《材料力学性能测试与评价新发展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料力学性能测试与评价新发展（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、材料力学性能测试与评价新发展材科101 班201004005杜园园摘要:在对新型材料进行性能评价时，往往面临常规实验难以解决的问题，且 因材料科学的发展和新材料的研制对于技术越来越高的要求，材料力学性能测试 与评价是目前国内外材料力学工作者所需关注的重要课题。本文通过对材料力学 性能测试和评价技术的发展历程和技术特点，以及对现在最近技术进行分析，进 而阐述了材料力学性能测试与评价技术的进展。关键词 材料力学性能 测试 评价1 引言现代材料科学在很大程度上依赖于对材料性能与其成分及显微组织关系的理 解。因此，对材料性能的各种测试技术，对材料组织从宏观到微观不同层次的表 征技术构成了材料科学与工程
2、的一个重要部分，亦是联系材料设计与制造工艺直 到获得具有满意使用性能的材料之间的桥梁。材料力学性能测试与评价是判断材 料性能可能性与可靠性的主要途径，在工作中是计算机进行材料模拟和建立数据 库的基础工作。2材料性能测试与评价的应用由于新材料的种类繁多，相应的测试和评价技术涉及面很广。材料检测评价技 术大致可分为:性能测定、显微组织表征和无损检测等，而每一方面又包含各种 不同的测试技术和标准试验方法。在多种材料和多种性能测试中，以力学性能为 代表，力学性能是结构材料研究、生产、使用的最基本参数，其研究十分活跃。 本文对材料的力学性能测试技术进展做简单论述。3力学性能测试与评价发展历史简述 静态力
3、学性能测试。由 17 世纪，工程技术人员对材料的力学性能仅限于其强度的 概念，由早期的拉伸试验机到19世纪意大利科学家Galileo为验证解析法求解构 件安全尺寸而提出拉伸，弯曲试验而创造的静力学材料试验机，液压试验机。随 着电子技术和计算机控制技术的发展，相继出现了计算机控制的液压试验机。动态力学性能测试。绝大数工程材料在其服役中承受的为动载荷，当材料或结构 在受到重复变化的载荷作用后，性能出现变化疲劳。应力（高周）疲劳试验技 术：由疲劳极限来评价材料疲劳强度，常用装置为旋转弯曲试验机，因无法实现 对载荷的精确控制，相应出现电磁共振高疲劳试验机，电液伺服高频疲劳试验机。 低周疲劳试验技术：结
4、构件在设计上由静强度设计变为有限寿命设计，零件由疲 劳损坏变为低循环疲劳应力作用下，电液闭环控制控制技术的电液伺服系统相应 而生。断裂力学及环境模拟。由于构建在不同的环境中使用过程中，甚至在恶劣的环境 中，不可避免的出现类似于裂纹的缺陷。高温和腐蚀复合环境系统和高温真空环 境系统，可以在不同温度下进行试样或构件的各种腐蚀气氛和真空环境试目前环 境试验技术。4现代新技术现代材料测试设备的特点：随着对材料性能测试要求的不断更新，各种功能的材料试验设备不断出现。但 不论测试设备动态测试系统，还是静态测试系统，无论是电子拉力还是电液伺服 材料试验机，一般包括三个独立的子系统，即:机械动力系统（Meeh
5、aniealand Dynamic System）:包括机架（Frame）、试件夹持和固定装置 Gripsand Fixtures、动力部分(如液压源、伺服阀、液压作动)。传感器系统(TransducerSystem):载 荷传感器(Load transdueer Cel 1)、引伸仪(Ex tens Meter)和线性位移传感器 LVDT (Linear Voltage Differential Transdueer)、温度和压力传感器；控制、 数据采集与分析系统(Control DataAequisition NalysisSystem)。现代材料测试最新技术从目前种新型试验系统来看，材料
6、试验最新发展的主要技术有以有四个方面： 液压伺服(Servohydraulie)技术从前述实验技术的发展来看，液压伺服技术是最具有特色的、适应性最广的技术。 I960年美国MTS系统公司首先在材料试验系统引入液压伺服技术。电液伺服技术 是当今高精度材料试验系统的主流技术，特别适用于复杂载荷(包括疲劳载荷)的 材料性能测试与评价。与液压试验机和静态电子拉力测试系统相比，电液伺服技 术有下特点:伺服技术(又称随机系统或跟踪系统)能自动校正指令信号同反馈信 号之间的误差。结果使得执行机构能以一定的精度自动地按照指令信号的变化规 律动作。先进的电子技术和液压技术结合，通过伺服阀将电信号变成液压信号，
7、且可变范围大，试验频率范围为0.0003Hz 一 1000Hz。可以从直接与试件相藕合 的传感器处测量和控制载荷、位移和应变，其灵敏度及精确度与传动机构施加压 力的作用无关。环境模拟(Enyironmental Simulation)众所周知，许多工程零部件和构件的失效是由于环境和力学条件综合作用引起材 料疲劳或断裂。事实上，环境的变化对材料性能的影响往往是很大的。现在环境 模拟技术由于实际的需要已发展成为现代测试技术的重要方面。设计一个具有能 模拟循环加载和工作环境的试验系统是比较复杂的。但为了工程需要各种环境模 拟的试验装置不断出现，目前的环境模拟试验系统有高温、低温、湿度、盐雾等。高、低
8、温试验技术高温加热装置目前有:电阻加热炉:装置的特点是具有均匀温度场，并且控温较 为稳定，适合于高温疲劳、高温拉伸、高温疲劳蠕变加互作用试验等。感应加 热器:其特点是可实现温度场的快速变换，适合用于热疲劳和热机械疲劳试验。 环境箱:具有较大的空间，使用于试样较大的高温断裂力学试验和构件试验，亦可 进行低温和环境试验等，美国MTs公司的高温断裂试验环境箱。为了节省研究经 费，在国内经常有研究人员自行设计专用环境箱恻;远红外加热器:适用于非金 属材料高温力学性能试验;直接通电加热法:适用于金属材料的热疲劳试验，最 新研究结果表明亦可适用于复合材料高温力学性能试验。低温试验装置有： 中低温环境箱:试
9、验温度范围是一 70C 200C: 低温罐:试验温度最低可达一 1C; 低温槽:适用于室温至一 60C的低温实验。真空试验技术真空环境箱一般是与高温环境相配合使用，其目的是为了防止试样在试验过程中 被氧化。高温真空环境技术是目前环境技术中技术含量最高的测试技术，其造价 非常高。典型的高温真空试验系统使用抽泵、低温吸入泵、离子泵和钦净化器来 达到所要求的真空度，同时配置感应加热系统、高温夹头、高温引伸仪和高精度的载荷传感器等，整套设备制造难度大，因此其价格额较为昂贵。腐蚀环境试验技术应力腐蚀和腐蚀疲劳试验对海上船体、海洋采油平台、核反应堆、承受腐蚀环 境的飞机和汽车构件等都很有必要。将试件浸在一
10、种液体中可以模拟许多环境， 此时需要试验机的加载装置放置在试验机横梁的上部或将试验机水平放置。盐雾 腐蚀箱是另一种加速腐蚀试验装置，可以比较不同金属在盐雾或酸雾环境下的特 性。复合环境试验技术在实际应用中，材料往往处于复杂环境下，例如:腐蚀+温度环境:原子核反应 堆中的压力容器经受起动、关闭时的热偏差和一个平常工作的动载荷，加上反应 堆重水的腐蚀，试件要在这样的环境模拟条件下进行裂纹增长速率的研究；温度 +湿度环境:先进的复合材料具有强度高、重量轻等优点，但它对温度、湿度很敏 感，如飞机框架、汽车部件用的石墨环氧树脂,为了评价其在使用条件下的性能， 需要模拟飞机(或汽车)工作时的温度变化。自动
11、控制(Au to ma ti on)利用计算机自动控制多用户控制技术对材料测试带来很大的便利。对于多用户 控制系统，一台计算机可以同时控制多台试验机，从而大大地提高了试验效率和 资源的利用率。随着计算机及控制技术的发展，试验机控制系统大多采用数字控制方式。三个 独立单元是:数字控制器（命令产生、数据采集、信号调节、突发事件探查及保 护）、计算机（通过建立的用户界面来设置站点参数和实时观看试验过程，并在试 验结束后迅速行数据处理或绘制图表）和液压伺服加载架。目前最为先进的控制系统均采用远程控制技术，技术人员可以在远离试验设备 的办公室或在家中通过网络直接对试验机进行操作和数据处理现代测试技术的另
12、一特点是系统的配置，其中系统的附件极为重要。对于同样 的主机，附件的配置不同其功能则大大不同。可以说，系统的功能完全取决于系 统附件的配置。因此，配置规格齐全、高精度的引伸仪、夹头、以及数据采集装 置等可有效地保证现代材料试验的实现。同时可以大大增加测试系统的功能和适 用范围，其中引伸仪和夹具最为重要。引伸仪（Ex tensome ter）引伸仪是采用电测技术测量材料宏观形变的精密仪器，是材料试验机的重要附 件。由于试验对引伸仪的使用环境、测量分辨率的要求愈来愈高，而且不同研究 领域对引伸仪的工作环境要求不同，因此对引伸仪的设计出现了许多新技术、新 型式，如光学引伸仪、数字编码机等。随着现场测
13、试的需求及有关仪器内外电子 元件的完善，引伸仪的设计与制造技术还将进一步发展。目前常用的引伸仪有:轴向引伸仪、径向引伸仪、高温引伸仪、高温拉、扭引 伸仪等，还有一些专用引伸仪，如岩石力学试验周向引伸仪、某种特殊结构试验 引伸仪、激光测量变形装置等非接触式测量装置。夹具夹具是连接试样与试验机加载装置的重要附件。为了保证试验的重复性及其精 度，要求夹具要稳固可靠、对中性好、操作方便。鉴于大多数试验机所配置夹具 不可能适用于所有的实验或试样，因此设计与制作专用夹具使每个实验室经常进 行的工作。5现代材料测试技术发展的特点及趋势工业技术的革命和材料科学的飞速发展大大促进了测试技术的革新，而且其发 展速
14、度同其他相关科学技术一样呈现出非线加载趋势。在测试结果的显示技术方 面，表盘显示在我国一直沿用到20世纪80年代，而由数码管数显转入到液晶数 显仅用了不足十年。随着科学技术的发展材料测试技术日新月异，从总的方面来 看，目前材料测试技术发展的特点和趋势有以下四大特点：模块化:控制系统采用通用接口、积木式电子插件、可更换式附件； 特种化:大型、多缸、卧式、立式等试验机，例如铁道科学院的最大载荷 达ZOOOOkN材料试验系统，其位移行程2m;小型化:生物力学(皮肤的张力)，显微力学，微力测试系统(棉花纤维张力 Pmin0.01N)。智能化:整机自动化、自动切换、自动控制、自动记录、自动处理数据、 自
15、动装夹样品等。6国内外现状材料性能测试技术无论是在国内，还是在国际上均受到材料研究部门、材料科学 工作者和工程技术人员的高度重视。究其根本原因是材料的应用遍及各行各业， 材料的力学性能是工程构件和设施稳定运行和安全的保证。可以说材料测试技术 以形成了材料学科的一个重要分支。(1) 材料试验机研制目前材料测试的高端技术是电液伺服材料试验系统的研制，例如低周疲劳试验 系统和多轴热机械疲劳试验系统。目前主要是以国外的电液伺服技术为主导，著 名的制造厂商有美国的MTS系统公司、美国的Instron公司、德国的ZwiCk公司、 英国的Dateck公司和日本的岛津公司。尽管国外制造的电液伺服测试系统价格 较高，一台普通的电液伺服材料试验机最基本配置少则10多万美元，如果配置 高度技术附件整套设备价格高达100万美元。国内在电液伺服控制技术方面也进 行了研究，但是由于起步较晚，生产的试验系统其性能和外观等质量无法与上述 国外的先进设备相比，特别是控制单元、伺服器件、各种附件和高真空环境箱制 造技术远远落后于国外。高频疲劳试验机方面，德国Zwick的Amsler HFP系列 在国际上属主流产品，我国长春材料试验机研究所生产plg系列机型在国内属主 流产品，其主
