shí)間、減少存儲(chǔ)空間，同時(shí)也可以滿足計(jì)算精度的要求。因?yàn)榻饘俨牧洗蠖际歉飨蛲缘模恍枰斎隓ENS（密度）、EX（彈性模量）和NUXY（泊松比）定義即可。加載條件的設(shè)置主要以測試材料實(shí)測的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行設(shè)置。

2.2模擬數(shù)據(jù)庫的建立

同其他材料不同，金屬材料自身特性的參數(shù)，如DENS密度、EX和NUXY的數(shù)值也不同，模擬參數(shù)（DENS、EX和NUXY）是表示材料本身的狀態(tài)和大小的，模擬拉伸試驗(yàn)的意義在于通過對(duì)實(shí)際檢測結(jié)果的耦合，與實(shí)際材料的固有參數(shù)無關(guān)，與大小受力狀態(tài)無關(guān)。與使用環(huán)境和實(shí)際檢測相耦合的條件無關(guān)，例如元素含量等模擬結(jié)果和熱處理狀態(tài)等相關(guān)，相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫金屬力學(xué)性能測試領(lǐng)域中推出的模擬參數(shù)使得注意力更集中于“服役機(jī)件”。

2.3金屬構(gòu)件的應(yīng)用模擬

近些年，在金屬力學(xué)性能測試領(lǐng)域中注意力更集中于“服役機(jī)件”而不是普通試樣，模擬機(jī)件壽命試驗(yàn)有逐步發(fā)展成為一門獨(dú)立學(xué)科的趨勢。如英國北海油田開發(fā)用金屬材料及加拿大天然氣管道構(gòu)件，廣泛采用模擬試驗(yàn)來研究金屬材料的在特定條件下的使用性能，航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的地面模擬試驗(yàn)在世界各國廣泛采用。但這些金屬構(gòu)件的全尺寸模擬試驗(yàn)缺乏普遍性且實(shí)施比較困難（費(fèi)用昂貴和技術(shù)復(fù)雜），更多地用于各種關(guān)鍵性構(gòu)件的模擬測試中。追蹤了解金屬材料的后加工形狀和使用狀態(tài)，通過計(jì)算機(jī)利用ANSYS建立相關(guān)模型，利用已有數(shù)據(jù)庫中的模擬參數(shù)，對(duì)金屬構(gòu)件進(jìn)行模擬分析，探求普通力學(xué)性能測試方法所得到的金屬力學(xué)性能判據(jù)與金屬制件在真實(shí)服役條件下所顯示的強(qiáng)度行為之間相互關(guān)聯(lián)的各種規(guī)律性。不僅實(shí)施簡單，節(jié)約大量的人力物力，更重要的是可以普遍應(yīng)用于各種金屬構(gòu)件，同時(shí)也為現(xiàn)實(shí)模擬服役條件下金屬構(gòu)件的力學(xué)性能提供更直接有效的指導(dǎo)。

3金屬材料力學(xué)性能檢測技術(shù)的發(fā)展方向

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及各項(xiàng)技術(shù)水平的不斷提升，金屬材料試驗(yàn)設(shè)備也在進(jìn)行不斷的優(yōu)化和完善，要想滿足未來社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相關(guān)需求，金屬材料力學(xué)性能檢測技術(shù)在未來需要對(duì)以下幾個(gè)發(fā)展方向引起重視。（1）不斷提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確度。目前，隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于終極產(chǎn)品的要求開始逐漸提高，導(dǎo)致之前的測試方式已經(jīng)不能再滿足實(shí)際的發(fā)展需求，這就需要對(duì)目前測試中的精明度以及精確度進(jìn)行不斷的提升。（2）逐漸提升測量方法的科學(xué)化。只要保證測量系統(tǒng)具有一定的科學(xué)性，在標(biāo)準(zhǔn)要求上可以滿足相應(yīng)的需求，才能在最大程度上降低誤差發(fā)生的概率，比如人為因素或者是操作不當(dāng)?shù)刃袨閷?dǎo)致的測量誤差問題，通過這種方式才能逐漸滿足產(chǎn)品對(duì)于精準(zhǔn)度的各項(xiàng)要求。（3）新型測試儀器以及測試方法的研究。目前，隨著我國材料科學(xué)工程的快速發(fā)展，一些新型材料應(yīng)運(yùn)而生，并在實(shí)際的生產(chǎn)過程中得到了非常廣泛的使用。但是傳統(tǒng)的測試設(shè)備與方法已經(jīng)達(dá)不到新材料的測試標(biāo)準(zhǔn)水平，結(jié)合目前材料科學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r，需要在目前材料基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷的創(chuàng)新和優(yōu)化，只有研究出新型的測試儀器與方法才能滿足多樣化需求。

4結(jié)束語

總的來說，通過有限元分析的模擬分析，金屬材料在實(shí)際使用中復(fù)雜的形狀和大小，利用計(jì)算機(jī)模擬將應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，金屬材料力學(xué)性能試驗(yàn)的檢測，能夠直觀對(duì)金屬構(gòu)件在真實(shí)服役條件下的性能等表征加以展現(xiàn)，使得金屬材、合理設(shè)計(jì)、制造、安全使用和維護(hù)提供有效的預(yù)測應(yīng)力應(yīng)變參考，為未來改進(jìn)金屬材料測試方法，提高測試精度提供新思路，為金屬材料檢測數(shù)據(jù)庫的建立提供更多的視覺素材，同時(shí)也為現(xiàn)實(shí)金屬構(gòu)件的模擬力學(xué)性能，提供更直接有效的指導(dǎo)。

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（作者單位：中國電建集團(tuán)核電工程有限公司，山東）