金屬材料力學性能試驗試樣驗收方法

張 帷，李 超，張 琪，王茂川，楊紅亞

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.重慶市育才中學校，重慶 400050）

對于所有的機械器具和零部件來說，使用過程隨時都有可能受到外界各種力的作用，例如起重機鋼索容易受吊物的拉力作用；柴油機的連接桿容易受到傳送力、拉力以及外界沖擊力的三重作用；汽車和各類設備的軸承容易受扭力和彎曲力的作用。因此，不同設備以及零件對其自身金屬材料的要求不同，但金屬材料必須能經得住一定程度的負荷，在不超過負荷壓力的前提下不容易發生物理形變。金屬材料所具備的這種能力被稱為力學性能[1]。

當前，我國有關金屬力學性能測定方法、技術以及相關設備都不斷更新，也在一定程度上促進了技術方法的發展。金屬材料的力學性能指的是材料具備能抵抗外界各種外加作用力和負荷力的能力，主要指標包含有材料的強度、彈性、硬度、剛度、疲勞強度、斷裂韌度以及沖擊韌性等[2]。國家認可委員會制定了實驗室有關金屬材料力學性質檢測的說明，規定從事金屬材料取樣、制樣的人員必須經過嚴格的、標準的培訓，獲得專業技能培訓證書后才能進行測樣工作。若實驗室將取樣、制樣工作委托給外包企業，應該制定詳細的取樣制樣過程要求和操作標準。實驗室在接收樣品之前要按照標準要求進行符合度檢查[3]。

1 金屬材料力學性能范圍

金屬材料力學性能試樣涉及到了彎曲試樣、硬度試樣、壓縮試樣、拉伸試樣以及沖擊試樣等，其中，而對于幾何尺寸的要求來說，最重要的試樣是沖擊試樣和拉伸試樣。拉伸試樣還包括矩形拉伸試樣、圓形拉伸試樣等。

2 金屬材料力學性能試驗方法

（1）拉伸性能測試。評價金屬材料產品質量是否合格的主要途徑是力學性能評價，其中，拉伸實驗是應用最為廣泛的方法。對拉伸試驗結果造成影響的因素主要有試樣、設備、儀器以及技術和前處理等。因此，在測定拉伸性能過程中，要對以上影響因素進行嚴格的限制，以得到更為穩定和可靠的數據，降低因素的干擾。拉伸試驗操作簡單、方便，通過獲得的應力應變曲線包含了大量信息，很容易看出材料的各項力學性能，如比例極限、彈性模量、屈服極限、強度極限等等，因此拉伸試驗成為了應用最廣泛的力學性能試驗方法。拉伸實驗的特點是測試過程中金屬材料在被破壞之前的形狀變化呈現出均勻性，是單向應變。但實驗也存在很多缺陷，例如很難獲取大形變量數據，很多試樣不在測試范圍內。

（2）壓縮性能測試。壓縮實驗多數用來檢測金屬材料壓縮極限和抗壓縮強度，在實驗過程中也可以觀察到材料被壓縮的整個過程以及發生的形變現象，根據這些結果來判斷金屬材料的壓縮性能。受到金屬材料表面摩擦力的影響，壓縮實驗很難實驗均勻變形，需要具備優良的潤滑條件，盡可能降低摩擦力或消除摩擦力，以得到更為準確的測試結果。

（3）扭轉性能測試。扭轉試驗是對金屬材料力學性能試驗試樣施加扭轉力，使得試樣在扭轉力的作用下發生形狀變化。其剪切強度極限和屈服極限的結果可以通過材料被破壞的方式體現出來。扭轉試驗主要利用扭轉試驗機來完成測試過程，其工作原理如下：扭轉試驗機主機上的固定夾頭可以用兩平面和夾緊螺栓固定扭轉試樣的一端。設備基座的電動減速裝置可以沿著水平方向進行移動，基座左側連接有夾持試樣的另一端的可旋轉夾頭。開啟扭轉試驗機后，電動減速器發生轉動，同時也可帶動活動夾頭發生轉動，如此一來，試樣兩端發生不同方向的轉動，金屬材料力學性能試驗試樣在電動扭轉力的作用下可發生物理形變。

（4）硬度性能測試。金屬材料硬度測試試驗根據受壓方式的差異主要分成刻劃法、壓入法。通常情況下，壓入法的應用較為普遍。根據加壓速度的差異可以分為靜力和動力試驗法，其中應用最為廣泛的是靜力試驗法。布氏硬度試驗所得的硬度結果代表性較強，其常用球體的直徑是10mm，壓力為3000KG，因此具有較大的壓痕面積，測試過程和結果不容易受到金屬材料組成、材料不均勻等問題的影響，可以有效反映出結果的平均值。但同時由于壓痕面積大，也為成品檢驗帶來了較大的難度，最好交給經驗豐富的技術人員來完成。

3 金屬材料力學性能試樣驗收

金屬材料力學性能試樣屬于一種類型的機械加工產品，也是一類光滑工件。對于金屬材料力學性能試樣來說，然而金屬材料力學性能試樣驗收與加工工件驗收具有不同的目的，其中金屬材料力學性能試樣驗收的作用是保證所用金屬材料的試樣可以滿足力學性能測定的具體要求，進而保證材料試樣可以真實的反應金屬的機械性質。在對金屬材料力學性能試驗試樣進行驗收過程中，誤廢容易在取樣和制樣時造成材料浪費，增加企業的投資成本，造成不必要的經濟損失。

現階段，國內材料力學性能測定實驗室中多數是通過材料性能檢驗標準中規定的最大和最小實體尺寸來作為極限驗收值參考范圍。但如果利用這種驗收方法，就算利用科技水平含量較高、較為先進和準確的計量工具也難以保證不會出現誤廢和誤收的情況。在實際測量過程中各種因素干擾的不確定性也會隨之增加。本文通過查閱大量相關文獻資料，總結了避免出現誤廢和誤收的最佳途徑是利用安全系數較高的試樣加工方式來推算尺寸驗收的極限范圍。

綜合以上觀點來看，降低金屬材料力學性能試驗試驗驗收過程出現誤收概率的主要方式是盡可能結合力學性能試樣對技術的要求來選擇合適、合理的計量工具，并根據安全裕度來推算極限驗收尺寸。在這一過程中需要注意以下幾點。首先，測量系統和計量工具不可避免會存在誤差，所有試樣驗收方式都有可能出現誤收現象，避免誤收現象發生的根本途徑是降低出現誤收情況的概率。第二，結合力學性能試樣對技術要求來選擇合理計量工具的方法沒有將試樣測試人員的技術水平、專業素質以及外界環境的影響。所有試驗的前提條件是環境和操作人員滿足測樣需求。金屬材料力學性能測定試驗試樣幾何尺寸如果被標注了有偏差存在可以采用該試樣驗收方法，如果金屬材料沒有被標注有偏差存在，則可以直接利用常規游標卡尺（0.02 mm）進行計量驗收工作，不需要考慮安全裕度問題即可完成驗收工作。此外，基于長久發展的角度來看，計量工具和誤收價值相比，誤收所造成的損失更為嚴重。金屬材料力學性能測試實驗室最好事先與機械加工取得一致意見，盡可能采用統一的、合理的驗收方法和較為精密的計量器具來完成驗收工作，以免出現問題造成雙方爭議不斷。