金屬材料剪切力學(xué)性能及測試方法探討

袁亦凱（杭州華安無損檢測技術(shù)有限公司，浙江杭州310023）

0 引言

通常情況下，在對金屬材料性能進行明確時，一般都是采用力學(xué)測試或者是力學(xué)評價等方式，通過對計算機技術(shù)的合理應(yīng)用，可以對被測試金屬材料進行模擬，同時根據(jù)實際情況成立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。但是，在實際的測試以及評價過程，因為受到多方面因素的影響，所以經(jīng)常會面臨技術(shù)或者是各種實驗問題的產(chǎn)生，這些問題的存在對金屬材料性能測試工作開展形成了非常嚴(yán)重的阻礙。針對這種現(xiàn)象，需要進一步加強對金屬材料力學(xué)性能測試研究工作，從而制定出合理的力學(xué)性能測試方法，從而才能保證最終測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 金屬材料的概念分析

金屬材料主要是將各種金屬元素進行了有效結(jié)合，在整體上具有一定的金屬特性，通常情況下主要涉及到了純金屬、合金、金屬材料金屬化合物以及特種金屬材料等多種形式。金屬材料種類不斷增多，在整個社會發(fā)展中起到了非常重要的基礎(chǔ)作用。人們在對金屬材料性能進行判斷時，剪切力學(xué)性能測試屬于一種非常重要的方式，需要相關(guān)人員進一步加強對測試方法的研究工作。

2 金屬材料剪切力學(xué)性能指標(biāo)

2.1 強度與強度指標(biāo)

結(jié)合目前的實際情況來看，在機械加工領(lǐng)域中，金屬材料已經(jīng)實現(xiàn)了非常廣泛的應(yīng)用，可以起到一定的靜荷載作用，其中強度指的是對塑性變形以及斷裂的抵抗能力。金屬材料在實際的應(yīng)用過程中，其荷載主要指的是所承受的外界壓力，一般可以劃分為靜荷載、沖擊荷載以及交變荷載等多種形式。其中，靜荷載是剪切力的大小以及作用發(fā)生都是固定不變的，沖擊荷載一般就是面臨的沖擊力非常大，當(dāng)在零件上產(chǎn)生作用時，一般作用時間比較短，并且速度非?？?。與靜荷載相比，交變荷載則具有相反的特點，隨著周期性的變化，其作用力大小以及方向也會隨之發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。在具體的研究過程中，其強度指標(biāo)是在靜荷載作用下進行研究的。

通常情況下，在對金屬材料強度指標(biāo)進行表示時，都是通過屈服強度來進行，當(dāng)金屬材料受到一定程度的壓力之后，就會產(chǎn)生屈服現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生塑性變形現(xiàn)象時，其變形能力不會隨著力的增加而發(fā)生改變，在這時所對應(yīng)的應(yīng)力為屈服強度。在機械加工過程中，一般所使用的材料不可以存在塑性變形現(xiàn)象，因此，在零部件設(shè)計以及材料選擇過程中，屈服強度屬于一項非常重要的參考標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 剪切塑性與塑性指標(biāo)

在機械加工過程中，當(dāng)金屬材料受到一定的荷載作用時就會發(fā)生變形現(xiàn)象，同時，當(dāng)荷載達到一定標(biāo)準(zhǔn)之后，金屬材料也會出現(xiàn)不同程度的斷裂現(xiàn)象，在斷裂之前所承受的最大塑性變形能力，指的就是材料塑性。通常情況下，工作人員在對金屬材料強度以及塑性指標(biāo)進行判定時，都是采用拉伸試驗的方法來進行。首先，將需要進行測驗的材料加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣，然后將試樣安置到拉伸試驗機中通過緩慢的方式不斷增加拉伸壓力，最終所獲得到的拉伸荷載以及試樣伸長量關(guān)系，指的就是拉伸曲線。

2.3 剪切硬度與硬度試驗

在面對局部塑性變形以及破壞等現(xiàn)象時，金屬材料所產(chǎn)生的抵抗能力指的就是硬度，屬于金屬材料力學(xué)性能中非常重要的指標(biāo)。與拉伸試驗進行對比，在實際的操作過程中，硬度試驗過程具有非常明顯的易操作性，通常可以直接在零部件的表面開展試驗工作，能以直觀的方式將試驗結(jié)果展現(xiàn)出來，所以實現(xiàn)了非常廣泛的應(yīng)用。結(jié)合實際情況來看，目前所涉及到的硬度試驗方式非常多，在種類上具有非常明顯的多樣性，而最常用的性能測試方法主要體現(xiàn)在了以下幾個方面。

3 金屬材料剪切力學(xué)性能測試方法

3.1 布氏硬度試驗法

3.1.1 布氏硬度試驗法原理

在對布氏硬度試驗法進行應(yīng)用時，主要采用硬質(zhì)合金球做壓頭壓入到金屬表面中，對于給與一定的壓力，然后在一定的時間范圍內(nèi)撤回試驗力，然后對壓痕表面產(chǎn)生的直徑進行準(zhǔn)確側(cè)臉，在結(jié)合試驗壓力以及作用時間，將公式帶入到其中，通過計算可以對最終的硬度值進行明確。在具體的試驗過程中，所得出的結(jié)論為布氏硬度值與壓痕直徑之間呈成比例關(guān)系。

3.1.2 布氏硬度特點與適用范圍

結(jié)合布氏硬度試驗過程中的相關(guān)內(nèi)容進行分析，其中所用到的試驗力以及壓頭直徑都比較大，因此最終產(chǎn)生的壓痕也比較大，所以在具體的測量工作中存在一定的難度，雖然可以將硬度值體現(xiàn)出來，但是也存在一定的缺陷。主要是因為產(chǎn)生的壓痕比較大，所以會使金屬表面受到一定的破損現(xiàn)象。當(dāng)對零部件表面質(zhì)量要求比較高時，則不適合采用布氏硬度試驗法。

3.2 洛氏硬度試驗法

3.2.1 洛氏硬度試驗原理

與布氏硬度試驗法進行對比，洛氏硬度試驗原理具有一定的差異，主要是因為洛氏硬度試驗法將硬質(zhì)合金球壓頭變成了金剛石圓錐壓頭，同時在測量工作中，也不是對壓痕直徑進行測量，而是結(jié)合具體的壓痕深度，對最終的硬度值進行準(zhǔn)確測量。針對于不同標(biāo)尺下的硬度值而言，需要轉(zhuǎn)變?yōu)橥怀叨炔拍荛_展比較工作。

3.2.2 洛氏硬度特點與適用范圍

在對洛氏硬度試驗法進行應(yīng)用時，因為壓頭采用的是金剛石錐頭，所以產(chǎn)生的壓頭比較小，同時對零部件不會帶來特別大的損壞，一般適合應(yīng)用于薄壁或者是對表面質(zhì)量要求比較高的零部件中。但是，洛氏硬度試驗法在應(yīng)用過程中也存在一定的局限性，主要是因為最終所測量的硬度值可能與實際存在一定的偏差。

3.3 維氏硬度試驗法

維氏硬度試驗法在具體的應(yīng)用過程中，與布氏硬度試驗法以及洛氏硬度試驗法相比具有明顯的差異，主要是因為維氏硬度試驗法采用的金剛石四維棱椎體，并且維氏硬度試驗法在應(yīng)用過程中不會產(chǎn)生特別明顯的壓痕，所以可以應(yīng)用于薄壁零部件測量中。但是，在實際的試驗工作中，壓痕對角線的測量涉及到的內(nèi)容比較多，具有非常明顯的復(fù)雜性，這就在一定程度上增加了試驗工作難度。

3.4 沖擊韌度測試

對金屬材料沖擊韌度進行測試，主要是看金屬材料在一定的沖擊力作用下，對沖擊吸收功以及沖擊韌度進行明確。在沖擊韌度測試過程中，不但可以對金屬材料本身特性進行明確，同時還能找出材料內(nèi)部的缺陷，并在此基礎(chǔ)上對熱處理加工質(zhì)量進行全面檢測，如今沖擊韌度測試方法已經(jīng)在工業(yè)以及科學(xué)研究領(lǐng)域中實現(xiàn)了非常廣泛的應(yīng)用。沖擊韌度測試方法在應(yīng)用過程中不但操作比較簡單，同時還能有效減少測試過程中成本的投入。

3.5 壓縮測試

在金屬材料力學(xué)測試過程中，壓縮測試方法有著非常廣泛的應(yīng)用，在具體的測試過程中重要是對受力之后發(fā)生的變化進行深入研究，從而對金屬材料的抗拉強度進行明確。通常情況下，在壓縮測試中會得到非常大的變形量，可以對試驗過程中存在的缺陷進行完善。但是，在對壓縮測試方法進行應(yīng)用時也需要對一些注意事項引起重視，比如，當(dāng)金屬材料的表面發(fā)生摩擦效應(yīng)時，所以無法獲取到均勻的變形現(xiàn)象，在這時就必須要采取相應(yīng)的潤滑方式，然后對金屬材料表面存在的摩擦現(xiàn)象進行解決，通過這種方式才能有效保證材料性能數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

綜上所述，如今，隨著我國工業(yè)領(lǐng)域規(guī)模的不斷擴展，對于金屬材料使用性能提出了更高的要求。在我國科學(xué)技術(shù)水平不斷提升的背景下，一些新技術(shù)的不斷產(chǎn)生，金屬材料剪切力學(xué)性能測試技術(shù)也開始面向智能化以及數(shù)字化的方向不斷發(fā)展。要保證金屬材料剪切力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，就必須對現(xiàn)有的測試方法進行創(chuàng)新，為測試準(zhǔn)確度提供新的思路，同時構(gòu)建出多元化的金屬材料檢測數(shù)據(jù)庫，在后期可以起到非常重要的指導(dǎo)作用，