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淺析金屬材料常用的力學性能測定的標準
金屬材料常規力學性能試驗項目主要分為拉伸、硬度、沖擊、工藝性能和疲勞試驗五方面，以下是小編搜集整理的一篇探究金屬材料常用的力學性能測定標準的論文范文，歡迎閱讀參考。
摘 要：計算機模擬金屬材料力學性能檢測試驗，能夠直觀對金屬材料在整個試驗過程中的應力應變狀態進行分析，可以對未來建立金屬材料檢測數據庫提供視覺素材;建立力學檢測數據與模擬參數關聯的數據庫，為模擬金屬材料改變自身形狀，改變服役條件后進行力學性能模擬提供數據支持;利用計算機模擬軟件建立金屬構件在服役條件下的力學性能分析，為現實模擬金屬構件的力學性能提供更直接有效的指導。
關鍵詞：金屬力學性能;有限元;應力應變
1 引言
在金屬材料力學性能檢測的過程中，影響最終檢測結果準確性的因素有很多，這其中包括：測試人員素質、測試方法、試樣狀態、環境條件等。當前對金屬力學性能檢測技術的改進集中體現在對實驗設備的改進以及測試方法的科學化和標準化方面，對于試樣在試驗過程中的應力應變狀態分析的研究只能局限于樣品在測試結束后的數據分析，但金屬構件大多具有比較復雜的形狀和大小不同的尺寸，且其服役條件往往也是極端復雜的，通過力學試驗測定的結果作為判據，并不能確切的表征金屬材料在實際工作條件下的強度行為，因而不能對金屬的使用性能做出確切可靠的評價。
利用有限元分析軟件對金屬材料的力學性能試驗進行模擬分析，能夠直觀對金屬材料在整個試驗過程中的應力應變狀態進行分析，不僅能有效的預測金屬材料的應力應變的變化，為金屬構件在服役條件的失效分析、確定金屬構件的合理設計、制造、安全使用和維護提供參考，還能對改進金屬材料測試方法，提高測試精度提供一些新思路，同時也為選材和質量控制提供一些技術依據。
有限元是在連續體上進行近似計算的一種數值方法，它經過了40多年的發展已經形成了一套相當完善的理論體系，是現今應用最為廣泛的數值計算方法。可以解決如工程的結構分析、電磁學和熱力學等方面的問題。近年來我國對材料力學的有限元分析進行了大量的研究，但對于金屬只進行了一些較為常見的材料在特定力學條件下的有限元分析，提出了一些材料力學性能指標和應力應變的關系。
2 ANSYS有限元模擬與試驗室力學性能檢測耦合
有限元分析就是將復雜的連續物理對象劃分成一個個離散的子域，利用子域建立的近似的函數進行描述;推導求解處理所有子域誤差以此來建立整體的分析方程，再通過計算機的數值計算處理功能，就可以利用數值求解方法解決任意復雜的問題[1]。
金屬材料常規力學性能試驗項目主要分為拉伸、硬度、沖擊、工藝性能和疲勞試驗五方面。現行力學性能檢測絕大多數是借助幾何形狀非常簡單的標準試樣裝卡在普通的力學試驗機上，在簡單的應力狀態下進行力學檢測。利用ANSYS有限元模擬力學檢測試驗，可以使整個試驗過程能夠直觀的表現，并能建立力學檢測數據與模擬參數關聯的數據庫，為模擬金屬材料改變自身形狀，改變服役條件后進行力學性能模擬分析奠定基礎。
2.1 模擬拉伸試驗
以模擬拉伸試驗為例，國內拉伸試驗方法標準為《GB/T 228.1-2010 金屬材料 室溫拉伸試驗方法》，主要測定的檢測項目為：抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率以及n值、r值等。拉伸試樣在拉伸的過程中一般要經歷彈性、屈服、強化、頸縮四個階段，試驗數據是通過測量作用于試樣的載荷F和試樣原始標距部分的伸長L計算得出應力-應變圖，從而得出相應的試驗數據。
ANSYS模擬金屬拉伸試驗主要分為：建模、設置物理參數、設置加載條件和求解等幾大部分。根據拉伸試驗的特點，模型可以簡化成不考慮夾持部分，將一端圓弧末端固定，而在另一端圓弧末端施加位移載荷，這樣既可以縮短計算時間、減少存儲空間，同時也可以滿足計算精度的要求，如圖1。因為金屬材料大都是各向同性的，只需要輸入DENS(密度)、EX(彈性模量)和NUXY(泊松比)定義即可。加載條件的設置主要以測試材料實測的應力應變關系進行設置。
2.2 模擬數據庫的建立
DENS(密度)、EX(彈性模量)和NUXY(泊松比)是表示材料自身特性的參數，其大小與材料本身的狀態，例如元素含量，熱處理狀態等相關，與使用環境，受力狀態無關。模擬拉伸試驗的意義在于通過對實際檢測結果的耦合，推出不同材料自身的模擬參數(DENS、EX和NUXY)，此時這些模擬參數與實際材料的固有參數無關，是使模擬結果與實際檢測相耦合的條件，并建立相互關聯的數據庫，流程如圖2。
3 金屬構件的應用模擬
近年來，在金屬力學性能測試領域中注意力更集中于“服役機件”而不是普通試樣，模擬機件壽命試驗有逐步發展成為一門獨立學科的趨勢。如英國北海油田開發用金屬材料及加拿大天然氣管道構件，廣泛采用模擬試驗來研究金屬材料的在特定條件下的使用性能，航空渦輪發動機的地面模擬試驗在世界各國廣泛采用[2]。但這些金屬構件的全尺寸模擬試驗缺乏普遍性且實施比較困難(費用昂貴和技術復雜)，更多地用于各種關鍵性構件的模擬測試中。
追蹤了解金屬材料的后加工形狀和使用狀態，通過計算機利用ANSYS建立相關模型，利用已有數據庫中的模擬參數，對金屬構件進行模擬分析，流程如圖3所示，探求普通力學性能測試方法所得到的金屬力學性能判據與金屬制件在真實服役條件下所顯示的強度行為之間相互關聯的各種規律性。不僅實施簡單，節約大量的人力物力，更重要的是可以普遍應用于各種金屬構件，同時也為現實模擬服役條件下金屬構件的力學性能提供更直接有效的指導。
4 結束語
利用計算機模擬金屬材料力學性能檢測試驗，能夠直觀對金屬材料在整個試驗過程中的應力應變狀態進行分析，對未來建立金屬材料檢測數據庫提供視覺素材。
通過有限元分析的模擬分析，使具有比較復雜的形狀和大小不同的尺寸金屬構件在真實服役條件下得到表征。不僅能有效的預測金屬材料在實際使用過程中應力應變的變化，為金屬構件在服役條件下的失效分析、確定金屬構件的合理設計、制造、安全使用和維護提供參考，還能對改進金屬材料測試方法，提高測試精度提供一些新思路，同時也為現實模擬金屬構件的力學性能提供更直接有效的指導。
參考文獻
[1]張朝暉.ANSYS 12.0熱分析工程應用實戰手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2010.
[2]曹用濤.金屬力學性能測試進展[J].北京：理化檢驗-物理分冊， 1994，30(5)：22-25.
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