金屬材料力學性能與失效性分析研究

史媛媛

（湖南勞動人事職業學院，湖南 長沙 410100）

金屬材料是人類賴以生存與發展的物質基礎，其被廣泛地應用于電子、航空航天、建筑、能源、生物行業。在多種領域的生產中，金屬材料的使用率高達60%[1-2]。金屬材料的工作環境極其復雜，時常受到外界溫度與復雜機械載荷的共同作用，導致其性能變化，失效破壞、就目前的金屬研究發展而言，材料性能保障能力不足，因金屬材料失效導致的事故層出不窮，給社會與人身安全帶來了巨大的損失。在各類金屬材料性能失效情況中，可將其分為微觀行為與宏觀行為，在此次研究中對金屬失效的微觀性進行分析，其具體可包含解理斷裂、疲勞斷裂、沿晶斷裂、韌窩斷裂等形式[3-4]。通過以往的文獻分析結果可知，環境因素與復雜機械荷載的耦合作用對于金屬材料的力學性能影響較大。在此次研究中，將主要對金屬材料的物理場耦合材料力學性能方向展開分析，同時使用有限元法提高分析過程的精準度。

在此次研究中，將主要使用原位測試技術與多荷載多物理場耦合材料力學性能測試兩個方面對近年來使用的金屬材料力學性能與失效性分析方法進行優化，同時使用新型的分析方法完成金屬材料的研究過程。希望通過此次研究為日后的金屬材料使用提供基礎，提升金屬材料的使用性能。

1 金屬材料力學性能與失效性分析方法設計

1.1 分析設備選定

通過文獻研究可知，金屬材料在常溫荷載作用下的宏觀力學性能被稱為材料力學性能[5-6]。傳統的材料力學分析方法中常采用拉伸/壓縮、扭轉、彎曲、剪切等方式完成分析過程，分析結果并沒有得到預想的高度。隨著科技的不斷進步，材料力學性能測試手段也在不斷地優化，金屬性能分析方法中使用的設備也在不斷的增加。在此研究中，為充分的提升分析結果可信度，對分析過程中可能會使用到的設備進行設定，具體設備技術型號如下所示。

表1 性能分析設備技術參數

根據上述設定的分析設備選型結果完成分析設備的選擇過程。其中拉伸試驗機的選擇至關重要，此設備除了需要對金屬材料進行性能測試，還需要顯示試驗力、位移等多種用途，同時具有限位、過載自動保護[7]等功能。在此設備的選擇過程中，將根據試件設計的大小，形狀選擇夾持裝置，以此保證分析器具在使用過程中的有效性，在此次研究中選用的電子完成試驗機可選擇 不同的加載速度。根據分析實驗的具體要求，設定拉伸實驗的加載速度。

1.2 試件制備

根據上文中設計的分析設備，將其安裝至同一實驗室中，組成金屬材料力學分析平臺。而后，完成分析試件制備過程。將需要進行分析的金屬材料構建為金屬單結構試件的形式，劃分為8組，每組均含有一個試件作為未處理的原始試件。參考《金屬拉伸標準試樣類型及尺寸》標準[8-9]，完成試件結構設計。由于在此次分析過程中，含有部分非線性超聲測試，此試件的尺寸與標準分析試件的尺寸有所不同，其長度設定為350mm,寬35mm,兩端的中間加載區長度設定為45mm,寬度為30mm,細節設定為原化過渡的形式。

1.3 分析方案設定

根據此次研究的目的，將分析方案設定為兩部分。首先將分析試件安裝到多載荷多物理場材料微觀力學性能原位測試儀中，并根據預設的角度進行扭動，進行定位拉伸實驗，在實驗的過程中采用均勻穩定的扭轉方向以及拉伸速度。在此部分實驗的過程中，注意試件的荷載與位移，同時在計算的過程中注意單位的換算，并將其繪制成不同曲線的形式，降低分析難度。

除上述拉伸試驗外，在此次分析過程中將增加高溫拉伸實驗，使用加溫爐實驗環境設定為15攝氏度到45攝氏度之間，實驗中的拉伸速度設定為0.30mm/s。實驗溫度設定為15攝氏度，30攝氏度以及45攝氏度三組實驗溫度點。在保證實驗溫度穩定的情況下，提升加載拉伸力。在實驗的過程中，使用冷卻循環系統，降低實驗溫度對于性能分析設備影響。使用計算機記錄實驗中產生的數據與曲線，將儀器的拉力與試件位移的值作為主要的記錄對象，繪制出相應的應變曲線，比較不同實驗條件下金屬材料的屈服強度、抗拉強度變化。在實驗前需要將試件安裝到電子萬能試驗機夾持裝置，并剔除由于溫度變化產生的熱膨脹系數。

1.4 數據分析方式設定

為了對金屬材料具有一個全面的認識，使用計算機作為此次研究中的主要數據分析設備。但是，計算機技術雖然得到了良好的發展，對于大規模金屬材料數據的處理依然受到限制。當計算量過大時，計算機的硬件與計算時間混消耗過大。為了解決此類問題，在此次研究中將有限元邊界理論[10]應用至數據處理部分中，利用有限元模型作為數據處理分析的基礎，減少計算量，節約計算成本。

同時，在分析的過程中，使用人工神經網絡完成數據處理工作。根據對原有分析方法使用效果分析可知，在分析實驗結果后，大部分的試件呈現出損壞的狀態，僅靠肉眼觀察是得不到精準的分析結果的。因此，在此次分析中，將人工神經網絡作為試件損壞分析的主要技術。將分析結果與應變曲線相結合，完成金屬材料力學性能與失效性分析過程。

2 應用性能分析

2.1 實驗環境設定

為驗證文中設計分析方法的科學性，在此次研究中將進行應用實驗完成對其使用效果的研究。選用目前正在使用中的性能分析方法作為對照對象了，通過對比多種方法分析精度與分析實驗耗時情況，獲取文中設計方法的使用效果與目前使用中方法使用效果的區別。并通過分析結果確定日后金屬材料力學研究的主要方法。

2.2 實驗設備與對象

在此次實驗過程中，主要采用美國Hobart Brothers焊材公司提供的部分焊材作為實驗對象，選用上文中設定的實驗設備選型結果作為此次實驗的實驗設備，完成實驗過程，使用計算機記錄相應的實驗數據，完成對比過程。

2.3 實驗結果分析

表2 分析精度測試結果

通過上述實驗結果可知，文中設計方法的分析精度較高，其他兩種使用的分析方法所得分析精度結果較差。在多次實驗中，文中設計方法的分析結果準確性較高，且數據區間穩定，可有效避免由于數據區間過大造成的分析結果失真問題。目前使用的分析方法由于未采用有限元分析與邊界原理，導致數據區間較大，對于精密數據的分析具有一定的制約性。因此，通過此部分實驗指標對比可知，文中設計方法的使用效果遠優于目前正在使用中的方法。

表3 分析實驗耗時情況測試結果

通過上述實驗結果可知，在分析實驗耗時情況測試中，文中設計方法的分析時長明顯下降，其他兩種方法的耗時較長。在多次實驗中可以看出，使用文中設計方法可在短時間內得到可信度較高的分析結果，使用目前使用的分析方法，可得到標準規定的分析結果與分析時長。但對于金屬材料的長期分析而言，使用此類分析方法得到數據會導致金屬材料分析領域發展滯后的問題。因此，在日后的研究中應使用文中設計方法作為主要的性能分析方法。

將分析精度測試結果與分析實驗耗時情況測試結果整合可知，在此研究中設計的材料性能分析方法使用效果較佳，將其作為金屬行業中的分析方法可有效推動金屬行業的發展。

3 結束語

為有效控制金屬材質在日常生活中的使用效果，在此次研究中設計金屬材料力學性能與失效性分析方法，對其進行研究。通過實驗對比分析可知，此次研究中設計的方法更加適用于大型的金屬生產企業，降低金屬處理的難度。在此次設計中還存在些許的不足，在日后的使用中可通過分析方法優化的方式，提升方法的使用效果，保證金屬分析結果的可靠性，避免不必要的經濟損失。