金屬材料力學性能檢測技術發展的研究

謝鵬

摘要：金屬材料通過檢測能夠得到關于力學性能的檢測結果。其中包含了測試方法，測試的環境，測試人員的條件等等內容。金屬力學性能的改進，要求被測試的材料必須進行科學和標準的改進，才能得到試驗和試樣的應力狀態的研究成果，并且根據試驗中的樣品的尺寸和大小等，進行測試的數據分析。但是有一點需要注意，就是金屬構件大多是具有復雜的尺寸的。因此通過力學試驗進行的測定的結果，能不能作為金屬材料的強度性能的表征加以分析，是必須加以準確和可靠的評價的。

關鍵詞：金屬材料；力學性能檢測技術；發展

1金屬材料的使用性能

在對材料進行選擇的過程中，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環境下，然后對相關產品進行有效的模仿，從而可以了解到該項產品性能是否滿足實際的使用需求，并且通過這種方式還可以收集到很多真實的數據信息，這樣就能為產品的合格性進行準確的判定。金屬材料的使用性能是一項非常重要的參考數據，這項標準直接決定了材料的使用范圍。結合實際情況可以了解到，金屬材料的使用性能主要包括了三個方面的主要內容，分別是化學性能、物理性能以及力學性能等。金屬材料的力學性能指的是材料在不同溫度下承受各種拉力所體現出的力學性能。

2金屬材料力學性能檢測技術

利用有限元的分析軟件，對連續體中的近似計算數值加以分析，能夠得到相當完善的理論體系，其中包含的數值的計算方法解決了工程了很多問題，包括電磁學、力學等。我國的材料力學的有限元的分析方法，經過多年的研究，已經可以對一些普通材料進行力學條件下的有限元的分析，并且給出關于材料力學應力應變和性能指標的關系。經過對復雜的物理對象的離散和劃分，通過對近似的函數的有限元的分析，能夠將整體的方程加以求解、處理，對誤差等進行分析，得到近似值的描述結果。通過計算機的數值計算，能偶利用數值進行任意復雜的問題多的處理。金屬材料的力學試驗的目標在與對金屬材料的拉伸、沖擊、工藝進行各種試驗，通過幾何形式的力學測驗，將力學的性能檢測以標準的式樣進行模擬，放在普通的力學檢測試驗上，進行應力狀態愛的力學檢測。模擬的力學檢測和試驗，能夠使整個試驗過程出現直觀的效果。

2.1模擬拉伸試驗

以模擬拉伸試驗為例，國內拉伸試驗方法標準為GB/T228.1-2010金屬材料室溫拉伸試驗方法，主要測定的檢測項目為：抗拉強度、屈服強度、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歷彈性、屈服、強化、頸縮四個階段，試驗數據是通過測量作用于試樣的載荷F和試樣原始標距部分的伸長L計算得出應力-應變圖，從而得出相應的試驗數據。ANSYS模擬金屬拉伸試驗主要分為：建模、設置物理參數、設置加載條件和求解等幾大部分。根據拉伸試驗的特點，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，這樣既可以縮短計算時間、減少存儲空間，同時也可以滿足計算精度的要求。因為金屬材料大都是各向同性的，只需要輸入DENS（密度）、EX（彈性模量）和NUXY（泊松比）定義即可。加載條件的設置主要以測試材料實測的應力應變關系進行設置。

2.2模擬數據庫的建立

同其他材料不同，金屬材料自身特性的參數，如DENS密度、EX和NUXY的數值也不同，模擬參數（DENS、EX和NUXY）是表示材料本身的狀態和大小的，模擬拉伸試驗的意義在于通過對實際檢測結果的耦合，與實際材料的固有參數無關，與大小受力狀態無關。與使用環境和實際檢測相耦合的條件無關，例如元素含量等模擬結果和熱處理狀態等相關，相互關聯的數據庫金屬力學性能測試領域中推出的模擬參數使得注意力更集中于“服役機件”。

2.3金屬構件的應用模擬

近些年，在金屬力學性能測試領域中注意力更集中于“服役機件”而不是普通試樣，模擬機件壽命試驗有逐步發展成為一門獨立學科的趨勢。如英國北海油田開發用金屬材料及加拿大天然氣管道構件，廣泛采用模擬試驗來研究金屬材料的在特定條件下的使用性能，航空渦輪發動機的地面模擬試驗在世界各國廣泛采用。但這些金屬構件的全尺寸模擬試驗缺乏普遍性且實施比較困難（費用昂貴和技術復雜），更多地用于各種關鍵性構件的模擬測試中。追蹤了解金屬材料的后加工形狀和使用狀態，通過計算機利用ANSYS建立相關模型，利用已有數據庫中的模擬參數，對金屬構件進行模擬分析，探求普通力學性能測試方法所得到的金屬力學性能判據與金屬制件在真實服役條件下所顯示的強度行為之間相互關聯的各種規律性。不僅實施簡單，節約大量的人力物力，更重要的是可以普遍應用于各種金屬構件，同時也為現實模擬服役條件下金屬構件的力學性能提供更直接有效的指導。

3金屬材料力學性能檢測技術的發展方向

伴隨著社會經濟建設以及各項技術水平的不斷提升，金屬材料試驗設備也在進行不斷的優化和完善，要想滿足未來社會經濟發展的相關需求，金屬材料力學性能檢測技術在未來需要對以下幾個發展方向引起重視。（1）不斷提高測試結果的準確度。目前，隨著我國科學技術的不斷發展，人們對于終極產品的要求開始逐漸提高，導致之前的測試方式已經不能再滿足實際的發展需求，這就需要對目前測試中的精明度以及精確度進行不斷的提升。（2）逐漸提升測量方法的科學化。只要保證測量系統具有一定的科學性，在標準要求上可以滿足相應的需求，才能在最大程度上降低誤差發生的概率，比如人為因素或者是操作不當等行為導致的測量誤差問題，通過這種方式才能逐漸滿足產品對于精準度的各項要求。（3）新型測試儀器以及測試方法的研究。目前，隨著我國材料科學工程的快速發展，一些新型材料應運而生，并在實際的生產過程中得到了非常廣泛的使用。但是傳統的測試設備與方法已經達不到新材料的測試標準水平，結合目前材料科學的發展狀況，需要在目前材料基礎上進行不斷的創新和優化，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結束語

總的來說，通過有限元分析的模擬分析，金屬材料在實際使用中復雜的形狀和大小，利用計算機模擬將應力應變狀態進行分析，金屬材料力學性能試驗的檢測，能夠直觀對金屬構件在真實服役條件下的性能等表征加以展現，使得金屬材、合理設計、制造、安全使用和維護提供有效的預測應力應變參考，為未來改進金屬材料測試方法，提高測試精度提供新思路，為金屬材料檢測數據庫的建立提供更多的視覺素材，同時也為現實金屬構件的模擬力學性能，提供更直接有效的指導。

參考文獻：

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（作者單位：中國電建集團核電工程有限公司，山東）