機械自動化制造中的材料力學測量技術分析

朱斌

江蘇省南通中等專業學校 江蘇省南通市 226011

1 前言

在材料科學的不斷發展中，出現了大量新型材料，如光導纖維類材料，有效提升了材料使用性能。在機械自動化制造中，力學測量技術作為其中的重要部分面對機械自動化制造有著較大的影響，測量技術也逐漸受到重視。此外，社會對機械材料力學測量性能的要求不斷提高，材料力學性能也發展了多項測量技術，對產品的使用壽命、可靠性提升有著重要作用。

2 材料力學測量技術在機械自動化制造中應用的重要性

在機械自動化制造中，金屬材料的應用較為廣泛，金屬力學性能是在力、能的作用下，在強度、形狀等方面表現出相應的特性，強度指標是計算構件剛度、強度的重要依據，通常需要實驗測定。同時，材料力學性能也是檢查材料質量以及工藝的重要方式，材料科學的不斷發展，涌現出大量新型合金材料，而該材料的力學測量是材料研究的重要任務。測量技術是機械自動化制造中的關鍵環節，能夠準確測量每一種材料的力學指標，測量其強度、彈性等極限，根據指標設計零件的強度。在金屬材料加工中，材料的良好塑性是加工的重要條件，并且對零件的質量安全有著重要作用，所以，測量材料的沖擊韌性、塑性意義重大。硬度是機械自動化制造中的關鍵指標之一，硬度越高，零件的塑性抗力、耐磨性則越好，所以，硬度也是材料力學測量技術中重要部分。部分零件在工作期間會受到應力影響出現斷裂，這種現象為疲勞現象，通過借助力學測量技術能夠檢測零件的疲勞度。總的來說，在機械自動化制造中，離不開相應的原材料，只有合理應用材料力學測量技術，才能夠有效掌握整體生產情況。

3 材料力學測量技術實驗方法與特點

3.1 拉伸實驗

在機械自動化制造中，想要保證設備具有良好的性能，就需要應用合理的材料，全面了解材料的力學性能以及各種影響因素。材料性能檢測是機械自動化制造中的重要部分，也是評定產品質量的重要手段，而檢測結果是評定材料力學性能的關鍵參數。拉伸實驗主要是檢測材料的塑性、強度指標，但是，在實際檢測過程中存在多種影響因素，嚴重影響檢測結果的精準度，因此，通過限定因素，將影響降至最小，以確保實驗結果的準確性。在實驗過程中，還需要嚴格按照國家標準，采用矩形、圓形截面試件，并借助實驗機的自動繪圖裝置，將拉伸應力應變曲線繪制出來。由于摩擦力可能出現不足，導致試件兩端夾緊部分發生滑動，在計算數據時，應全面思考各種可能影響實驗結果的因素，保證測量結果的精準。拉伸實驗流程比較簡單，能夠測量多種材料的力學性能，在實際應用中較為廣泛。

3.2 扭轉實驗

扭轉實驗是在扭轉力作用下，觀測試樣的受力情況以及變形情況，根據材料破壞形式，測定材料的剪切屈服限度和強度限度。在具體操作過程中，固定機體上的夾頭，通過水平移動減速裝置，完成轉動。實驗期間，低碳鋼等塑性材料通常會發生較為明顯的形變，但試樣依然為圓柱形，橫截面大小、平行長度尺寸也不會發生較大的變化，并且不會出現頸縮現象。對于鑄鐵等脆性材料，在扭轉時只會出現較小的形變，即突然發生斷裂。當試件在承受扭矩時，材料為純剪切應力狀態，這也是拉伸之外的一種應力狀態，主要用于研究不同材料在純剪切應力狀態下表現出來的機械性質。

3.3 壓縮實驗

壓縮實驗主要是對材料的抗拉強度、壓縮屈服極限進行測定，并觀察材料在壓縮期間表現出來的形變情況，進而對比不同材料的壓縮機械性能。壓縮實驗的原理是將試樣放置于實驗機壓板中間，啟動實驗機，并慢慢加載，示力指針呈勻速轉動，借助實驗機繪圖裝置，繪制出相應的壓縮圖，根據實驗可知，大多數金屬材料破壞之前的應力應變關系拉伸實驗、壓縮實驗是一樣的。在壓縮實驗期間，材料會在壓力作用下出現較大摩擦力，導致無法均勻變形，所以，在實驗過程中通過添加潤滑劑，有效減小摩擦，確保獲得精準的材料性能。低碳鋼是典型的塑性材料，在壓縮實驗過程中，試樣的壓縮變形符合胡克定律，變形快速增長時，材料會慢慢屈服，而變形也不會服從胡克定律，屬于非線性的，不過與拉伸實驗中的屈服階段有很大的不同，其屈服期間的變形時間較短，在試樣長度的不斷減小中，其直徑明顯增大[1]。實驗機壓板和試樣兩端間的摩擦力會影響其橫向變形，出現鼓形狀態，當荷載力不斷增加時，塑性變形也會持續，試樣橫截面也會不斷變大，試樣會逐漸變扁，但不會破裂。鑄鐵是典型的脆性材料，在壓縮實驗過程中，與拉伸有明顯的不同，雖然壓縮曲線沒有出現明顯的直線以及屈服階段，但是曲線明顯彎曲，這說明在最大荷載之前，試樣便發生了明顯的塑性變形。

3.4 硬度實驗

硬度實驗的受力方式主要有兩種，一種為壓入法，另一種為刻劃法，在實驗過程中，比較常用的是壓入法，而壓入法又分為動力、靜力實驗法兩種，其中，比較常用的為靜力實驗法。一，布氏硬度實驗法。該方法的優點在于硬度比較好，具有極強的穩定性，能夠有效反應金屬各組成部分的平均值，且不容易受到不均勻度的影響，但是壓痕比較大，對于成品檢驗存在一定的難度，通常用于半成品的檢測[2]。二，洛氏硬度實驗法。該方法的操作流程比較簡單，對材料的壓痕、損壞比較小，能夠用于成品測量，但是測量結果具有一定的局限性，每個工件測量點數大于三個點。三，維氏硬度實驗法。該方法的優點是壓痕比較淺，為正方形，對角線測量具有極強的精準性，其測量精度非常高。同時，該方法的測量范圍比較廣，適合各種金屬材料，其不足之處為效率較低，且需要專業技術支撐，對試樣光潔度要求較高，操作流程比較繁瑣。

3.5 疲勞實驗

疲勞實驗主要是了解材料的疲勞極限，一般采取旋轉彎曲疲勞實驗，由于實驗不能夠對試件無限循環使用，所以，就需要設定一個循環基數，例如，黑色金屬循環次數為N=(5-10)×106，有色金屬循環次數為N=(50-100)×106，承受值為可以承受N次循環，并且不出現疲勞損壞的最大應力值[3]。在組件運轉期間，極易受到各種因素的影響，降低其使用壽命，環境、溫度等都會增加試件的疲勞度，所以，在制造過程中應全面考慮這些因素。

3.6 沖擊韌度實驗

大多數構件會受到沖擊荷載的影響，因此，需要對材料沖擊韌度進行測量。在具體實驗過程中，通常在有缺口槽的矩形試件，并保證室溫穩定，通常在10℃-35℃之間，如果需要嚴格要求溫度范圍，則將室溫控制在20℃±2℃之間。在高溫、低溫的沖擊實驗中，保證溫度偏差不超出±2℃，以確保試樣在要求的溫度內。

4 機械自動化制造中的材料力學測量方法

4.1 納米壓入法測量

在納米壓入法測量中，可以將測量期間的荷載位移曲線畫出來，結合材料形變相關理論，當材料受到壓力時，在壓力的不斷增加下，材料先發生彈性形變，接著出現塑性形變，由此可見，加載－卸載曲線是非線性的，材料的彈性恢復便是卸載的過程，最后，對于該曲線可測量的材料，分析其納米硬度、楊氏模量。

4.2 薄膜殘余應力測量

薄膜殘余應力的測量一般是結合襯底彎曲形狀、規律而進行的，對于需要測量的材料，采取整體位移法完成定位，并完成薄膜的釋放、旋轉等多個步驟。在應力測量中，結合微觀結構，對材料的力學性能進行全面分析，從中提出采用率數值，確保測量的準確性[4]。

4.3 襯底彎曲法

在材料測量過程中，襯底彎曲法的應用需要考慮薄膜殘余應力是否會使襯底出現彈性彎曲現象，根據薄膜生長前與生長后的撓度差、曲進半徑差，還需要對殘余應力、撓度的關系進行分析，采用懸臂梁法進行測量，在測量過程中需要觀察誤差的大小。

4.4 共振頻率法

共振頻率法指的是根據微梁共振頻率測量材料力學性能，微梁可以使用懸臂梁，也可以使用微橋。在測量過程中，在電壓的激勵作用下，微梁產生振動，激勵電機選擇正弦電壓，便于后續進行觀察，將激光束照在微梁上，有效觀察微梁的振動情況，振幅最大的地方為微梁的兩端、中心點，所以，激光束一般照在這兩個位置。利用PSD對反射的激光束及時檢測，將輸出的信號與示波器連接，邊能夠觀測到相應的振幅，通過更改電壓頻率，確保微梁在特定頻率發生共振，而此時，PSD輸出、微梁振幅全部達到最大，便可以獲得微梁共振頻率[5]。

4.5 荷載位移法

在荷載位移法的應用中，單軸拉伸實驗最為重要，通過實驗能夠測量楊氏模量的形成標準，確定受力面積，進而解釋數據的通用性特點。在某多晶硅微拉伸測量中，楊氏模量為170GPa，斷裂強度為1.2GPa，薄膜有殘余應力，在實際測量中會出現軸彎曲損壞的現象，對測量結果的準確性產生較大的影響[6]。

4.6 尺寸穩定性的測量

在機械自動化制造中，對于材料的力學測量應明確測量的穩定性，結合測量標準，確定測量尺寸。在測量過程中，需要穩定測量因素，并根據溫度以及細節變化進行測量，避免受到外界因素的影響。不同材料的測量條件和要求各不相同，并且材料的長度會隨著時間而變化，在測量中需要采取補償測量的技術。大多數固體材料會在測量過程中出現熱脹冷縮現象，因此，應準確測量出溫度的變化情況。同時，在溫度的變化中會使測量出現位移，所以在測量時應保證溫度處于穩定狀態，并根據相應的測量方法，確定測量的方位。對于熱脹冷縮的測量，主要是采用激光干涉儀來測量，對于熱膨脹的測量，主要是在支架上使用螺絲固定，確定支架和底板的連接時間，配合好端口的固定工作。在材料的同一位置進行測量時，應保證反射器表面之間的距離符合標準。在同一平臺進行測量可以滿足測量標準要求，通過測量出因熱膨脹而導致的尺寸變化，便能夠確保材料測量尺寸的準確性。

4.7 彈性測量

在零部件測量中，應全面考慮材料的彈性，彈性包括動態、靜態兩種方式，在測量期間根據不同的材料，設置合理的彈性系數，例如，體積模量、剛性模量等系數，在時間和溫度的作用下，材料的彈性強弱會發生相應的改變，測量系數應結合測量溫度、時間、特性來考慮。在測量過程中，采取楊氏模量法，先明確材料膨脹光學系統，并進行張力測量，確定彎曲的模式與方法。同時，明確測量數據，保證測量時的零件以及負載部件，在正式測量時對于工作臺滑輪間的摩擦可以忽略不計。

4.8 強度測量

在材料的強度測量中，應確定測量期間的應力狀態，找好測量強度，確定彎曲強度系數。在測量過程中，強度產生的差值并不能夠確保測量的準確性，動態參數對測量形式會產生較大的影響，而時間和應力也會產生作用，導致產生曲線偏差，此時應采取新的測量方法，并做好線性回歸分析。

5 材料力學測量的具體應用

5.1 反射標準有待完善

在機械自動化制造中，材料力學測量技術的應用能夠增強材料性能。在測量塑膠磨鋼板時，采取彎曲測量法，對產生的彎曲程度進行測量，明確測量的方法和測量的結果是否符合相應需求。彈簧間的彈性系數有很大的不同，在測量時應明確測量的性能、溫度、彈性模型之間的關系，通過系統化測量，形成相應的測量方案。在明確反射標準時，應選擇高反射標準，通過測量輻射熱能、積分球，確定輻射期間發生的損耗。同時，在測量期間保證測量點的精準性，根據標準確定反射系數。

5.2 系數差值

對于復合材料力學性質的測量，應明確測量指標與信號源之間的差值，由于接收信號存在不同，系統也會產生相應的變化，并且在測量元件、反射標準模型時，也會出現誤差。在測量期間，不管信號源開關發生怎樣的變化，系數差值都會產生各種變化。結合測量的準確性，確定可用功率，在具體測量過程中，運用信號源開關對反設計源進行測量，明確系數之間的變化。

5.3 系數常數隨連接器變化

在材料力學測量期間，原件和反射標準連接至定向耦合器時，會產生不同的系數，并且會在連接器的影響下，導致數據之間出現較大的變化，應確定不同連接器對應的反射標準，對于系數之間存在誤差可以忽略不計。反射物質在測量期間會出現差距，在實際測量中會受到連接器的影響，反射標準會造成誤差，導致測量準確度各不相同，因此，只有明確反射標準和質量，才能夠提升測量的準確度。

6 結語

在機械自動化制造中，材料力學測量技術的應用對設備質量有著重要的保障作用，并且為材料研究提供精準的測量技術。在社會經濟的快速發展中，對機械設備以及材料性能指標的要求逐漸增加，為了提升機械設備的質量，就需要借助力學測量技術，對材料各項性能指標進行精準檢測，通過采取納米壓入法、共振頻率法等多種方法，展開拉伸、壓縮、疲勞等實驗，以提升測量的精準性。