淺析金屬材料試驗中計算機技術的應用

劉亦晴

摘 要：本文以金屬材料試驗中計算機技術應用為中心，首先分析了在金屬材料試驗中引入計算機技術的必要性，其次介紹了金屬材料力學試驗的分類及金屬材料壽命的預測方法，再次分析了金屬材料試驗中引入計算機技術的瓶頸，最后介紹了實驗室軟件系統優化設計的主要方法。

關鍵詞：金屬材料;力學試驗;計算機技術

為準確了解金屬材料在實際工況下的力學特性和失效模式，必須通過專門的試驗設備對金屬材料零部件進行相應的試驗，實驗室通常會配備拉伸、沖擊、壓縮、高溫等一系列試驗設備。為了對眾多的試驗設備進行有效管控，確保試驗數據的實時性和準確性，同時節約試驗員人力成本，很多試驗室都面臨著如何應用計算機技術對不同類別、不同生產廠家的試驗設備進行監控的難題。試驗室系統軟件需統籌管控全部試驗設備，具備與多個試驗設備系統軟件對接的能力，具備數據實時性抓取和存儲的能力，同時要面向用戶提供友好的操作界面，使用戶可以高效便捷地訪問、查詢、修改試驗數據。通過引入計算機相關技術，試驗室各設備由一個頂層軟件監控，各設備相當于系統軟件的子模塊，模塊化的設計可以為后續追加設備預留一定的接口，當試驗室擴充設備時僅在原程序的框架內做必要的設置即可。

1 在金屬材料試驗中引入計算機技術的必要性

金屬材料在現代工業生產中具有舉足輕重的作用，對于很多長時間運行在高溫條件下的設備，都采用了耐熱鋼和耐高溫合金材料。為了確保設備中的金屬部件穩定運行，必須對所使用金屬材料的力學特性有較為精準的了解，特別是其在高溫條件下的力學特征。力學性能試驗是掌握金屬材料力學性能的重要手段，通過提供精確的試驗結果，避免不合格的材料應用到生產實踐中。通常情況下機器設備中的關鍵零部件在高溫下的性能、耐久性、壽命等均有很高的設計要求，為了確保零部件的各項性能指標，完善的試驗設備為各項試驗提供可靠的測試手段，通過大量試驗數據分析可判定出關鍵零部件的性能。當需要分析的零部件數量較多或者單個零部件試驗項目較多時，通常需要多臺試驗設備連續測試，對設備的管理和對試驗數據的管理難度不斷增加，人工對應的效率往往無法滿足需要。

隨著計算機相關技術的不斷發展，在金屬材料試驗方面也逐步應用了計算機技術，各種高精度金屬材料試驗設備由手工操作向自動化控制進化，在進行試驗之前可以根據需要設置好各項參數，試驗設備即可按照設定的程序自動完成相關試驗，減少了試驗人員的工作量，提高了試驗設備的開動率。試驗員可以實時監控試驗設備的運行情況，調取試驗數據。試驗結束后，試驗設備可以自動存儲全部試驗數據，計算機軟件還可以進一步對數據進行分類和整理，減少研究人員統計和匯總數據的工作量，從而進一步提升試驗效率。在試驗設備中引入計算機技術，不僅實現了對試驗設備硬件的控制和集中統一管理，也通過配套的軟件實現對數據的管控，基于網絡的軟件可以對不同試驗設備的數據進行挖掘和分析，通過橫向比較不同試驗設備的數據，對零部件性能作出更智能化的分析。

2 金屬材料力學試驗分類

2.1 金屬材料的主要力學性能

金屬材料的力學性能是指在不同的溫度等外部條件下，對金屬材料實施沖擊、拉伸、壓縮等不同類型的載荷后材料所呈現的力學特征，包括強度、塑性、疲勞強度、沖擊韌度等。金屬材料的強度是其在固定載荷作用下承受變形的能力，通常通過抗拉強度試驗測量材料的彈性極限、屈服點等來判別金屬的強度;金屬材料的塑性是指其在固定載荷作用下發生塑性變形而不斷裂的能力，通常用斷面收縮率和斷后伸長率來評價;金屬材料的硬度是指其表面抵抗外部施加壓力的能力;金屬材料的沖擊韌度指其抵抗沖擊載荷而不被破壞的能力;金屬材料的疲勞強度指其在多次交變載荷作用下而不被破壞的最大應力值。

2.2 金屬材料的試驗方法

金屬材料的拉伸試驗是力學性能較為常見的試驗，通過試驗可以得知金屬材料的韌性、塑性、強度、彈性力學性能。金屬材料在高溫環境中的力學性能主要通過拉伸蠕變及持久試驗來測量，通過在持續高溫環境下保持固定應力或應變對金屬拉伸性能進行試驗，應力松弛試驗用于測量試驗件在高溫環境下長時間受力時應力降低情況，通常包括拉伸應力松弛試驗和彎曲松弛試驗。金屬材料在循環應力或循環應變作用下會因為內部組織不均勻而產生應力集中，當循環次數不斷增加時會產生裂紋直至發生疲勞斷裂，疲勞試驗按載荷和環境可分為高溫疲勞試驗、室溫疲勞試驗、低溫疲勞試驗、腐蝕疲勞試驗、沖擊疲勞試驗、接觸疲勞試驗等。

3 金屬材料壽命預測

設備運動機構的關鍵零部件損壞往往會導致較為嚴重的后果，因此預測金屬材料的持久壽命和蠕變斷裂壽命具有重要的實際意義。由于在工程應用中金屬材料的持久蠕變壽命很長，有的甚至長達10萬至20萬小時，直接通過長時間的持久蠕變試驗進行預測有很大難度，為了縮短試驗時間，通常采用增加試驗載荷或提升溫度的方式，在試驗數據的基礎上計算出蠕變持久壽命。

3.1 等溫線法

為了減少試驗時間，維持試驗溫度等條件不變，通過增加載荷的方式加速材料的蠕變斷裂過程，可以在相對較短的時間內獲得所需的數據，根據試驗獲得的數據即可計算出金屬材料蠕變斷裂性能。

3.2 時間溫度法

由于金屬材料的蠕變與溫度相關，提高試驗溫度時金屬材料的內部組織結構會相應發生變化，時間溫度法可以縮短試驗時間，通過較高溫度下獲取的試驗數據，進一步推斷出金屬材料蠕變斷裂性能。

4 金屬材料試驗引入計算機技術相關瓶頸問題

由于計算機技術發展速度較快，而金屬材料試驗設備則相對較為落后，大部分實驗室在引入計算機技術時，都面臨著試驗設備硬件和軟件方面均存在整合困難的問題。

4.1 系統軟件兼容性問題

對于較大規模的實驗室，往往會有幾十臺甚至上百臺設備，不同廠家或者不同時期生產的設備配備的操作系統和軟件系統也不盡相同，操作人員需要學習每套軟件的操作方法，大大增加了試驗員的學習成本。

4.2 軟件數據采集實時性問題

數據的實時性對金屬材料的試驗具有極其重要的意義，通過實時數據才能及時觀察到金屬材料變形等值的變化，發現試驗中的異常現象，并采取必要的處理措施，使試驗數據更具可靠性。部分實驗室系統軟件采用的是輪詢式的數據采集方式，按設定順序逐臺設備進行采集，這種輪詢式的方式實時性較差，無法做到試驗數據的同步采集。對于需要長時間運行的試驗設備，保持軟件系統的穩定性非常重要，必須克服系統因運行時間長可能出現的卡頓現象，確保數據的實時存儲和異常情況的快速處理。

4.3 試驗數據存儲問題

不同試驗設備的數據無法共享會導致整個實驗室管控困難，在實驗室軟件系統中數據存儲是最重要的環節，數據存儲質量會對后續的數據管理帶來很大影響。如何將孤立的各試驗設備有效整合，如何避免文件系統存在數據冗余問題，如何避免數據文件訪問時的寫入操作互相影響，都需要在軟件設計中予以充分考慮。數據的高效性也會對軟件系統的運行造成影響，在金屬材料試驗中，金屬的高溫蠕變試驗通常會進行幾個月甚至更長，當試驗數據量較大時，數據存儲和訪問所耗費的資源會相應增加。

5 金屬材料試驗軟件優化設計方法

5.1 不同設備軟件兼容性問題對策

針對不同試驗設備軟件接口問題，必須逐臺設備進行改造，在原試驗設備通訊協議和接口的基礎上，按統一的標準增加通訊接口，同時對試驗設備的程序做相應修改。由于采取相同的通訊協議和統一的標準通訊接口，各試驗設備相當于實驗室軟件系統的子模塊，實驗室軟件系統的主程序可以控制、訪問各子模塊，從而實現對全部試驗設備的統一管理。實驗室軟件系統還需要預留一部分擴展功能，當后續再追加試驗設備時，無需修改軟件的源程序，只設置相應的參數即可。

5.2 軟件數據采集實時性問題對策

對于試驗設備較多的實驗室，軟件規劃時需要采用多個子線程分別控制的方式。多個子線程控制方式將數據的采集、存儲等功能劃分給獨立的線程，與單線程方式比采集數據速度最高，可避免對數據存儲造成影響。由于每臺設備均由獨立的線程進行處理，為了避免同時開啟的線程數過多，在軟件設計時可以采取設立線程池的方式，避免浪費系統資源，大幅度提高程序的響應速度，在對試驗設備進行數據采集時主程序可正常運行，從而使用戶層界面始終處于可響應狀態。線程池可以自動設定試驗設備的狀態，當試驗結束時線程池自動釋放CPU資源。

5.3 試驗數據存儲問題對策

單機試驗設備通常采用文件系統存儲試驗數據，實驗室軟件系統采取數據庫系統的方式存儲試驗數據，用戶無需關注數據文件存儲的路徑，直接通過數據庫系統即可訪問所需數據，當數據量越大時，數據庫比文件系統訪問速度低延時的優點會越明顯。數據庫具有應對并發訪問的能力，具有以數據為單元的共享性，在并發訪問時數據可保持一致性。數據庫支持用戶高頻次的修改等操作，應用數據庫系統對試驗數據進行操作，對硬件資源的消耗明顯少于文件系統。

6 結束語

金屬材料力學性能試驗控制系統軟件解決了實驗室各設備軟件存在的問題和缺陷，實現了對各試驗設備控制系統的整合，通過網絡聯接打通了各設備數據信息的孤島。對系統軟件的優化設計確保了整個系統的穩定性、安全性、可擴展性，從而減少試驗員工作量，并使試驗效率明顯提升，應用系統軟件后實驗室智能化水平得以大幅度提升。

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