史媛媛

（湖南勞動人事職業(yè)學(xué)院，湖南 長沙 410100）

金屬材料是人類賴以生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，其被廣泛地應(yīng)用于電子、航空航天、建筑、能源、生物行業(yè)。在多種領(lǐng)域的生產(chǎn)中，金屬材料的使用率高達(dá)60%[1-2]。金屬材料的工作環(huán)境極其復(fù)雜，時常受到外界溫度與復(fù)雜機(jī)械載荷的共同作用，導(dǎo)致其性能變化，失效破壞、就目前的金屬研究發(fā)展而言，材料性能保障能力不足，因金屬材料失效導(dǎo)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(jìn)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(xiàn)分析結(jié)果可知，環(huán)境因素與復(fù)雜機(jī)械荷載的耦合作用對于金屬材料的力學(xué)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(xué)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(zhǔn)度。

在此次研究中，將主要使用原位測試技術(shù)與多荷載多物理場耦合材料力學(xué)性能測試兩個方面對近年來使用的金屬材料力學(xué)性能與失效性分析方法進(jìn)行優(yōu)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(chǔ)，提升金屬材料的使用性能。

1 金屬材料力學(xué)性能與失效性分析方法設(shè)計

1.1 分析設(shè)備選定

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

表1 性能分析設(shè)備技術(shù)參數(shù)

根據(jù)上述設(shè)定的分析設(shè)備選型結(jié)果完成分析設(shè)備的選擇過程。其中拉伸試驗機(jī)的選擇至關(guān)重要，此設(shè)備除了需要對金屬材料進(jìn)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(hù)[7]等功能。在此設(shè)備的選擇過程中，將根據(jù)試件設(shè)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(jī)可選擇 不同的加載速度。根據(jù)分析實驗的具體要求，設(shè)定拉伸實驗的加載速度。

1.2 試件制備

根據(jù)上文中設(shè)計的分析設(shè)備，將其安裝至同一實驗室中，組成金屬材料力學(xué)分析平臺。而后，完成分析試件制備過程。將需要進(jìn)行分析的金屬材料構(gòu)建為金屬單結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)試樣類型及尺寸》標(biāo)準(zhǔn)[8-9]，完成試件結(jié)構(gòu)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)分析試件的尺寸有所不同，其長度設(shè)定為350mm,寬35mm,兩端的中間加載區(qū)長度設(shè)定為45mm,寬度為30mm,細(xì)節(jié)設(shè)定為原化過渡的形式。

1.3 分析方案設(shè)定

根據(jù)此次研究的目的，將分析方案設(shè)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(xué)性能原位測試儀中，并根據(jù)預(yù)設(shè)的角度進(jìn)行扭動，進(jìn)行定位拉伸實驗，在實驗的過程中采用均勻穩(wěn)定的扭轉(zhuǎn)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(huán)境設(shè)定為15攝氏度到45攝氏度之間，實驗中的拉伸速度設(shè)定為0.30mm/s。實驗溫度設(shè)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(wěn)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(huán)系統(tǒng)，降低實驗溫度對于性能分析設(shè)備影響。使用計算機(jī)記錄實驗中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)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(yīng)的應(yīng)變曲線，比較不同實驗條件下金屬材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度變化。在實驗前需要將試件安裝到電子萬能試驗機(jī)夾持裝置，并剔除由于溫度變化產(chǎn)生的熱膨脹系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析方式設(shè)定

為了對金屬材料具有一個全面的認(rèn)識，使用計算機(jī)作為此次研究中的主要數(shù)據(jù)分析設(shè)備。但是，計算機(jī)技術(shù)雖然得到了良好的發(fā)展，對于大規(guī)模金屬材料數(shù)據(jù)的處理依然受到限制。當(dāng)計算量過大時，計算機(jī)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(yīng)用至數(shù)據(jù)處理部分中，利用有限元模型作為數(shù)據(jù)處理分析的基礎(chǔ)，減少計算量，節(jié)約計算成本。

同時，在分析的過程中，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)處理工作。根據(jù)對原有分析方法使用效果分析可知，在分析實驗結(jié)果后，大部分的試件呈現(xiàn)出損壞的狀態(tài)，僅靠肉眼觀察是得不到精準(zhǔn)的分析結(jié)果的。因此，在此次分析中，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為試件損壞分析的主要技術(shù)。將分析結(jié)果與應(yīng)變曲線相結(jié)合，完成金屬材料力學(xué)性能與失效性分析過程。

2 應(yīng)用性能分析

2.1 實驗環(huán)境設(shè)定

為驗證文中設(shè)計分析方法的科學(xué)性，在此次研究中將進(jìn)行應(yīng)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(shè)計方法的使用效果與目前使用中方法使用效果的區(qū)別。并通過分析結(jié)果確定日后金屬材料力學(xué)研究的主要方法。

2.2 實驗設(shè)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(shè)定的實驗設(shè)備選型結(jié)果作為此次實驗的實驗設(shè)備，完成實驗過程，使用計算機(jī)記錄相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)，完成對比過程。

2.3 實驗結(jié)果分析

表2 分析精度測試結(jié)果

通過上述實驗結(jié)果可知，文中設(shè)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(jié)果較差。在多次實驗中，文中設(shè)計方法的分析結(jié)果準(zhǔn)確性較高，且數(shù)據(jù)區(qū)間穩(wěn)定，可有效避免由于數(shù)據(jù)區(qū)間過大造成的分析結(jié)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(dǎo)致數(shù)據(jù)區(qū)間較大，對于精密數(shù)據(jù)的分析具有一定的制約性。因此，通過此部分實驗指標(biāo)對比可知，文中設(shè)計方法的使用效果遠(yuǎn)優(yōu)于目前正在使用中的方法。

表3 分析實驗耗時情況測試結(jié)果

通過上述實驗結(jié)果可知，在分析實驗耗時情況測試中，文中設(shè)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(shè)計方法可在短時間內(nèi)得到可信度較高的分析結(jié)果，使用目前使用的分析方法，可得到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的分析結(jié)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(shù)據(jù)會導(dǎo)致金屬材料分析領(lǐng)域發(fā)展滯后的問題。因此，在日后的研究中應(yīng)使用文中設(shè)計方法作為主要的性能分析方法。

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

3 結(jié)束語

為有效控制金屬材質(zhì)在日常生活中的使用效果，在此次研究中設(shè)計金屬材料力學(xué)性能與失效性分析方法，對其進(jìn)行研究。通過實驗對比分析可知，此次研究中設(shè)計的方法更加適用于大型的金屬生產(chǎn)企業(yè)，降低金屬處理的難度。在此次設(shè)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(yōu)化的方式，提升方法的使用效果，保證金屬分析結(jié)果的可靠性，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。