探討金屬材料的力學性能實驗方法及力學實驗設備

呂曉軍,劉 舟

（西安航空學院,西安 710077）

0 前言

金屬材料作為現(xiàn)代社會的重要組成部分，其對于零部件的運行具有積極的促進作用[1]。在金屬材料的選擇中，需要對材料的力學性能進行綜合分析，以便滿足設備的運行需求。因此，探究金屬材料的力學性能實驗方法以及力學實驗設備的種類具有重要的價值。

1 金屬材料力學性能實驗方法

（1）拉伸測試。拉伸測試是測量金屬產(chǎn)品質(zhì)量的重要方式，在測試過程中，需要對儀器以及設備的數(shù)據(jù)進行限定，降低客觀因素對數(shù)據(jù)的影響[2]。以低碳鋼的測試為例，在規(guī)定屈服載荷Ps后，在主動針停止轉(zhuǎn)動時測量，橫截面積為A，則其最大屈服極限為Ps/A。拉伸實驗具有簡單便捷的特點，在分析過程中，建立應變曲線，可以觀測材料的極限以及彈性模量等相關信息，并且在實驗過程中，材料的受力均勻，可以獲取單向應力關系。

（2）壓縮測試。壓縮測試主要應用于對材料的屈服極限以及抗拉強度的測試，通過觀察材料的變形以及破壞形式，可以較好的確定材料力學性能[3]。在測試過程中，由于材料的受壓程度不一，因而需要采用球形承墊的方式來進行測試，以低碳鋼的壓縮測試為例，在測試過程中，需要遵循胡克定律的規(guī)則，壓縮曲線呈現(xiàn)直線的變化趨勢，在出現(xiàn)非線性變化時，表示材料達到了屈服，之后其呈現(xiàn)曲線變化的趨勢，另外，在隨著載荷不斷增加的情況下，塑性變形呈現(xiàn)快速增長的趨勢，其可以通過屈服載荷/橫截面積的方式來確定屈服極限。壓縮實驗具有變形量大的特點，可以彌補拉伸實驗的不足，同時在實驗過程中，需要通過潤滑油的方式來降低表面的摩擦力。

（3）扭轉(zhuǎn)測試。扭轉(zhuǎn)測試需要在材料上繪制直線，確定扭轉(zhuǎn)變形，并且確定材料的屈服極限以及剪切強度極限。該測試方法在應用過程中，運用螺栓進行固定，在電機減速轉(zhuǎn)動的過程中，夾頭運動帶動工件扭轉(zhuǎn)，繼而出現(xiàn)變形。在扭轉(zhuǎn)測試中，材料處于切應力狀態(tài)，通過扭轉(zhuǎn)實驗，可以確定材料的機械特性，以低碳鋼為例，在進行扭轉(zhuǎn)測試的過程中，主要分為彈性、屈服、強化以及斷裂四個階段，扭矩分別為Tp、Ts和Tb，經(jīng)過分析，其剪切屈服極限值為3MTb/4Wp。在工件的破壞現(xiàn)象分析方面，在其橫截面上具有剪應力，同時低碳鋼的抗剪能力相對較弱，因而會沿著橫截面出現(xiàn)破壞。

（4）硬度測試。硬度測試主要采用受力方式進行測量，通常采用壓入法，根據(jù)布氏硬度的方式來進行測量，將合金置于一定壓力下，可以確定其壓痕面積S=1/2πD（D-D2-d2），通過布氏硬度進行測算，可以較好的確定材料的硬度。布氏硬度具有較高的代表性，壓痕面積相對較大，可以反映材料的平均情況，但是其不利于成品檢驗。布氏硬度主要應用于鍛鋼和鑄鐵等金屬材料的測試，但是對于有色金屬等材料的硬度測試能力存在明顯的不足，維氏硬度可以用于成品的測量，是常用的測量手段，其測試數(shù)值為試驗力與表面積S的比值。在維氏硬度的測試中，對角線的長度通常為0.02-1.4mm，其主要應用于材料研究以及科學試驗等幾個方面。另外，維氏硬度壓痕為正方形，便于測量，但是在使用過程中，對于材料的光滑度要求相對較高，因而僅僅應用于實驗室的測量。

2 金屬材料力學實驗設備

（1）萬能試驗機。萬能試驗機可以對多種材料進行拉伸、彎曲和壓縮等實驗，具有效率高的特點，其主要是由測量、驅(qū)動和控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成。其對力值的測量主要是通過傳感器、放大器和數(shù)據(jù)處理來實現(xiàn)，對于傳感的設計，通常是采用差動全橋測量方式，對于形變的測量，通常是通過測量過程中產(chǎn)生的形變而進行分析。其驅(qū)動系統(tǒng)主要是通過伺服系統(tǒng)控制電機來實現(xiàn)控制；對于控制系統(tǒng)，是通過操作臺以及電腦控制的方式來實現(xiàn)。

（2）扭轉(zhuǎn)實驗機。扭轉(zhuǎn)實驗機主要是應用于零部件的扭轉(zhuǎn)力情況下的性能測試，其通常應用于相關機構(gòu)或者學校的研究，可以對扭矩、轉(zhuǎn)角以及扭轉(zhuǎn)角進行測量，其主要包括以下幾種類型：第一，彈簧扭轉(zhuǎn)實驗機，其主要采用數(shù)字放大、數(shù)字采集以及閉環(huán)系統(tǒng)等先進的技術來實現(xiàn)測量；第二，線材扭轉(zhuǎn)實驗機，其主要測量0.1-10mm的金屬線材，可以確定線材的缺陷，主要通過單向扭轉(zhuǎn)和雙向扭轉(zhuǎn)來完成實驗。單向扭轉(zhuǎn)主要是通過一個方向的360度扭轉(zhuǎn)作為測試參數(shù)，而雙向扭轉(zhuǎn)則是在相反兩個方向扭轉(zhuǎn)360度來測量參數(shù)。第三，材料扭轉(zhuǎn)實驗機，主要是由高精度扭轉(zhuǎn)傳感器、光電編碼器以及數(shù)字顯示等技術來實現(xiàn)對扭矩以及轉(zhuǎn)角的測試。

（3）擺錘式?jīng)_擊試驗機。擺錘式?jīng)_擊試驗機主要是測量材料抵抗沖擊的性能，其主要分為手動、半自動和全自動三種類型，其可以根據(jù)需求來選擇沖擊功的大小。在實驗過程中，通過繼電器以及離合器等器件的操作，可以實現(xiàn)擺錘沖擊操作，并且具有自動揚擺功能，可以全面測試材料的沖擊力。

3 結(jié)語

金屬材料的力學性能測試需要通過設備以及科學的方法來完成，只有強化對性能測試方法以及測試設備的研究，才可以提升檢驗的科學性。希望通過本文的分析，相關部門可以對金屬材料的力學性能測試方法進行總結(jié)，且根據(jù)自身應用的實際情況，選擇科學的測試方法和設備。

[1]李思銳.金屬材料力學性能測試方法發(fā)展探討[J].綠色環(huán)保建材,2017(10):24-25.

[2]李衛(wèi)國,邵家興,寇海波等.材料高溫力學性能理論表征方法研究進展[J].固體力學學報,2017,38(02):93-123.

[3]肖廈子,宋定坤,楚海建等.金屬材料力學性能的輻照硬化效應[J].力學進展,2015,45(01):141-178.