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金属材料剪切力学性能及测试方法

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摘要:金属材料可应用于多个领域,其中包括力学领域、化学领域、物理领域。在对金属材料进行生产加工时,主要对金属材料的力学方面的性质进行研究。通过对不同金属材料的性质的研究,不仅对原材料的加工有所帮助,而且对进行生产活动时材料的选择具有指导意义。

关键词:金属材料;力学性能;方法探究

0引言

本文综述了疲劳强度与其它力学性能,特别是金属材料抗拉强度之间的关系。在分析大量疲劳数据的基础上,建立了疲劳强度与硬度、强度(抗拉强度和屈服强度)和韧性(静态韧性和冲击韧性)之间的定性或定量关系。在这些关系中,疲劳强度与抗拉强度之间的一般关系可以很好地提高抗拉强度在很宽的范围内对许多材料如常规金属材料的疲劳强度预测。根据大量材料的试验结果,提出了疲劳损伤机理,特别是高强度钢的疲劳损伤机理。通过对1种材料参数p和c的适当调整,提出了一般疲劳公式,为疲劳强度的预测和材料的设计提供了新的线索[1]。

1金属材料的分类

金属材料主要分为黑色金属和有色金属这两大类。铁、铬、锰这三类属于黑色金属;除了铁、铬、锰这三种黑色金属以外的全部的金属都属于有色金属这一类。有色金属随着被人们不断的探索和发现,迄今为止被分成了五大类,这五种类别的划分是根据它们的价值、质量及密度、在地壳中储存的多少、对于人们生活的使用价值等等一系列因素来划分的。第一种为轻有色金属,这种有色金属的密度小于4.5。其中包括了钙、锶、钡、铝、镁、钾、钠。第二种为重有色金属,这种有色金属的密度大于4.5。其中包括了锡、镉、锌、锑、钴、铅、铜、汞、镍、铋等等。第三种为贵金属,这种有色金属一般是指在地壳之中的储藏量极为稀少,进行提取与发掘时面对的困难与阻力非常大,开采较困难,用氧等其他试剂的反应程度也相对稳定的金属,因为开采难度大,储量稀少,因此导致它们的价格相对于其他一般金属就显得格外昂贵。其中包括了锇、铱、金、银、铂、钯、钌、铑。第四种为半金属,这种有色金属具有固定的元素,通常是指砷、硅、硒、碲和硼五种元素。为什么称之为半金属,是因为它们本身的性质决定的,它们的物理和化学性质都是介于非金属与金属之间。就以砷为例子,它虽然是非金属元素,但是它也具有导电和传热的功能[2]。第五种为稀有金属,这种有色金属与贵金属既有相同又有不同,不同的是稀有的意思并不是指储量少,而是指它的分布并不均匀。而相同的地方指的是它们的开采难度都非常大,而且提取加工的过程也非常困难。这种金属应用于工业领域的时间较晚,综合这些原因,因此称之为稀有金属。其中包括了锆、铪、钒、铌、锂、铍、铷、铯、铼、镓、铟、锗、钛、钽、钨、钼、鉈等。黑色金属与有色金属这两类金属材料组合形成了现代的金属材料体系,是我国经济建设和国防科技在方方面面都离不开的金属材料。轻工业、重工业、农业、科学技术领域;火箭的研制、导弹的发射、卫星的定位、航母的运行、飞机的航行;电视的更新换代、电脑的不断升级、手机的不断优化、通讯设备的不断增多、计算机技术的突飞猛进。这些技术的组成大多数都是由有色金属中的稀有金属和轻金属制成的。合成钢的制作也离不开有色金属材料。在电力方面有色金属的用途也非常广泛。

2金属材料的力学性能

金属材料的力学性能主要有三点:1)强度:强度指的是金属材料受到其他物体对它的挤压等作用而表现出的防御作用和承受能力。最常用的表示强度的指标是屈服强度,屈服强度指的是金属材料受到外界的作用力开始出现变形的力度。2)塑性:塑性指的是金属材料受到外界的作用力发生了变形但是不会产生断裂现象的能力。金属材料进行加工制作时必须要有良好的塑性才能保证加工制作过程的安全。3)硬度:金属材料的硬度指的是金属材料受到坚硬的物体挤压时的抵抗能力。金属材料的硬度越高,它的抗打压能力越大。

3测量方法

仪器压痕试验已成为研究小体积材料和薄膜的硬度和模量的最成功的技术。将这种技术用于估计材料的塑料性能的前景已经成为人们关注的焦点。然而,一些早期的研究已经表明,压力——应变曲线不能由一个尖尖的锥形内压器产生的加载和卸载曲线来决定。然而,我们以前的方法依赖于已知的弹性模量,这显然会限制它的应用。幸运的是,有几种模型可以从球形的测试数据中提取弹性模量,如由奥利弗和法尔提出的模型。但问题仍然是,奥利弗-法尔模型是否能有效地结合我们之前的方法来确定两者的弹性和塑性性质。此外,必须强调的是我们以前的方法是基于硬化模型推导出来的,它通常与实际的材料应力-应变曲线不同。这样的差异会在预测的结果中引入错误,从而会影响我们的实际金属方法的准确性的程度。因此,本研究提出了一种严格的实验验证方法,与典型金属的拉伸试验数据进行比较。

3.1单轴拉伸测试每一种材料都生产了三种带有方形截面(5X5mm)的拉伸试样。拉伸试验是在室温下进行的,使用CMT5105微机控制拉力试验机和一个引伸计(测量长度为25mm)测试是用0.0025/S的应变速率进行的,弹性模量(E)、屈服强度(Rm0.2)和每个材料的标准偏差都被确定。一些材料表现出明显的鲁德尔的应变行为,不能很好地适应理想的幂律表达式。事实上,对于大多数普通金属来说,与σ-ε曲线的不同范围相匹配,会导致应变硬化指数的不同结果。我们还没有给出应变硬化指数值的统计数据。然而,估计机械这种基于契约的方法的属性(E、εy和n)可以用来预测每一种金属的σ-ε曲线。因此,通过将预测的σ-ε曲线与拉伸试验获得的结果进行比较,可以对估计应变硬化指数的准确性进行评估。

3.2采用插装式压痕试验来评估这种方法的有效性,采用纳米输入的方法对同几种金属进行了球形压痕测试。还有一个钻石球锥形的镶嵌体。在目前的实验中使用了10.6μm的标准半径。考虑到半径的重要性,通过对实验结果的分析,采用共焦激光扫描显微镜对其表面形貌进行了分析,并对其进行了三维观测,并采用共焦激光扫描显微镜对其进行了分析。根据模型显示,压痕响应主要与压头移位的材料体积有关,而压头的大小取决于材料表面下压头本身的体积。因此,在我们看来,针尖的体积应该是校准的一个重要因素。通过使用测量的数据来计算尖端的体积和高度,R(hi)可以根据公式计算出来,可以很容易地看出,等效半径随缩进深度增加,在一定范围内的h(介于2.16和3.24μm之间)的恒定值为10.8μm,与当前模型的适用范围相一致。这个10.8μm的值接近它的名义半径10.6μm.

4结果与讨论

对于一个给定的球面缩进试验,hf、A和b的常量可以根据安装卸载来确定。根据F=a(h-hf)b这个公式(我们过程中的相关系数不小于0.9995),通过将hf、a和b的值提交到接触刚度公式中可以推导出接触刚度。然后,通过使用奥利弗-法尔法,弹性模量可以被估计出来。接下来,Wt和m可以通过处理平均加载负荷–深度曲线数据计算,其中m是F的梯度线性回归的测试数据,内容固定在0.2≤H/R≤0.3的范围内。通过将Wt和m带入到公式梅耶尔指数与塑料性能的关系中去,每一种材料的σy和n都可以被解决,这里的从拉伸实验中获得的弹性模量(E)和屈服强度(Rm0.2)通常是被视为真正的价值。随着新测试技术和方法的出现,将现代材料测试水平推到了全新的高度,从科学技术的微型化发展趋势来看,现代材料的测试设备也向着小型化、模块化和智能化发展。虽然利用计算机建立相关的数据库可以直接得出金属材料的性能待征,但是剪切力学性能测试是获得可靠数据的唯一途径,因此在未来的发展中,剪切力学性能测试技术依然有着重要的地位。

参考文献:

[1]张笑尘,张萍,赵亚哥白等.金属橡胶材料剪切力学性能的研究[J].山西建筑,2016,21(14):106-107.

[2]任丽萍,吴益文,陈庆东等.金属材料压痕微区力学性能试验[J].理化检验-物理分册,2018,16(2):108-110.

作者:蒋忠伦 单位:贵州航天精工制造有限公司

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