金屬材料在極高應(yīng)變率下的力學(xué)性能測試

趙 蕊，潘學(xué)東

（全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京 100000）

金屬材料是指由金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)稱包括純金屬合金金屬間化合物和特種金屬材料等。由于其良好的延展性和較高的堅固性，金屬材料廣泛應(yīng)用于軍事和民用土木工程中。但是由于金屬材料內(nèi)部的分子做高速運動，當(dāng)處于沖擊下，金屬材料就會發(fā)生較大的變形、高應(yīng)變率。因此在選用金屬材料的過程中，就有必要在極限環(huán)境下，檢測其發(fā)生形變的情況，最大限度的保證建筑等的可靠性。

1 金屬的應(yīng)用現(xiàn)狀

金屬在人類生活中的各個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，但隨著現(xiàn)代的材料技術(shù)、制備工藝及對于使用性能的發(fā)展，已經(jīng)走出了傳統(tǒng)金屬材料的范疇，不再是當(dāng)初的銅、鐵和之后的鋁，已經(jīng)發(fā)展至如今的新型金屬材料。如：微晶材料、快速冷凝非晶材料及定向凝固柱晶等等，所以，金屬材料的地位是不會被輕易取代的，在未來也將會是人類所重視和使用的重要材料[1]。現(xiàn)代的金屬材料逐漸呈現(xiàn)輕金屬比重增大的局面，這其實也與社會的發(fā)展規(guī)律有關(guān)，科技技術(shù)的進步、人類對于方便精巧別致的要求等，都會使得金屬材料的發(fā)展與社會的發(fā)展水平以及人類的需求相關(guān)。毫不夸張地說，金屬的獨特用途還會被人類所開發(fā)，可能也會推動社會科技的發(fā)展，它的價值并不僅僅是一種材料，更多的是科技發(fā)展的推動力，我們的未來也要充分利用好它的價值，造福人類生活以及社會科技讓它的光芒更加閃耀[2]。

1.1 金屬的應(yīng)用范圍

1.1.1 金屬材料的應(yīng)用

金屬材料是當(dāng)前發(fā)展較快的一種功能材料。其具有可調(diào)節(jié)、耐腐蝕、耐高溫，強度高等特點，可以制作出各種材料，例如過濾器、分離膜、消音器、催化劑載體、電池電極、阻燃防爆等。

1.1.2 納米金屬材料材料的應(yīng)用

納米金屬材料是利用納米技術(shù)制造的金屬材料，具有納米級尺寸的組織結(jié)構(gòu)，在其組織中也包含著納米顆粒雜質(zhì)。在金屬材料生產(chǎn)中利用納米技術(shù)，可以將材料成分和組織控制地極其精密和細(xì)小，從而使金屬的力學(xué)性能和功能特性得到很大的提高。納米材料可以應(yīng)用到一下幾個方面：①高硬度和耐磨WC-Co納米復(fù)合材料。納米結(jié)構(gòu)的WC-Co在硬度、耐磨性和韌性等方面優(yōu)于普通的粗晶材料，已經(jīng)用作保護涂層和切削工具。高能球磨或化學(xué)合成WC-Co納米合金也已經(jīng)工業(yè)化；②鋁基納米復(fù)合材料。鋁基納米復(fù)合材料以其超高強度（可達到116 GPa）為人們所關(guān)注。其結(jié)構(gòu)特點是在非晶基體上彌散分布著納米尺度的α-A1粒子，合金元素包括稀土和過渡族金屬。

1.2 金屬在工業(yè)中的應(yīng)用

有調(diào)查顯示，在航空、軍事各個領(lǐng)域獲得了應(yīng)用并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。鋁合金是軍事工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬材料，可是武器輕量化的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。鋁合金可以用于制造飛機的隔框、長梁等等，它亦是運載火箭及宇宙飛行器的構(gòu)造原料，成功的用于步兵戰(zhàn)車和裝甲運輸車的制造生產(chǎn)。不僅如此，截至2016年的研究發(fā)現(xiàn)，新型鋁合金材料被用于榴彈炮炮架的生產(chǎn)，并且新興里鋁合金用于飛機后，使其的重量大大減少，不過在其厚度或者經(jīng)濟成本方面存在的問題還有待于人們研究。并且鋁合金被用于汽車的生產(chǎn)原料，減少了原本鋼車的車身重量，是值得人們研究與大力推廣的用于工業(yè)化生產(chǎn)的原材料。

2 應(yīng)變率

應(yīng)變率是材料變形速度的一種度量。它的提出是美國冶金學(xué)家在1869年提出。在材料動力學(xué)性能的實驗中包括中應(yīng)變率實驗、高應(yīng)變率實驗、超高應(yīng)變率實驗三種。而有研究表明，純銅的粗晶材料對應(yīng)變率沒有反應(yīng)，而新型的納米材料則與之不同，高應(yīng)變率會使得納晶具有高強度和好的韌性。而金屬材料與應(yīng)變速率的關(guān)系也顯示了該材料對不同應(yīng)變速率的敏感性。

3 金屬材料力學(xué)性能測試的指標(biāo)

3.1 硬度

對于金屬材料的硬度的研究方法，我國對這一指標(biāo)的測定沒有明確的定義，但就被國內(nèi)外普通采用的金屬硬度試驗方法而言，就是其所謂的抗壓能力，即材料一方抑制另一方擠壓的能力。硬度的檢測被稱為評價金屬力學(xué)性能最簡單的一種試驗方法，硬度代表的是金屬材料力在一定作用力下的強度、可塑性、韌性等等。

3.2 強度

強度即就是在靜態(tài)狀態(tài)下金屬材料抵抗外力而產(chǎn)生的塑性變形和破壞作用的能力。而由于不同的外力的作用，將強度分為了不同類型，包括抗拉強度、屈服強度、抗壓強度等等。（拉伸強度的表示為產(chǎn)生明顯塑性形變時的拉力與試樣原截面面積的比值）。

3.3 塑性

塑性所指的就是金屬斷裂前發(fā)生形變的能力，材料的塑性越好，則被加工的方式也多種多樣，造就了它的用途的廣泛性，它可以用伸長率和斷面收縮率表示。（塑性的伸長率表示為試樣斷裂前后的標(biāo)距長度差與試樣原始標(biāo)距長度之比的百分?jǐn)?shù)；斷面收縮率表示為試樣斷裂前后截面積之差與試樣原橫截面面積之比的百分?jǐn)?shù)）。

3.4 沖擊韌度

沖擊韌性是指金屬材料給予很強壓力的作用下，而不被破壞的性能。微量元素對金屬的沖擊性能影響較大，但是適量的微量元素可以增級其沖擊韌性，例如：Ti和B等。（沖擊值表示為沖擊試樣破壞時所消耗的沖擊功與沖擊試樣斷口處的截面積之比）。

3.5 疲勞

對于金屬疲勞是表示是材料、零構(gòu)件在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下，產(chǎn)生永久性損傷，然后數(shù)次數(shù)循環(huán)后產(chǎn)生裂紋或發(fā)生完全斷裂的過程。

4 高應(yīng)變率對金屬材料力學(xué)指標(biāo)的影響

4.1 高應(yīng)變率對鎂合金的影響

有研究對于鎂合金在高應(yīng)變率下并行能力的影響，發(fā)現(xiàn)鎂合金的應(yīng)力—應(yīng)變曲線對應(yīng)變速率不敏感，但合金的某些纖維組織對于贏率速率的敏感性相反會異常敏感。應(yīng)變率的高低會影響鎂合金內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和變形方式，兩者的主要變形方式相同均為孿生，但鎂合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在低應(yīng)變率下為孿晶，當(dāng)高應(yīng)變率時孿晶的數(shù)目減少。在進一步的探索中，研究同種應(yīng)變率下三種鎂合金的變形機制，發(fā)現(xiàn)在高應(yīng)變率拉伸作用下，鎂合金呈現(xiàn)正應(yīng)變頻率，并且在一定應(yīng)變率范圍內(nèi)，正應(yīng)變率效應(yīng)表現(xiàn)的最為明顯。應(yīng)變率的增大會導(dǎo)致合金強度的增大，也表明鎂合金隨應(yīng)變率提高進行的變形過程中吸收了更多的能量，并且在此過程中滑移的百分比也相對增大。高應(yīng)變率下，鎂合金的斷裂程度越高。而有關(guān)研究中對鎂合金采用靜態(tài)拉伸試驗機以及高應(yīng)變速率沖擊拉伸試驗，得到了不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，從中發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)變率增加時，屈服應(yīng)力和拉伸強度會增加，而失穩(wěn)應(yīng)變會減小，其彈性模量對于應(yīng)變速率沒有太大的敏感性。

4.2 高應(yīng)變率對多孔鐵合金的影響

多孔金屬材料有相對較高的比剛度及比強度等特點，應(yīng)用于航天航空交通運輸?shù)裙こ填I(lǐng)域。目前，我國采用的大多數(shù)材料為相對密度較低的多孔材料，承載能力及其它的質(zhì)量都有相當(dāng)?shù)囊螅嗫阻F合金符合這種規(guī)定。有研究對相對密度和應(yīng)變率于多孔金屬的強度進行了探討與分析，實驗結(jié)果證實應(yīng)變率對多孔鐵合金的力學(xué)性能有著明顯的應(yīng)變效應(yīng)，并且初始相對密度對于多孔鐵合金的強度亦有明顯的影響，即鐵合金的初始密度機應(yīng)變率兩者的增大都使得屈服強度也增大。有相關(guān)研究利用分離式霍普金森壓桿實驗裝置，對多孔鐵合金在高應(yīng)變率下的力學(xué)行為進行分析與探討，也證實了以上研究的結(jié)論，更加肯定了應(yīng)變率對于鐵合金的影響。

4.3 高應(yīng)變率對納米多孔銅的影響

力學(xué)性質(zhì)是金屬材料的基本屬性。納米多孔金屬是目前發(fā)展起來的新型金屬材料，其孔隙率和比強度都相對較高，并且強度、韌性及抗沖擊等力學(xué)性能都比較好，可以用作為輕質(zhì)量結(jié)構(gòu)的包裝材料被使用。有研究對于納米多孔金屬銅的研究，探索了溫度、孔隙率等因素對其力學(xué)性能的影響，實驗結(jié)果表明當(dāng)溫度升高時，該金屬材料的臨界應(yīng)變、彈性模量及屈服強度均減小；而當(dāng)孔隙率越高時，溫度對彈性模量及屈服強度的影響越小。

4.4 高應(yīng)變率閉孔對泡沫鋁的影響

閉孔泡沫鋁是作為一種質(zhì)量較輕的金屬材料。當(dāng)密度比較低時，比剛度和比強度就相對比較好，并且具有良好的抗沖擊性和能量吸收性，因此逐漸被汽車產(chǎn)業(yè)界所重視。而于應(yīng)變率對泡沫鋁的抗沖擊性能的研究中，截至2014年有不同的觀點，分別為第一種為泡沫鋁的抗沖擊性能于應(yīng)變率無關(guān)，但該材料的屈服能力與吸收能力與相對密度有關(guān)；另一種觀點則與之相反，至今為止，也沒有相關(guān)的研究對此問題做出更進一步的判別。

4.5 高應(yīng)變率對于聚四氟乙烯的影響

聚四氟乙烯是一種含氟的金屬復(fù)合材料，近年來對其的毀傷能力和材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有深入的研究，采用壓剪炮試驗系統(tǒng)，對該材料的高應(yīng)變率的應(yīng)力—應(yīng)變曲線進行研究，實驗得到聚四氟乙烯的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，最終得出正應(yīng)力與應(yīng)變速率有一定的相關(guān)性。

綜上可見，高應(yīng)變率與各種金屬材料的力學(xué)性能均呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，并且諸多金屬材料與應(yīng)變速率的相關(guān)性反應(yīng)應(yīng)變速率的敏感程度，反應(yīng)速率越高金屬材料的屈服強度也會越高，該材料的吸收效果也越好，這種性能的具有，也使得現(xiàn)代很多的領(lǐng)域?qū)τ谒氖褂寐始爸匾晻礁撸饘俨牧系男阅苤档萌藗兏由钊氲难芯浚奖阄覈t(yī)藥、軍事等的應(yīng)用，使金屬制品行業(yè)的產(chǎn)品也更加趨向于多元化，產(chǎn)品性能也與人類的需求相適應(yīng)，隨著金屬行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化，國家也對該行業(yè)的大力投資，金屬行業(yè)也會有更大的發(fā)展空間。