金屬材料損傷變量的實驗方式范文

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1、引言

在對金屬材料加工制造的過程中，很容易對金屬材料的尺寸、形態、表征、相界面等造成一定程度的損傷。在金屬研究領域。對金屬材料特征和性能進行優劣的研究和分析中，金屬材料本身的損傷變量作為重要參數，為材料性能的預測和分析提供重要的參考。絕大多數的金屬材料都具有明顯的彈塑性，具有典型的損傷特性。當金屬構件受到頻率在20kHz的超聲波振動作用的影響下，金屬材料的狀態及其性質就會發生明顯的變化。但是因為損傷變化相對來說比較微弱的，因此對于損傷變化采用超聲波技術來進行測量和描述是具有一定的優勢的。金屬材料的損傷狀態會依靠損傷變量來對其進行恰當的描述，一般來對材料損傷狀態的進行描述分為宏觀基準和細觀基準兩類。所謂宏觀基準主要是從金屬材料的彈性模量、拉伸強度、電阻量、材料密度等宏觀方面的描述；細觀基準主要是從金屬材料本身所具有的的長度、體積、孔隙的數量和形狀等多種微觀因素決定的有效承載能力。對于細觀基準來說要直接建立起力學結構關系是具有一定的困難的，在對損傷變量進行定義和測量的過程中，需要預先對各方面要素進行統計處理，為力學結構模型建立一定的基礎。對于宏觀基準來說，在對損傷變量進行定義和測量的過程中，需要選擇探測難度小、敏感度高的宏觀方面的物理量作為主要參數。

2、實驗過程與方法

2.1宏觀基準下的拉伸實驗本文研究選擇板狀圓弧形拉伸20鋼作為實驗試件，這是基于損傷區域的考慮，選擇此種試件是為了保證試件在載荷狀態下損傷能夠在測量區集中。同時，為了保證對應變和應力關系測量的方便性和準確性，將試件進行簡化處理成為標準試件。如圖1所示為簡化后的標準試件。在進行正式的損傷實驗前，對試件的單向應力狀態、力學參數、厚度標準等進行必要的測量并標定。采用MTS871型電液伺服實驗系統對試件以載荷控制方式進行單向加載，然后測量試件中超聲波的飛行時間，載荷量最小控制在0.01kN。為了對試件受損過程中產生的塑性變形更好的進行跟蹤，采用快速網格法對每一個被測點的應變進行測量，并采用光彈性數學圖象分析系統進行系統的分析。因為損傷變量的變化靈敏度高，所以測試對于精度有很高的要求，對測試系統的性能相應的也有很高的要求。

2.2細觀損傷Df測量為了能夠更加準確的對試件損傷處的空穴率進行測量，需要在宏觀實驗研究分析中的每一種應變狀態下試件的代表部位沿著中心面利用線切割機進行薄片切割，厚度為0.3mm，制作成為微觀試樣。附加塑性變形會對塑性變形量的測量結果造成直接的影響，因此，為了避免實驗使用的樣品存在附加塑性變形，需要采取手工打磨配合電解拋光的方式對樣品進行鏡面處理，并將制定完成的試樣在酒精中浸泡，以防止剖斷口暴露在空氣條件下受到氧化。在進行測試操作時將試樣取出利用掃描電鏡進行掃描觀察。本次實驗使用的JEM35C型掃描電鏡，分辨率為6nm。空穴率的計算采用的計點法，為減少人工測量中的誤差，采用多個視場多次測量的方式，取平均值，最大限度的使測量結果能夠對微觀組織形貌進行反映。

3、實驗結果

為了有效的提高損傷敏感性，運用應力與聲學的關系到處剪切彈性模量或密度定義的損傷相較于用聲波速度定義的損傷系效果要好得多，結果如圖2所示。這主要是由于應力與聲學之間的關系充分考慮到了組合參數所帶來的綜合性影響，具有更好的全面性，而且誤差要小得多，這樣能夠最大程度的保證定義損傷的準確性和合理性。雖然宏觀角度對損傷參量進行定量計算，但是因為飛行時間和橫波波速的共同引入，相較于單純以波速作為參數的宏觀損傷定量計算效果要好得多。同時全部的推到過程都是建立在應力與聲學之間關系的基礎上，具有清晰的物理背景。但是其所反映的材料損傷缺陷是流于表面的，缺乏對深層次缺陷的反映。從細觀損傷變量與應變的關系圖可以清楚的看出，隨著變形量的不斷增加，基體應變和空穴體積率對損傷的影響也隨之不斷增大，變化速度上初期比后期要慢。隨著變形量的不斷增加，二級空洞增加，空穴數量和體積加速增長，細觀結構變化速度加快，敏感度上升。當應變率達到斷裂前的極限時，最大損傷值達到0.59。

4、結論

（1）從微觀結構的角度來說，利用應力與聲學之間的關系導出組合參數用以對損傷變量進行描述，物理背景清楚，具有合理的理論基礎。（2）本文實驗只是對試件采用單向的拉伸，并對拉伸帶來的損傷進行觀察和分析，支隊一般載荷情況下的損傷值的計算方法進行理論上的分析，具體的計算和驗證還需要進行更為深入具體的實驗來求證。（3）從實驗結果可以看出，在變形的中期宏觀損傷和細觀損傷之間存在較大的差別，二者都是利用受損局部的特征參量來進行描述，對損傷都具有較強的敏感性，從表面看是一致的。但是當物體外部作用的特征尺度與材料本身的內部特征長度接近時，不在適用于連續系統模型，此時需要將其作為一個重要的非局部因素對其所帶來的影響進行重點考慮。

作者：何麗鑫 張平 單位：沈陽招標中心 沈陽建設項目招投標中心