金属材料的力学性能试验方法及试验设备

金属材料的力学性能试验方法及试验设备

徐图郭玉超

（中国核电工程有限公司郑州分公司河南郑州450000）

摘要：金属材料作为现代社会的重要组成的部分，其对于零部件的运行具有积极的促进的作用。在金属材料的选择中，需要对材料的力学性能进行综合分析，以便满足设备的运行需求。因此，探究金属材料的力学性能实验方法以及力学实验设备的种类具有重要的价值。本次研究主要对金属材料的力学性能实验方法以及力学实验设备进行分析。希望通过本文的研究，可以为金属材料的使用提供理论借鉴价值。

关键词：金属材料；力学性能试验方法；试验设备

引言

对金属材料力学性能进行试验已经成为了我国目前最主要的一项任务，在该试验的处理中，我国已经取得较大的进步，但是在一些细枝末节的处理上，并不是特别的好，对此，我国需要加大对金属材料力学性能研究的力度。运用一些新型的处理方式以及设备技术，进行配套的实验，在满足实验标准参数的前提下，提高我国实验行业的发展水平。

1力学性能试验方法国家标准体系

金属材料力学性能试验方法国家标准基本上都是在近5a修订或新制定的，标龄超过5a的个别标准，标委会也将其列入最新的修订计划。为了便于介绍，将力学性能试验方法国家标准分为通用标准，金属拉伸、压缩、弯曲及扭转试验标准，金属高温长时试验标准，金属延性试验标准，金属硬度试验标准，金属冲击试验标准，金属断裂力学试验标准，金属疲劳试验标准，其他力学性能试验标准等9个部分。

2金属材料力学性能实验方法

（1）拉伸测试。拉伸测试是测量金属产品质量的重要方式，在测试过程中，需要对仪器以及设备的数据进行限定，降低客观因素对数据的影响。以低碳钢的测试为例，在规定屈服载荷Ps后，在主动针停止转动时测量，横截面积为A，则其最大屈服极限为Ps/A。拉伸实验具有简单便捷的特点，在分析过程中，建立应变曲线，可以观测材料的极限以及弹性模量等相关信息，并且在实验过程中，材料的受力均匀，可以获取单向应力关系。（2）压缩测试。压缩测试主要应用于对材料的屈服极限以及抗拉强度的测试，通过观察材料的变形以及破坏形式，可以较好的确定材料力学性能。在测试过程中，由于材料的受压程度不一，因而需要采用球形承垫的方式来进行测试，以低碳钢的压缩测试为例，在测试过程中，需要遵循胡克定律的规则，压缩曲线呈现直线的变化趋势，在出现非线性变化时，表示材料达到了屈服，之后其呈现曲线变化的趋势，另外，在随着载荷不断增加的情况下，塑性变形呈现快速增长的趋势，其可以通过屈服载荷/横截面积的方式来确定屈服极限。压缩实验具有变形量大的特点，可以弥补拉伸实验的不足，同时在实验过程中，需要通过润滑油的方式来降低表面的摩擦力。

3金属材料力学性能试验方式的研究

3.1GB/T228.1-2010

在GB/T228.1-2010方法的实验，相关的实验人员不能直接的采用在GB/T228.1-2010的方法对其试验进行处理，需要在一定程度上对该试验的相关设备以及技术的实验背景等进行了解，在了解过后，还要对相关的研究人员进行专业知识技能的培训，之后在进行试验的开展，对金属材料的应变速度进行管理和控制，这始终是我国研究金属材料力学性能试验的难点，对此，相关试验机械设备的生产厂家也在搜索相关的而解决办法，尽可能的给我国研发人员提供有力的帮助，解决金属材料的连续以及不连续性的屈服性，并对其方案进行统一，国外的一家试验制造商甚至退出一款新型的电力测量设备，以此来加强其和控制系统之间的连接程度，传感器技术能有效的处理好控制系统中的各项问题。

3.2GB/T2039-2012

GB/T2039-2012高温度且持久的进行蠕变的试验，需要在一些方面加大其重视程度，首先要对其实验室的内部环境的温度进行适当的管理和调控；其次，还要根据该试验的温度变化程度以及所能承受的范围进行考量，选择一个匹配程度比较高的热点偶；最后，要对持久蠕变试验机的同轴度进行管理和调控。该项试验所使用的材料是高温合金，这种合金的使用对我国经济的发展来说具有很大的帮助作用，对此，我国大部分的科研机构都会对该材料进行其性能的研究，为了保证其研究的效果，相关的实验室会引进大量的机械设备，持久蠕变试验机的使用是必不可少的。

3.3仪器化压痕试验

这种实验方式相对来说比较新，在实验过程中，这种方法具有一定的优势，可以利用这种实验方式对考量金属材料自身的强度大小，并对其相关的参数进行准确的测量。这种实验方式有一个显著的特征，就是其能把金属材料的压痕深度等详细的记载下来，之后，在利用测试的曲线等对其统计数据信息的机械特性进行考量，计算出该金属材料的使用性能。现阶段，全球有很多科研机构会采用这种研究方式去探索金属材料的力学性能，其已经成为目前最主要的一种试验方式。这种试验方式的精准程度相对来说比较高，即使是对一些比较微小的数据也能进行测量和记录，有效的展示出其力学的特性。GB/T21838.4-2008标准中的纳米压入技术是最近几年采逐渐发展出现的一种微纳米力学测试技术，这一技术可以通过连续测控作用在压头上的荷载以及位移，同时可以对测量得到的荷载——位移数据进行分析从而得到被测量材料的杨氏模量以及硬度等等力学特性参数。这种试验方法具有极高的测试精度，可以做到在微米量级的情况下对材料、薄膜或是涂层材料进行力学特性的展示。同时也可以在纳米压入试验中对材料微区的杨氏模量、硬度、蠕变速率等敏感指数等力学性能进行试验。

4金属材料力学实验设备

（1）万能试验机。万能试验机可以对多种材料进行拉伸、弯曲和压缩等实验，具有效率高的特点，其主要是由测量、驱动和控制系统等结构组成。其对力值的测量主要是通过传感器、放大器和数据处理来实现，对于传感的设计，通常是采用差动全桥测量方式，对于形变的测量，通常是通过测量过程中产生的形变而进行分析。其驱动系统主要是通过伺服系统控制电机来实现控制；对于控制系统，是通过操作台以及电脑控制的方式来实现。（2）扭转实验机。扭转实验机主要是应用于零部件的扭转力情况下的性能测试，其通常应用于相关机构或者学校的研究，可以对扭矩、转角以及扭转角进行测量，其主要包括以下几种类型：第一，弹簧扭转实验机，其主要采用数字放大、数字采集以及闭环系统等先进的技术来实现测量；第二，线材扭转实验机，其主要测量0.1-10mm的金属线材，可以确定线材的缺陷，主要通过单向扭转和双向扭转来完成实验。单向扭转主要是通过一个方向的360度扭转作为测试参数，而双向扭转则是在相反两个方向扭转360度来测量参数。第三，材料扭转实验机，主要是由高精度扭转传感器、光电编码器以及数字显示等技术来实现对扭矩以及转角的测试。（3）摆锤式冲击试验机。摆锤式冲击试验机主要是测量材料抵抗冲击的性能，其主要分为手动、半自动和全自动三种类型，其可以根据需求来选择冲击功的大小。在实验过程中，通过继电器以及离合器等器件的操作，可以实现摆锤冲击操作，并且具有自动扬摆功能，可以全面测试材料的冲击力。

结束语

金属材料的力学性能测试需要通过设备以及科学的方法来完成，只有强化对性能测试方法以及测试设备的研究，才可以提升检验的科学性。

参考文献：

[1]徐修权.高温预扭转条件下金属材料拉伸力学性能试验研究[D].吉林大学，2016.

[2]梁存.粉末热机械固结法制备块体金属材料（钛、铝、铜）的显微结构和力学性能研究[D].上海交通大学，2015.

[3]肖厦子，宋定坤，楚海建，薛建明，段慧玲.金属材料力学性能的辐照硬化效应[J].力学进展，2015，45（00）：141-178.