材料力學(xué)性能測試與評價技術(shù)進(jìn)展

張永乾

摘要：材料力學(xué)性能測試與評價是判斷材料性能與可靠性的主要途徑，在工作中是借助計算機(jī)進(jìn)行材料模擬和建立材料數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)工作。材料力學(xué)性能的測試與評價是材料學(xué)中的重要組成部分，是材料試驗(yàn)中不可取締的環(huán)節(jié)?；仡欉^去、審視當(dāng)前乃展望至未來，材料力學(xué)性能測試在社會發(fā)展中都占據(jù)著重要的地位，其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展是材料工作人員始終關(guān)注的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)性能測試;評價技術(shù)

前言：

對材料展開力學(xué)測試和評價是獲得材料性能的主要途徑，在實(shí)際的工作中往往通過計算機(jī)對需要測試的材料進(jìn)行模擬和建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，但是在測試和評價的過程中經(jīng)常遇到技術(shù)和實(shí)驗(yàn)都無法解決的問題，使得材料性能的測試工作難以順利的進(jìn)行，因此開展材料力學(xué)性能測試和評價技術(shù)的研究就顯得尤為重要。

1. 材料力學(xué)性能測試與評價技術(shù)的概述

現(xiàn)代材料性能測試和評價的基本內(nèi)容包含了對性能、主要成分以及顯微關(guān)系的分析，在材料測試工作中，技術(shù)人員通過科學(xué)的手段對材料的個性性能進(jìn)行測試和評價，確定其結(jié)構(gòu)形式，為確定該材料的用途提供可靠的依據(jù)。對材料性能的測試和分析，需要通過宏觀角度理解和微觀角度觀察，分析兩者之間的內(nèi)在關(guān)系作出準(zhǔn)確評價，這也是對材料成分的全面闡釋。材料力學(xué)的測試與評價是連接材料設(shè)計與制造工藝的直接橋梁。

2. 材料力學(xué)性能測試與評價技術(shù)的作用

現(xiàn)代工業(yè)和制造業(yè)取得的成果在很大程度上得益于材料力學(xué)性能測試和評價技術(shù)的整體性進(jìn)步，它推動了近代工藝的發(fā)展，促進(jìn)了現(xiàn)代各行各業(yè)的進(jìn)步，而這一系列的成果豐富了材料力學(xué)測試和評價技術(shù)的創(chuàng)新理論，從當(dāng)前的實(shí)際生產(chǎn)中可以發(fā)現(xiàn)，材料性能測試和評價的創(chuàng)新成果往往在先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備中有所體現(xiàn)，并為材料性能評價工作的準(zhǔn)確可靠、安全經(jīng)濟(jì)提供了可能。材料科學(xué)的發(fā)展對新材料的出現(xiàn)產(chǎn)生了巨大的促進(jìn)作用，新材料研究人員在實(shí)際工作中通過制定新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，測試現(xiàn)有材料的新性能來獲取新的產(chǎn)品，新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要是對現(xiàn)有材料的物理性能和化學(xué)性能進(jìn)行控制，因此新材料研究人員將材料力學(xué)性能測試與評價技術(shù)稱之為新材料誕生的基礎(chǔ)。

3. 材料力學(xué)測試和評價技術(shù)的發(fā)展

一、材料力學(xué)的性能基本含義是在一定的條件下，將其中的某一個條件加以改變，材料發(fā)生變化之后產(chǎn)生的效應(yīng)。一般情況下，測試材料力學(xué)的性能需要建立力和位移的線性函數(shù)來體現(xiàn)其中的關(guān)系，如果建立的函數(shù)為線性關(guān)系，則函數(shù)的線性常數(shù)為材料的力學(xué)性能，如果建立的函數(shù)關(guān)系未呈現(xiàn)出線性關(guān)系，則材料的力學(xué)性能應(yīng)該應(yīng)高階常數(shù)來表示。從材料力學(xué)性能測試和評價技術(shù)的發(fā)展歷程來看，人們對材料力學(xué)的認(rèn)識從簡單到復(fù)雜，從宏觀到微觀，在這個不斷加深認(rèn)識的過程中，材料力學(xué)的評價技術(shù)也不斷的提高和完善，例如：計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)以及控制技術(shù)等。材料的靜態(tài)力學(xué)性能測試最早出現(xiàn)在17 世紀(jì)，當(dāng)時的技術(shù)人員對材料力學(xué)的認(rèn)識僅僅局限在靜態(tài)強(qiáng)度概念上，對力學(xué)性能的評價也只有抗拉強(qiáng)度，但是無論何時，只有材料的靜強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求時，才能考慮材料的其他工藝性。

二、動態(tài)力學(xué)性能測試技術(shù)

第一、應(yīng)力疲勞試驗(yàn)技術(shù)。應(yīng)力疲勞試驗(yàn)技術(shù)是為了準(zhǔn)確獲知材料用在實(shí)際生活中的抗疲勞程度，進(jìn)而得出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。應(yīng)力疲勞最初源于海上運(yùn)動，是材料、零件和結(jié)構(gòu)件對疲勞破壞的抗力。在規(guī)定的循環(huán)應(yīng)力幅值和大量重復(fù)次數(shù)下，材料所能承受的最大交變應(yīng)力，在現(xiàn)代學(xué)科中應(yīng)力疲勞試驗(yàn)技術(shù)是材料力學(xué)試驗(yàn)的重點(diǎn)內(nèi)容。第二、低周疲勞試驗(yàn)技術(shù)。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，材料逐漸被用于高速、高溫以及高壓環(huán)境當(dāng)中。材料的有限壽命設(shè)計多數(shù)被用于戰(zhàn)爭時期，主要是為了提高武器裝備的整體性能和質(zhì)量，增加作戰(zhàn)能力，因此將材料的靜強(qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)檠b備的有限壽命，這也從另一個角度說明了材料的疲勞試驗(yàn)對材料的應(yīng)用安全有著重要的影響。在實(shí)際的應(yīng)用中由于設(shè)備應(yīng)力最集中部位的材料處于一種塑性狀態(tài)，并且保持著低循環(huán)高應(yīng)力的規(guī)律，如果這種情況出現(xiàn)在很早之前，那么工程設(shè)計就會因?yàn)槿狈?shí)際數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)和壽命往往難以達(dá)到設(shè)計的要求。在航空零部件的設(shè)計中，為了減輕材料的重量常常采用有限壽命設(shè)計，是材料進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，通過分析航空事故，發(fā)現(xiàn)多數(shù)事故是因?yàn)榱悴考钠谄茐奶笫蛊涑霈F(xiàn)低周疲勞破壞，因此對材料開展低周疲勞試驗(yàn)對航空工業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

三、斷裂力學(xué)測試技術(shù)

從材料的實(shí)際應(yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)無論何種工程構(gòu)件，都有可能出現(xiàn)與裂紋類似的缺陷，有的是材料固有的特性，有的則是在加工過程中造成的，這些缺陷的存在會大大降低材料的承載力，因此對材料力學(xué)性能開展斷裂力學(xué)測試可以準(zhǔn)確獲知材料的斷裂性質(zhì)，為制定防范措施提供依據(jù)。柔度法因其試樣裂紋長度測量的精確性和操作便利性被廣泛應(yīng)用于斷裂韌性、裂尖張開位移CTOD和疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN測試中，各測試標(biāo)準(zhǔn)對柔度法也作了重點(diǎn)推薦。借助有限元分析提出了多種非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)形試樣的柔度法裂紋長度計算式，拓展了柔度法的應(yīng)用范圍。雖然柔度法的理論基礎(chǔ)己較為完善，但其在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些亟待解決的問題。高溫下試樣的電位差同裂紋長度之間的標(biāo)定關(guān)系是該方法一直存在的難點(diǎn)，同時該方法還會受電流、溫度、電壓測量探頭間距、試樣與試驗(yàn)機(jī)的絕緣性以及高溫下引線連接的可靠性等多種因素的影響。原則上，應(yīng)用高精度高溫位移傳感器和特制高溫爐可實(shí)現(xiàn)柔度法在高溫斷裂韌性測試中的應(yīng)用，但因高溫影響因素相對復(fù)雜，柔度法應(yīng)用受到較大限制。近來通過采用LVDT來測試試驗(yàn)機(jī)作動器位移或用附加位移引伸桿加室溫位移傳感器在高溫裂紋擴(kuò)展速率測試方面進(jìn)行了柔度法嘗試。由于試樣加載線上的裂紋張開位移（COD）為間接測量。

4. 材料力學(xué)性能測試和評價技術(shù)的展望

工程設(shè)備的大多數(shù)零部件都是處在較為復(fù)雜的工作環(huán)境中，并且結(jié)合當(dāng)前工業(yè)發(fā)展的趨勢分析，未來工程設(shè)備對材料力學(xué)的性能要求更高。隨著計算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，使得材料力學(xué)性能在極其惡劣環(huán)境中的測試成為現(xiàn)實(shí)，這種模擬性的試驗(yàn)可以融入高溫、低溫、高速、高壓及腐蝕等環(huán)境，這些測試技術(shù)的成功應(yīng)用為準(zhǔn)確評價材料力學(xué)性能提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時也為設(shè)計人員提供了可靠的數(shù)據(jù)，對提高設(shè)備的整體性能有著極為重要的作用。隨著材料性能測試與評價技術(shù)的發(fā)展，新型材料不斷問世，新的測試設(shè)備不斷更新，把測試技術(shù)推向一個更高的臺階，現(xiàn)代測試技術(shù)正朝著智能化，小型化和具體化發(fā)展。先進(jìn)的測試技術(shù)，正在推動著航天、汽車制造業(yè)及橋梁、房屋等建筑業(yè)的革新。隨著人類的探索和努力，相信在不久的將來，材料力學(xué)性能測試和評價技術(shù)將會在人類社會發(fā)展中寫下輝煌的一頁。

工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和材料科學(xué)的進(jìn)步，為材料力學(xué)性能測試和評價技術(shù)的革新提供了可能，隨著新測試技術(shù)和方法的出現(xiàn)，將現(xiàn)代材料測試水平推到了全新的高度，從科學(xué)技術(shù)的微型化發(fā)展趨勢來看，現(xiàn)代材料的測試設(shè)備也向著小型化、模塊化和智能化發(fā)展。雖然利用計算機(jī)建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫可以直接得出材料的性能特征，但是材料力學(xué)性能測試是獲得可靠數(shù)據(jù)的唯一途徑，因此在未來的發(fā)展中，材料力學(xué)性能測試技術(shù)依然有著重要的地位。

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