機(jī)械自動化制造中的材料力學(xué)測量技術(shù)分析

朱斌

江蘇省南通中等專業(yè)學(xué)校 江蘇省南通市 226011

1 前言

在材料科學(xué)的不斷發(fā)展中，出現(xiàn)了大量新型材料，如光導(dǎo)纖維類材料，有效提升了材料使用性能。在機(jī)械自動化制造中，力學(xué)測量技術(shù)作為其中的重要部分面對機(jī)械自動化制造有著較大的影響，測量技術(shù)也逐漸受到重視。此外，社會對機(jī)械材料力學(xué)測量性能的要求不斷提高，材料力學(xué)性能也發(fā)展了多項測量技術(shù)，對產(chǎn)品的使用壽命、可靠性提升有著重要作用。

2 材料力學(xué)測量技術(shù)在機(jī)械自動化制造中應(yīng)用的重要性

在機(jī)械自動化制造中，金屬材料的應(yīng)用較為廣泛，金屬力學(xué)性能是在力、能的作用下，在強(qiáng)度、形狀等方面表現(xiàn)出相應(yīng)的特性，強(qiáng)度指標(biāo)是計算構(gòu)件剛度、強(qiáng)度的重要依據(jù)，通常需要實驗測定。同時，材料力學(xué)性能也是檢查材料質(zhì)量以及工藝的重要方式，材料科學(xué)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出大量新型合金材料，而該材料的力學(xué)測量是材料研究的重要任務(wù)。測量技術(shù)是機(jī)械自動化制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠準(zhǔn)確測量每一種材料的力學(xué)指標(biāo)，測量其強(qiáng)度、彈性等極限，根據(jù)指標(biāo)設(shè)計零件的強(qiáng)度。在金屬材料加工中，材料的良好塑性是加工的重要條件，并且對零件的質(zhì)量安全有著重要作用，所以，測量材料的沖擊韌性、塑性意義重大。硬度是機(jī)械自動化制造中的關(guān)鍵指標(biāo)之一，硬度越高，零件的塑性抗力、耐磨性則越好，所以，硬度也是材料力學(xué)測量技術(shù)中重要部分。部分零件在工作期間會受到應(yīng)力影響出現(xiàn)斷裂，這種現(xiàn)象為疲勞現(xiàn)象，通過借助力學(xué)測量技術(shù)能夠檢測零件的疲勞度?？偟膩碚f，在機(jī)械自動化制造中，離不開相應(yīng)的原材料，只有合理應(yīng)用材料力學(xué)測量技術(shù)，才能夠有效掌握整體生產(chǎn)情況。

3 材料力學(xué)測量技術(shù)實驗方法與特點

3.1 拉伸實驗

在機(jī)械自動化制造中，想要保證設(shè)備具有良好的性能，就需要應(yīng)用合理的材料，全面了解材料的力學(xué)性能以及各種影響因素。材料性能檢測是機(jī)械自動化制造中的重要部分，也是評定產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，而檢測結(jié)果是評定材料力學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)。拉伸實驗主要是檢測材料的塑性、強(qiáng)度指標(biāo)，但是，在實際檢測過程中存在多種影響因素，嚴(yán)重影響檢測結(jié)果的精準(zhǔn)度，因此，通過限定因素，將影響降至最小，以確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。在實驗過程中，還需要嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)，采用矩形、圓形截面試件，并借助實驗機(jī)的自動繪圖裝置，將拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線繪制出來。由于摩擦力可能出現(xiàn)不足，導(dǎo)致試件兩端夾緊部分發(fā)生滑動，在計算數(shù)據(jù)時，應(yīng)全面思考各種可能影響實驗結(jié)果的因素，保證測量結(jié)果的精準(zhǔn)。拉伸實驗流程比較簡單，能夠測量多種材料的力學(xué)性能，在實際應(yīng)用中較為廣泛。

3.2 扭轉(zhuǎn)實驗

扭轉(zhuǎn)實驗是在扭轉(zhuǎn)力作用下，觀測試樣的受力情況以及變形情況，根據(jù)材料破壞形式，測定材料的剪切屈服限度和強(qiáng)度限度。在具體操作過程中，固定機(jī)體上的夾頭，通過水平移動減速裝置，完成轉(zhuǎn)動。實驗期間，低碳鋼等塑性材料通常會發(fā)生較為明顯的形變，但試樣依然為圓柱形，橫截面大小、平行長度尺寸也不會發(fā)生較大的變化，并且不會出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象。對于鑄鐵等脆性材料，在扭轉(zhuǎn)時只會出現(xiàn)較小的形變，即突然發(fā)生斷裂。當(dāng)試件在承受扭矩時，材料為純剪切應(yīng)力狀態(tài)，這也是拉伸之外的一種應(yīng)力狀態(tài)，主要用于研究不同材料在純剪切應(yīng)力狀態(tài)下表現(xiàn)出來的機(jī)械性質(zhì)。

3.3 壓縮實驗

壓縮實驗主要是對材料的抗拉強(qiáng)度、壓縮屈服極限進(jìn)行測定，并觀察材料在壓縮期間表現(xiàn)出來的形變情況，進(jìn)而對比不同材料的壓縮機(jī)械性能。壓縮實驗的原理是將試樣放置于實驗機(jī)壓板中間，啟動實驗機(jī)，并慢慢加載，示力指針呈勻速轉(zhuǎn)動，借助實驗機(jī)繪圖裝置，繪制出相應(yīng)的壓縮圖，根據(jù)實驗可知，大多數(shù)金屬材料破壞之前的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系拉伸實驗、壓縮實驗是一樣的。在壓縮實驗期間，材料會在壓力作用下出現(xiàn)較大摩擦力，導(dǎo)致無法均勻變形，所以，在實驗過程中通過添加潤滑劑，有效減小摩擦，確保獲得精準(zhǔn)的材料性能。低碳鋼是典型的塑性材料，在壓縮實驗過程中，試樣的壓縮變形符合胡克定律，變形快速增長時，材料會慢慢屈服，而變形也不會服從胡克定律，屬于非線性的，不過與拉伸實驗中的屈服階段有很大的不同，其屈服期間的變形時間較短，在試樣長度的不斷減小中，其直徑明顯增大[1]。實驗機(jī)壓板和試樣兩端間的摩擦力會影響其橫向變形，出現(xiàn)鼓形狀態(tài)，當(dāng)荷載力不斷增加時，塑性變形也會持續(xù)，試樣橫截面也會不斷變大，試樣會逐漸變扁，但不會破裂。鑄鐵是典型的脆性材料，在壓縮實驗過程中，與拉伸有明顯的不同，雖然壓縮曲線沒有出現(xiàn)明顯的直線以及屈服階段，但是曲線明顯彎曲，這說明在最大荷載之前，試樣便發(fā)生了明顯的塑性變形。

3.4 硬度實驗

硬度實驗的受力方式主要有兩種，一種為壓入法，另一種為刻劃法，在實驗過程中，比較常用的是壓入法，而壓入法又分為動力、靜力實驗法兩種，其中，比較常用的為靜力實驗法。一，布氏硬度實驗法。該方法的優(yōu)點在于硬度比較好，具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，能夠有效反應(yīng)金屬各組成部分的平均值，且不容易受到不均勻度的影響，但是壓痕比較大，對于成品檢驗存在一定的難度，通常用于半成品的檢測[2]。二，洛氏硬度實驗法。該方法的操作流程比較簡單，對材料的壓痕、損壞比較小，能夠用于成品測量，但是測量結(jié)果具有一定的局限性，每個工件測量點數(shù)大于三個點。三，維氏硬度實驗法。該方法的優(yōu)點是壓痕比較淺，為正方形，對角線測量具有極強(qiáng)的精準(zhǔn)性，其測量精度非常高。同時，該方法的測量范圍比較廣，適合各種金屬材料，其不足之處為效率較低，且需要專業(yè)技術(shù)支撐，對試樣光潔度要求較高，操作流程比較繁瑣。

3.5 疲勞實驗

疲勞實驗主要是了解材料的疲勞極限，一般采取旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實驗，由于實驗不能夠?qū)υ嚰o限循環(huán)使用，所以，就需要設(shè)定一個循環(huán)基數(shù)，例如，黑色金屬循環(huán)次數(shù)為N=(5-10)×106，有色金屬循環(huán)次數(shù)為N=(50-100)×106，承受值為可以承受N次循環(huán)，并且不出現(xiàn)疲勞損壞的最大應(yīng)力值[3]。在組件運轉(zhuǎn)期間，極易受到各種因素的影響，降低其使用壽命，環(huán)境、溫度等都會增加試件的疲勞度，所以，在制造過程中應(yīng)全面考慮這些因素。

3.6 沖擊韌度實驗

大多數(shù)構(gòu)件會受到?jīng)_擊荷載的影響，因此，需要對材料沖擊韌度進(jìn)行測量。在具體實驗過程中，通常在有缺口槽的矩形試件，并保證室溫穩(wěn)定，通常在10℃-35℃之間，如果需要嚴(yán)格要求溫度范圍，則將室溫控制在20℃±2℃之間。在高溫、低溫的沖擊實驗中，保證溫度偏差不超出±2℃，以確保試樣在要求的溫度內(nèi)。

4 機(jī)械自動化制造中的材料力學(xué)測量方法

4.1 納米壓入法測量

在納米壓入法測量中，可以將測量期間的荷載位移曲線畫出來，結(jié)合材料形變相關(guān)理論，當(dāng)材料受到壓力時，在壓力的不斷增加下，材料先發(fā)生彈性形變，接著出現(xiàn)塑性形變，由此可見，加載－卸載曲線是非線性的，材料的彈性恢復(fù)便是卸載的過程，最后，對于該曲線可測量的材料，分析其納米硬度、楊氏模量。

4.2 薄膜殘余應(yīng)力測量

薄膜殘余應(yīng)力的測量一般是結(jié)合襯底彎曲形狀、規(guī)律而進(jìn)行的，對于需要測量的材料，采取整體位移法完成定位，并完成薄膜的釋放、旋轉(zhuǎn)等多個步驟。在應(yīng)力測量中，結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)，對材料的力學(xué)性能進(jìn)行全面分析，從中提出采用率數(shù)值，確保測量的準(zhǔn)確性[4]。

4.3 襯底彎曲法

在材料測量過程中，襯底彎曲法的應(yīng)用需要考慮薄膜殘余應(yīng)力是否會使襯底出現(xiàn)彈性彎曲現(xiàn)象，根據(jù)薄膜生長前與生長后的撓度差、曲進(jìn)半徑差，還需要對殘余應(yīng)力、撓度的關(guān)系進(jìn)行分析，采用懸臂梁法進(jìn)行測量，在測量過程中需要觀察誤差的大小。

4.4 共振頻率法

共振頻率法指的是根據(jù)微梁共振頻率測量材料力學(xué)性能，微梁可以使用懸臂梁，也可以使用微橋。在測量過程中，在電壓的激勵作用下，微梁產(chǎn)生振動，激勵電機(jī)選擇正弦電壓，便于后續(xù)進(jìn)行觀察，將激光束照在微梁上，有效觀察微梁的振動情況，振幅最大的地方為微梁的兩端、中心點，所以，激光束一般照在這兩個位置。利用PSD對反射的激光束及時檢測，將輸出的信號與示波器連接，邊能夠觀測到相應(yīng)的振幅，通過更改電壓頻率，確保微梁在特定頻率發(fā)生共振，而此時，PSD輸出、微梁振幅全部達(dá)到最大，便可以獲得微梁共振頻率[5]。

4.5 荷載位移法

在荷載位移法的應(yīng)用中，單軸拉伸實驗最為重要，通過實驗?zāi)軌驕y量楊氏模量的形成標(biāo)準(zhǔn)，確定受力面積，進(jìn)而解釋數(shù)據(jù)的通用性特點。在某多晶硅微拉伸測量中，楊氏模量為170GPa，斷裂強(qiáng)度為1.2GPa，薄膜有殘余應(yīng)力，在實際測量中會出現(xiàn)軸彎曲損壞的現(xiàn)象，對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大的影響[6]。

4.6 尺寸穩(wěn)定性的測量

在機(jī)械自動化制造中，對于材料的力學(xué)測量應(yīng)明確測量的穩(wěn)定性，結(jié)合測量標(biāo)準(zhǔn)，確定測量尺寸。在測量過程中，需要穩(wěn)定測量因素，并根據(jù)溫度以及細(xì)節(jié)變化進(jìn)行測量，避免受到外界因素的影響。不同材料的測量條件和要求各不相同，并且材料的長度會隨著時間而變化，在測量中需要采取補(bǔ)償測量的技術(shù)。大多數(shù)固體材料會在測量過程中出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象，因此，應(yīng)準(zhǔn)確測量出溫度的變化情況。同時，在溫度的變化中會使測量出現(xiàn)位移，所以在測量時應(yīng)保證溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)，并根據(jù)相應(yīng)的測量方法，確定測量的方位。對于熱脹冷縮的測量，主要是采用激光干涉儀來測量，對于熱膨脹的測量，主要是在支架上使用螺絲固定，確定支架和底板的連接時間，配合好端口的固定工作。在材料的同一位置進(jìn)行測量時，應(yīng)保證反射器表面之間的距離符合標(biāo)準(zhǔn)。在同一平臺進(jìn)行測量可以滿足測量標(biāo)準(zhǔn)要求，通過測量出因熱膨脹而導(dǎo)致的尺寸變化，便能夠確保材料測量尺寸的準(zhǔn)確性。

4.7 彈性測量

在零部件測量中，應(yīng)全面考慮材料的彈性，彈性包括動態(tài)、靜態(tài)兩種方式，在測量期間根據(jù)不同的材料，設(shè)置合理的彈性系數(shù)，例如，體積模量、剛性模量等系數(shù)，在時間和溫度的作用下，材料的彈性強(qiáng)弱會發(fā)生相應(yīng)的改變，測量系數(shù)應(yīng)結(jié)合測量溫度、時間、特性來考慮。在測量過程中，采取楊氏模量法，先明確材料膨脹光學(xué)系統(tǒng)，并進(jìn)行張力測量，確定彎曲的模式與方法。同時，明確測量數(shù)據(jù)，保證測量時的零件以及負(fù)載部件，在正式測量時對于工作臺滑輪間的摩擦可以忽略不計。

4.8 強(qiáng)度測量

在材料的強(qiáng)度測量中，應(yīng)確定測量期間的應(yīng)力狀態(tài)，找好測量強(qiáng)度，確定彎曲強(qiáng)度系數(shù)。在測量過程中，強(qiáng)度產(chǎn)生的差值并不能夠確保測量的準(zhǔn)確性，動態(tài)參數(shù)對測量形式會產(chǎn)生較大的影響，而時間和應(yīng)力也會產(chǎn)生作用，導(dǎo)致產(chǎn)生曲線偏差，此時應(yīng)采取新的測量方法，并做好線性回歸分析。

5 材料力學(xué)測量的具體應(yīng)用

5.1 反射標(biāo)準(zhǔn)有待完善

在機(jī)械自動化制造中，材料力學(xué)測量技術(shù)的應(yīng)用能夠增強(qiáng)材料性能。在測量塑膠磨鋼板時，采取彎曲測量法，對產(chǎn)生的彎曲程度進(jìn)行測量，明確測量的方法和測量的結(jié)果是否符合相應(yīng)需求。彈簧間的彈性系數(shù)有很大的不同，在測量時應(yīng)明確測量的性能、溫度、彈性模型之間的關(guān)系，通過系統(tǒng)化測量，形成相應(yīng)的測量方案。在明確反射標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)選擇高反射標(biāo)準(zhǔn)，通過測量輻射熱能、積分球，確定輻射期間發(fā)生的損耗。同時，在測量期間保證測量點的精準(zhǔn)性，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定反射系數(shù)。

5.2 系數(shù)差值

對于復(fù)合材料力學(xué)性質(zhì)的測量，應(yīng)明確測量指標(biāo)與信號源之間的差值，由于接收信號存在不同，系統(tǒng)也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，并且在測量元件、反射標(biāo)準(zhǔn)模型時，也會出現(xiàn)誤差。在測量期間，不管信號源開關(guān)發(fā)生怎樣的變化，系數(shù)差值都會產(chǎn)生各種變化。結(jié)合測量的準(zhǔn)確性，確定可用功率，在具體測量過程中，運用信號源開關(guān)對反設(shè)計源進(jìn)行測量，明確系數(shù)之間的變化。

5.3 系數(shù)常數(shù)隨連接器變化

在材料力學(xué)測量期間，原件和反射標(biāo)準(zhǔn)連接至定向耦合器時，會產(chǎn)生不同的系數(shù)，并且會在連接器的影響下，導(dǎo)致數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)較大的變化，應(yīng)確定不同連接器對應(yīng)的反射標(biāo)準(zhǔn)，對于系數(shù)之間存在誤差可以忽略不計。反射物質(zhì)在測量期間會出現(xiàn)差距，在實際測量中會受到連接器的影響，反射標(biāo)準(zhǔn)會造成誤差，導(dǎo)致測量準(zhǔn)確度各不相同，因此，只有明確反射標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量，才能夠提升測量的準(zhǔn)確度。

6 結(jié)語

在機(jī)械自動化制造中，材料力學(xué)測量技術(shù)的應(yīng)用對設(shè)備質(zhì)量有著重要的保障作用，并且為材料研究提供精準(zhǔn)的測量技術(shù)。在社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展中，對機(jī)械設(shè)備以及材料性能指標(biāo)的要求逐漸增加，為了提升機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量，就需要借助力學(xué)測量技術(shù)，對材料各項性能指標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)檢測，通過采取納米壓入法、共振頻率法等多種方法，展開拉伸、壓縮、疲勞等實驗，以提升測量的精準(zhǔn)性。