金屬材料工程力學行為及其微細觀過程分析

呂樂

（新余鋼鐵股份有限公司營銷中心，江西 新余 338000）

0 引言

工程力學行為一般指金屬結構和零部件在實際工作條件下的力學行為，是一種具有整體性功能以及復雜性的工程研究。主要研究內容為材料科學以及力學兩個方面。而微細觀過程一般是從晶粒范疇內所產生，在周圍的晶粒范圍內所產生的細觀過程，有效克服力學和材料科學在研究過程中所帶來的局限性。本文從鋼材斷裂和冷脆行為、金屬疲勞裂縫產生及疲勞極限、鋁合金超塑研究等3 個方面來闡述微細觀過程所帶來的影響。

1 工程力學行為研究內容分析

工程力學行為研究內容基本上可以分為三個階段。第一階段主要研究的是力學與材料科學的各自分工。其中力學研究方向主要是解決金屬結構設計的問題，主要是對工程力學行為進行總結，最后形成的理論主要用于力學分析和數學運算。除此之外還要對研究的材料進行性能均勻測試，要明確出其中模型的物理意義。材料科學主要研究內容為材料工藝的選擇與優化，并且分析工程力學的機理與材料因素，分析出對力學行為所帶來的影響。但實際上缺乏對金屬材料零部件、尺寸以及工藝上的研究，因此很難對工程力學行為做出定量解釋。

第二階段研究的是力學和材料科學之間的相互結合，主要是對工程力學行為進行深化研究。通過對材料科學中的裂縫認識，從而加深力學中的斷裂力學、損傷力學以及細觀力學內容。同時在研究材料的過程中，需要從材料本身的角度，對力學的研究成果進行定性或定量詮釋，并且進一步分析材料因素所帶來的影響，在以上內容的基礎上形成力學冶金和金屬力學性能等研究內容，雖然具有一定的研究意義，但是在學科分工方面仍然具有一定的局限性[1]。

第三階段是在原有研究成果的基礎上，直接解決好學科分工所帶來的局限性，并且對工程力學行為進行綜合分析，進一步研究出本身存在的特點。另外為了迎合當前的發展趨勢，需要對其進行模型化定量化研究。

2 金屬材料工程力學行為指導思想以及研究內容

金屬工程力學行為主要以微細觀過程理論為指導思想，具體指導思想內容如下。

（1）工業多晶體金屬材料中的工程力學行為都是從薄弱晶粒內部或其界面區域所產生的，為了能夠理解更加方便，因此將晶粒范疇內所產生的過程稱之為微觀過程。具體產生過程如圖1 所示。

從圖1 可以看出，多晶體材料所產生出來的微觀過程具有一定的隨機性，而且在發展的過程中很容易受到周圍晶粒的影響，因此只有在更大范圍內產生相鄰晶粒，才能使微細觀過程有著觸發條件，從而使周圍晶粒逐漸協調發展，因此這種定義過程可以被稱之為細觀過程，金屬零部件在經過一系列的微觀過程后，才能繼續產生具有工程意義的宏觀效果[2]。

圖1 微觀過程產生變化

（2）在多晶體材料表面，外側晶體材料相對比較自由，但是內側材料主要受周圍晶粒的制約，并且這種制約是來自不同方向的。表面區域的微細觀過程和介觀過程都會因為阻力的原因而受到影響。具體影響效果如圖2 所示。

從圖2 可以看出工程材料力學都會經歷過從表面向內部發展的過程，因此在分析微觀過程中顯得特別重要。

圖2 金屬材料工程力學影響效果

（3）由于實際金屬零部件的形狀比較復雜，在平時冶煉和冷熱加工的過程中，可能會造成化學成分。顯微組織以及夾雜物等均勻分布，以及微裂縫等細觀不一致性，并且表面區域更加復雜，因此在分析工程力學時也要進行仔細考慮。具體分析效果如圖3 所示。

從圖3 可以看出，金屬材料工程力學都要經過細觀過程以及介觀過程，從而發展成具有工程意義的宏觀表現。為此需要對力學和材料進行全面的綜合分析。而要想金屬工程力學性能指標能夠達標，需要從三個方面進行解決：①對典型零部件中的工程力學進行分析，然后再結合各種材料工藝以及其他條件進行解決，對微觀、細觀以及宏觀所發生的過程進行綜合辯證分析，建立起更加具有物理的意義的模型。②對建立起更加符合工程力學實際情況的臨界條件、結構形式以及定量化規律，并且提出能夠指導零部件設計工藝制定的定量方法。③在原有的基礎上提出關于力學性能參量的測定方法[3]。

圖3 金屬材料工程力學性能指標分析

從以上內容可以看出，以微細觀過程為指導思想的工程力學性能指標是具有定量意義的應用基礎科學，在具體研究的過程中，需要充分利用各種學科方面的知識，包括材料科學、力學、晶體學以及概率論等方面學科的知識，保證彼此之間能夠相互結合，形成一種更加完善的科學體系。另外要求微細觀過程指導思想能夠符合自然辯證法的實際要求，從而建立起更加符合工程材料力學實際的物理模型以及數學表達，保證能夠在理論上有所突破，并且有著充足的發展空間，更加重視在工業應用中的可靠性以及可行性。雖然微細觀過程指導思想在金屬材料工程力學方面有著廣泛的應用，但是對于整體的工程力學性能研究而言，微細觀過程指導思想的運用不夠明確，需要繼續加強微細觀指導思想的可行性，從而建立起比較完善的金屬材料工程力學體系。

3 金屬材料微細觀過程的具體研究分析

本文主要從鋼材冷脆、金屬疲勞以及金屬塑造性3個方面進行研究，進一步分析出金屬材料工程力學行為構建的重要意義。

3.1 鋼材冷脆中的微細觀理論研究

通常情況下低碳鋼材在正常室內溫度時具有較好的塑造性，但是容易出現構件裂縫以及尖銳出現缺口的問題，特別是在低溫工作環境下受動力驅動的影響，很有可能出現冷脆斷裂現象。從物理學的角度來看，鋼材冷脆斷裂端口垂直于拉伸應力當中，根據所表現出來的特點加以分析，并且進一步指出最大拉應力的判斷，提出了其他不同的理論內容。有的學者根據鋼材本身的特點設計出了一種模擬實驗方法，該模擬實驗方法具體規定了其他一些性能指標，主要是用來評價出鋼材的冷脆傾向程度。在關于材料科學的研究過程中，明確提出鋼材冷脆現象一般都是按照固定晶面劈開的斷裂現象，在研究的過程中，將材料科學和力學進行大量相互結合研究，并且對冷脆性能指標的影響進行廣泛研究。在進行力學研究的過程中，主要是對金屬材料中的缺口試件進行分析，并要求斷裂荷載與靜斷面荷載能夠隨著溫度的變化降低，荷載數值方面一般維持在0.6 左右，計算出缺口附近的最大主應力值，以此分析斷裂臨界的應力，將其看作成材料性能的參數。另外，在研究的過程中需要將微觀機理和宏觀規律之間相聯系，為材料本身提供數值參考，在分析裂縫產生與斷裂源擴展的過程中，需要基于對微觀過程的仔細分析，然后建立起解理應力理論，該理論內容主要包括兩個方面，首先，裂縫產生是隨機出現的，基本上以晶粒內部所產生的位錯運動為前提，控制好裂縫產生的規律；其次，裂縫在擴展的過程中會導致周圍晶粒的解理面斷開，造成隨機的現象，從而形成初裂縫，創造一個良好的擴展條件[4]。

3.2 金屬疲勞裂縫產生以及疲勞極限的理論分析

金屬材料疲勞裂縫指的是當機械零件和工程構件在交變荷載的影響下，雖然應力水平會低于材料的承受極限，但是經過長時間的應力反復循環作用后，也會突然出現脆性斷裂現象，因此叫金屬疲勞裂縫，對于金屬疲勞裂縫產生所進行的微細觀理論，主要內容如下。

首先，在分析疲勞裂縫產生之前，要明確出細觀先屈服區的位置以及疲勞源的位置，確定出疲勞源的形成過程。其次是要明確出金屬材料內部以及表面的疲勞極限，并分析出本質的效果。在一般情況下金屬材料表面晶粒內部是比較分散的，在發生錯位運動時只是會受到內側晶粒的制約，但是所受到的阻力有很大缺陷，由此可見金屬疲勞裂縫通常產生于金屬材料表面當中。如果對金屬材料表明進行強化的話，會形成殘余壓應力場，并且在表面形成殘余拉應力，在外部條件的作用影響下形成疲勞初裂縫。而金屬材料內部晶粒相比于表面晶粒來講，所發生的錯位運動很容易受到周圍晶粒的限制，所造成的阻力較大，所形成的細觀屈服極限應力也比較大。根據具體的分析公式可以得出，內部晶粒與表面晶粒之間的比重要低于，二者之間的比值大概在1.37～145 之間。最后疲勞源不僅會出現在表面當中，甚至有可能出現金屬材料的內部中，根據以上兩種可能性，進一步提出了關于強化表面件的預測方案以及工藝優化準則，另外微細觀過程理論還對疲勞跡象有關的問題進行分析，在分析應力對疲勞極限影響的基礎上，提出了相對簡單的拉伸試驗，繼而確定出疲勞跡象的簡化措施，降低金屬疲勞裂縫出現的概率[5]。

3.3 金屬超塑性的微細觀理論分析

金屬材料超塑變形一般需要通過三個階段，分別為均勻變形、頸縮以及空洞形成發展，因此需要對這三個階段產開不同程度分析。

金屬材料在發生超塑變形時主要是受到晶界滑移的影響，根據晶界滑移中明顯形變水速率效應的特點，進一步提出了超塑性的力學本質，主要防止在變形過程中出現擴散，有利于總應變量的增加。在實際應用的過程中，晶界滑移會受到周圍晶粒的影響，微細觀過程動態內容會發生改變，比如周圍晶粒內位錯運動的增加、高密度位錯區的恢復以及形成新的晶粒晶界，從而發生進一步的晶界滑動。當處于均勻變形的階段中，超塑變形行為繼續加強對微細觀過程的應用，并且當環境溫度處于正常標準時，金屬材料會通過微細觀理論形成一定的動態平衡晶粒度，如果金屬材料的原始晶粒度出現位錯運動，那么在高密度位錯區恢復的影響下，會形成新的晶粒界面，然后再發生新的界滑移動。在均勻變形的過程中，超塑變形行為會根據以往的微細觀過程理論進行分析，并且在一定溫度條件下，形成動態平衡晶粒度，如果金屬材料原始晶粒度要低于新晶粒度時，會進一步增強晶界滑動的抗力，從而達到強化的作用效果，繼續延長均勻變形以及頸縮的形成，從而保持住均勻性的特點。如果金屬材料本身濕度較高，那么應變速率就會逐漸降低。但是材料晶粒度會隨著應變量的增長而繼續擴大，并且達到相應的速率標準。因此對于原始晶粒度材料的應用，必須采用更加先進的超塑性工藝進行合理使用。在頸縮階段中，晶界滑移形變速率效應的增長，直接有利于金屬材料總應變量的增強，最終材料內部所形成的空洞會逐漸積累，影響了總體變量。

4 結語

綜上所述，本文主要對金屬材料工程力學行為及其微細觀過程進行分析研究，根據鋼材斷裂、金屬疲勞裂縫產生以及金屬超塑性的內容進行研究，全面分析了微細觀過程在金屬材料工程力學上的影響，并建立起更加清晰化的定量化模型，建立起完善的金屬材料工程力學行為體系，完善微細觀變化理論內容，最終發展成更加廣泛的材料工程力學行為學。