探討金屬材料剪切力學(xué)性能及測試方法

付卓曦，黎賢鹍

（西安煤礦機(jī)械有限公司，陜西西安 710200）

由于其優(yōu)異的機(jī)械性能，金屬材料被廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、航空航天、能源和國防等重要領(lǐng)域。但是，通常，軍事裝備和運輸中使用的金屬材料不可避免地會受到碰撞和爆炸的影響。在強(qiáng)沖擊載荷下，材料相對容易發(fā)生一定的剪切破壞，剪切應(yīng)變率可達(dá)10s以上。因此，對金屬材料的剪切力學(xué)性能及相應(yīng)的測試方法提出了更高的要求。金屬材料在不同的負(fù)載條件下表現(xiàn)出不同的機(jī)械響應(yīng)特性。由于應(yīng)變率依賴性和波傳播效應(yīng)的影響，材料和結(jié)構(gòu)在高應(yīng)變率動態(tài)載荷下的力學(xué)響應(yīng)與靜態(tài)載荷下的力學(xué)響應(yīng)有很大不同。剪切性能將隨應(yīng)變率而變化。因此，根據(jù)應(yīng)變率的不同要求，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)試驗，以獲得準(zhǔn)確的剪切性能。

1 金屬材料

1.1 金屬材料的概念

通常，金屬材料主要包括純金屬、合金、金屬材料和特殊金屬材料等?，F(xiàn)在金屬材料的種類在不斷增加，在整個社會的實際發(fā)展過程中起著十分關(guān)鍵的作用。其中的剪切力學(xué)性能測試主要是判斷相應(yīng)金屬材料性能的關(guān)鍵方法，需要進(jìn)一步加強(qiáng)。金屬材料通常主要分為有色金屬和黑色金屬。鐵、鉻和錳是黑色金屬。除鐵、鉻和錳以外的所有金屬均歸類為有色金屬。隨著人們的不斷探索和發(fā)現(xiàn)，有色金屬分為五類。這五個類別是根據(jù)許多因素進(jìn)行分類的，例如它們的價值、質(zhì)量和密度，地殼中儲存的物質(zhì)數(shù)量以及人類生命的價值。

1.2 金屬材料的機(jī)械性能

金屬材料的機(jī)械性能主要包含以下三點：①強(qiáng)度：強(qiáng)度主要是指相應(yīng)的金屬材料在其他物體不斷擠壓的作用下的承載能力以及相應(yīng)的防御功能。其中關(guān)鍵的強(qiáng)度指標(biāo)是屈服強(qiáng)度，主要是指在相應(yīng)的外力作用下開始變形的實際的金屬材料的強(qiáng)度；②硬度：金屬材料的硬度是指金屬材料對硬物的抵抗力。其金屬材料的硬度相對越高，其耐壓性越強(qiáng)；③可塑性：可塑性主要是指金屬材料能夠在相應(yīng)的外力作用下產(chǎn)生不變形的能力。為了確保加工和制造過程的安全性，金屬材料必須具有良好的可塑性。

2 金屬材料的剪切力學(xué)性能

2.1 剪切強(qiáng)度

結(jié)合實際情況，金屬材料已在機(jī)械加工領(lǐng)域得到一定的應(yīng)用，并且可以在靜載荷中起到一定的作用。在金屬材料的實際應(yīng)用中，載荷主要是指外部壓力，分為交變載荷、靜載荷和沖擊載荷。其中，靜載荷對于結(jié)構(gòu)的剪切力，大小和作用通常是不變的，沖擊載荷一般面對很大的沖擊力，當(dāng)作用在零件上時，一般的作用時間相對較短。與靜載荷相比，交變載荷往往具有相反的特性。隨著周期性變化，力的大小和方向?qū)⑾鄳?yīng)地變化。

通常，金屬材料的強(qiáng)度指數(shù)由屈服強(qiáng)度表示。當(dāng)實際的金屬材料受到壓力時會發(fā)生屈服現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生一定的塑性變形時，其變形能力往往不會隨應(yīng)力的增加而產(chǎn)生一定的變化，其中此時的應(yīng)力稱之為屈服強(qiáng)度。在實際的機(jī)械加工過程當(dāng)中，普通的材料不可能發(fā)生一定的塑性變形現(xiàn)象，因此，在材料選擇中，其中的屈服強(qiáng)度是十分關(guān)鍵的參考依據(jù)。

2.2 剪切硬度

面對局部塑性變形以及相應(yīng)的破壞現(xiàn)象，金屬材料的實際硬度，往往會變成金屬材料力學(xué)性能中十分關(guān)鍵的指標(biāo)。與拉伸測試相比，硬度測試過程在實際操作中非常容易操作，可以在測試表面上進(jìn)行，直接顯示測試結(jié)果，從而具有十分廣泛的應(yīng)用。結(jié)合實際情況，目前涉及的硬度測試方法有很多，種類明顯不同如圖1所示。

2.3 剪切可塑性

在加工過程中，金屬材料在一定載荷下會變形。當(dāng)載荷達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)時，相應(yīng)的金屬材料也會產(chǎn)生不同程度的斷裂。其中材料的可塑性是指在斷裂之前的最大塑性變形能力。通常，拉伸試驗用于確定金屬材料的強(qiáng)度和可塑性。首先，將要測試的材料加工成一定的標(biāo)準(zhǔn)樣品，然后將樣品放入拉伸試驗機(jī)中，以緩慢的方式連續(xù)提高拉伸壓力。最后，拉伸載荷與樣品伸長率之間的關(guān)系稱為拉伸曲線。

圖1 剪切試驗儀器

3 金屬材料剪切力學(xué)性能的測試方法

針對金屬材料的幾種剪切力學(xué)性能，分析得出以下幾種測試方法。

3.1 金屬材料的準(zhǔn)靜態(tài)壓剪MTS載荷

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者經(jīng)常使用覆蓋試樣和雙剪切試樣來測試金屬材料的剪切力學(xué)性能。金屬材料的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮剪切試驗通常在MTS電子試驗機(jī)上進(jìn)行。在測試過程中，MTS機(jī)器的上缸蓋是液壓驅(qū)動的。同時，數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝在材料測試機(jī)中。同時，通過調(diào)節(jié)試驗機(jī)的加載速率，可以記錄材料在不同應(yīng)變率下的壓縮位移曲線。同時，壓力將保持在均勻且連續(xù)的載荷下，并且在保持預(yù)設(shè)的最大位移后，樣品將被破壞并終止。當(dāng)使用MTS材料測試機(jī)進(jìn)行裝載時，為了滿足測試特性，通常使用帶有芯片形狀的準(zhǔn)靜態(tài)夾緊裝置來夾緊測試材料。該設(shè)備使用高強(qiáng)度鋼加工，并制作了兩個雙剪切樣品以支撐被測材料。在測試過程中，樣品被支撐在通槽中，這避免了被測材料的橫向移動，從而通過這種夾緊方法減少了樣品的彎曲。同時，剪切帶的變形狀態(tài)為簡單剪切。然而，當(dāng)使用帽蓋試樣時，材料的內(nèi)應(yīng)力難以均勻分布，這影響了測試的準(zhǔn)確性。

3.2 單軸拉伸測試

拉伸試驗在室溫下進(jìn)行，通常每種材料制成三個具有正方形截面（5mm×5mm）的拉伸試樣。使用由Cmt5105微計算機(jī)控制的拉伸試驗機(jī)和增量劑。使用0.0025/s的應(yīng)變速率進(jìn)行測試。測定每種材料的彈性模量（E），屈服強(qiáng)度（RM0.2）以及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

一些材料顯示出明顯的Rudder應(yīng)變特性，無法適應(yīng)理想的冪定律表達(dá)式。實際上，對于大多數(shù)常見金屬，在不同范圍內(nèi)匹配σ-ε曲線會導(dǎo)致不同的應(yīng)變硬化指數(shù)。我們尚未提供有關(guān)應(yīng)變硬化指數(shù)值的各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)。但是，估計基于合約的機(jī)械方法（E，y和N）的屬性可用于預(yù)測每種金屬的σ-ε曲線。因此，可以通過將預(yù)測試驗結(jié)果進(jìn)行比較來評估應(yīng)變硬化指數(shù)估算準(zhǔn)確性。采用單軸拉伸測試方法，分析得出相應(yīng)的金屬材料的剪切力學(xué)性能。

3.3 SHPB單脈沖加載技術(shù)

為了觀察材料的剪切帶，通常使用SHPB技術(shù)加載雙剪切試樣。當(dāng)使用SHPB技術(shù)測試材料中的應(yīng)變率的機(jī)械性能時，可以將應(yīng)力條上傳和廣播的應(yīng)力波用于應(yīng)力加載，并記錄通過設(shè)備傳輸?shù)男畔⒁垣@得應(yīng)力和應(yīng)力。確定壓力棒和要測量的金屬材料之間的位移關(guān)系，以及被測材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。由于反射波的拉力會在壓縮桿上同時產(chǎn)生沖擊波反射力，壓縮波將在入射桿的加載端產(chǎn)生，易于反饋加載條件，并且曲線數(shù)據(jù)記錄不同。因此，有必要先在桿上射擊，然后跟隨拉力波，然后將其添加到入射桿的法蘭上，同時阻擋質(zhì)量。但是，SHPB測試技術(shù)基于應(yīng)力波假設(shè)。壓縮桿的變形保持平面，并且軸向應(yīng)力均勻地分布在平面上。同時，壓縮桿的直徑應(yīng)保持較小，以減小橫向慣性效應(yīng)。同時，當(dāng)應(yīng)力和應(yīng)變均勻時，應(yīng)力波會在樣品中反射，從而導(dǎo)致應(yīng)力和應(yīng)變逐漸均勻，并且內(nèi)部應(yīng)力沿長度方向分布。在SHPB技術(shù)的應(yīng)用中，沒有考慮壓力棒和被測金屬材料之間的摩擦，并且表面粗糙度受到壓力棒和被測金屬材料的不均勻橫向變形的影響。同時，將負(fù)載端和兩個支撐端添加到被測金屬復(fù)合物中。在兩個相同的剪切區(qū)域中，剪切尺寸將受到材料的不同應(yīng)力，應(yīng)變狀態(tài)和變形程度的影響。為了確保在測試過程中沒有橫向位移，設(shè)置了用于環(huán)形管的夾緊裝置。同時，在裝置的一端，通槽由兩個剪切樣本支撐，并且在支撐端的通槽與傳動桿接觸。凹槽限制了樣品的橫向移動，并且仍然確保了測量桿中信號的準(zhǔn)確接收。同時，由于SHPB中測得的力和位置是通過剪切樣品來計算的，當(dāng)夾緊裝置的后測試裝置的橫向運動受到限制時，反映在材料剪切區(qū)域中的變形狀態(tài)會變大。

4 結(jié)論

綜上所述，隨著中國工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，對金屬材料的性能提出了相對更高的要求。由于在侵徹、高速沖擊等高速變形過程中，材料普遍存在剪切失效現(xiàn)象，為了保證金屬材料的剪切力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)的各項準(zhǔn)確性，對實際的金屬材料的各項剪切力學(xué)性能（強(qiáng)度、剪切硬度和可塑性等）進(jìn)行了分析，結(jié)合實際情況提出了一些測試方法，以期為相關(guān)人員提供一定的參考。