金屬材料學術(shù)論文
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金屬材料學術(shù)論文篇一
金屬材料拉伸實驗研究
【摘 要】測定金屬材料在常溫靜載情況下的機械性能的最常用和最基本的方法是利用拉伸實驗來測定。拉伸實驗具有簡單易行、便于分析的優(yōu)點，所以其被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計、機械制造等多個領(lǐng)域，用于測定金屬材料的強度、塑形和彈性模量等機械性能指標。目前，關(guān)于拉伸實驗的測試技術(shù)已較為成熟。
【關(guān)鍵詞】金屬材料;拉伸實驗;實驗表征
金屬材料的力學性能是其性能和可靠性的重要標志，拉伸性能更是金屬材料的力學性能的重要參數(shù)。通過拉伸實驗，可以獲得如抗拉強度、伸長率等多項金屬材料的力學指標，為材料方面的科學研究創(chuàng)造價值。本文就金屬材料在室溫條件下的拉伸實驗進行了簡要分析，希望能為實際的實驗工作帶來一些幫助。
1.實驗要求
金屬材料的拉伸實驗是在常溫下對除金屬構(gòu)件和金屬零件以外的黑色或有色金屬進行拉伸實驗，以測定其性能指標的實驗。對于待測定的試樣，一般要求其橫截面尺寸不小于0.1mm，但有些試樣，如毛細管、超細絲、金屬箔等，其本身橫截面尺寸很小的，常規(guī)方法一般處理不了，需要單獨處理。拉伸實驗要求在常溫中進行，這里常溫指的是10-35℃之間的溫度。如果所測材料在不同的溫度下力學性能值變化時，要更加注意實驗的溫度，一般將溫度控制在23℃左右，以保證性能數(shù)據(jù)準確性較高。
2.試樣取樣及加工
金屬材料在取樣時一定要按照相關(guān)的規(guī)定進行切取。在切取時要注意切取的位置、方向以及數(shù)量。在取樣的整個過程中，一定要保證材料的溫度處于室溫水平，防止材料過熱或硬化影響金屬材料力學性能的測定。在切取之前，可以先將切取位置、方向標記出來，防止切取時出現(xiàn)差錯，造成材料的浪費，或?qū)е滦阅苤笜藴y量不準。對于鋼產(chǎn)品在取樣時不僅要保證試樣的尺寸切取合適，也要保證鋼產(chǎn)品的外觀合適。
取樣結(jié)束之后，接下來需要對試樣進行加工。對于材料厚度在25mm以上的試樣，一般會采用機器加工的方法，將其加工為圓形橫截面或單邊減薄至25mm之后，再進行實驗。對于材料厚度比較小的試樣，一般不經(jīng)機器加工。
試樣可以分為比例試樣和非比例試樣兩種，試樣標距也可分為比例標距與非比例標距兩種，在不同的試樣標距下，材料的斷后伸長率測出來是不一樣的。一般，若試樣的試樣標距L0與試樣的原始橫截面積S0滿足關(guān)系式L0=k(S0)1/2時，則采用比例標距，否則，采用非比例標距。
3.實驗過程
3.1試樣原始橫截面積S0的測量
試樣的原始橫截面積是通過實測試樣的橫截面的尺寸而計算得到的，對于橫截面為圓形的試樣，測量的是橫截面的直徑，在選取測量位置時，要包括標距兩端和中間三個位置，進行多次測量，將三個位置的直徑數(shù)據(jù)分別匯總，處理之后求平均值，并計算橫截面積，取三次計算面積的最小值作為原始橫截面積;如果橫截面為矩形，則測量的是長和寬，在選取測量位置時要包括標距兩端和中間三個位置，并把三次計算得到的橫截面積的最小值作為原始橫截面積;對于環(huán)形的試樣，要測出試樣的平均外直徑和平均壁厚來計算環(huán)形橫截面積。
3.2原始標距標記和平行長度的測量
進行拉伸實驗之前，要先修正比例標距的計算值，使其盡量接近5mm的倍數(shù)，并且原始標距的準確度要控制在±1%之內(nèi)，標距裝置的準確度檢驗也不容忽視，檢查標距的準確度以保證實驗時標記清晰，方便測量。除采用力夾頭位移方法進行測量時需要測量平行長度，其他的金屬材料拉伸性能實驗一般不必測量平行長度。
3.3 實驗速率設(shè)定
在測定金屬材料不同的拉伸性能時，實驗的速率設(shè)定也是不一樣的。實驗速率是影響實驗數(shù)據(jù)準確性的重要因素。對于測定材料強度的實驗，塑性范圍內(nèi)應(yīng)變速成率應(yīng)控制在0.025/s以內(nèi);在測定抗拉強度時，應(yīng)變速率應(yīng)在0.008/s以內(nèi);在測定上屈服強度時，注意保持實驗速率的穩(wěn)定;在測定下屈服強度時，平行長度變速成率在0.00025/s-0.0025/s之間比較合適，并要注意保持實驗速率的穩(wěn)定性。
3.4性能測定
金屬材料包含6種延時性能和6種強度性能。其中六種延時性能指的是：斷后伸長率、屈服點延伸率、最大力總伸長率、最大力非比例伸長率和斷后總伸長率。六種強度性能有：上屈服強度、下屈服強度、非比例延伸長度、殘余延伸長度等。在測量金屬的延伸性能時一般可以采用人工標距的方法或圖解引伸計標距的方法。兩種方法有各自的適用范圍，在進行實驗時要根據(jù)金屬材料本身特性，實驗設(shè)備等多方面的原因綜合考慮，選用最合適的實驗方法。
4.測量工具規(guī)范使用
4.1引伸計
引伸計是試驗機的一個重要附件，可以自主安裝和拆卸，多用于測定彈性模量和非比例延伸強度的測量，在進行實驗時要正確裝卸、裝夾、跟蹤，保證實驗結(jié)果的可靠性。在引伸計裝夾時，要將標距桿墊片卡在力臂與標距桿之間，保證卡緊卡牢，使刀刃與試樣垂直接觸，并用橡皮筋將其固定在一起。標定時，要按照相應(yīng)增量增加標準位移，并且標定工作要重復進行三次，在每次的標定中都要重新卸下和安裝引伸計，千萬不可為省事而不規(guī)范標定工作。另外，測量系統(tǒng)與標定系統(tǒng)要保證參數(shù)的統(tǒng)一性。
4.2夾持具及試樣裝夾
實驗中選用的夾持具一定要與試樣形狀相匹配，和夾具的表面外型花紋形狀相適宜。保證夾持具與試樣之間的摩擦力，使試樣不至于掉落下來，而使實驗中斷，影響實驗效率。夾具一定要加緊試樣，并且夾具要與試樣垂直，防止傾斜，產(chǎn)生傾斜角度，造成實驗誤差。為了保證夾具與試樣的垂直可以采用垂直直角的附件來輔助完成，在裝夾試樣時，通過與直角附件比靠即可知道是否垂直。在實驗開始之后，就不可再升降橫梁，在實驗過程中，如果發(fā)現(xiàn)夾持具與試樣未垂直，或橫梁的高度不合適時，要終止實驗進行調(diào)整，并在調(diào)整好之后重新開始實驗，不可繼續(xù)實驗，或并不停止實驗而直接調(diào)整，并繼續(xù)實驗。這樣會導致實驗結(jié)果不可靠，造成嚴重的誤差等。
5.結(jié)束語
金屬材料的拉伸實驗是測定金屬的力學性能的最重要和最基本的途徑與方法，嚴格控制和規(guī)范實驗過程是提高實驗質(zhì)量的關(guān)鍵。在實驗過程中注意觀察和分析影響金屬材料拉伸實驗的可能因素，并加以總結(jié)，探索產(chǎn)生的原因，并積極找尋解決對策。在進行實驗時注意避免這些不良因素對于實驗的干擾，制定科學的實驗儀器操作規(guī)程，在實驗時嚴格按照規(guī)程規(guī)范整個實驗過程，保證實驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。 [科]
【參考文獻】
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金屬材料學術(shù)論文篇二
論金屬材料的速度極限
摘 要：沒有任何一種已知物質(zhì)的運動速度可以達到光速，每一種物質(zhì)材質(zhì)應(yīng)當都有一個確定的速度極限值(實驗會給出最終的答案)。為了確定哪一種金屬材料更適合于制造“光速飛船”，本文選擇下面的實驗方法進行測算對比。
關(guān)鍵詞：速度極限;瞬時速度;金屬材料
【中圖分類號】 G633.8 【文獻標識碼】 A 【文章編號】1671-8437(2012)02-0116-02
愛因斯坦預言，人如果乘坐上“光速飛船”，時間會倒流，人會返老還童。這也正是千百年來人類的夢想。為了實現(xiàn)這個夢想，現(xiàn)在我們通過實驗篩選各種金屬材料，看哪一種更適合于制造能讓我們返老還童的“光速飛船”。
實驗從伽利略的“斜面實驗”開始。球a從斜面上滾下，理想狀態(tài)下——勢能完全轉(zhuǎn)化成動能，它應(yīng)當爬升到對面斜面相同的高度。如果斜面展開，小球?qū)⒆鰟蛩僦本€運動，并且一直運動下去?，F(xiàn)在，我們在球a的直線方向上放置球b(球b的材質(zhì)、體積、質(zhì)量與球a完全相同)。某瞬間，球a與球b撞擊，理想狀態(tài)下，球a停止運動，球b依然按球a的速度做勻速直線運動，就是說，球a的動能完全傳遞給球b。而在現(xiàn)實情況中，玻璃彈子的撞擊會出現(xiàn)另一種情況，撞擊的瞬間，球a和球b一只或兩只玻璃彈子會碎裂，這是因為動能在兩者之間傳遞時，動能的力量已經(jīng)超出了玻璃彈子材料自身的結(jié)合能的原因。
球a與球b在撞擊的瞬間，動能在球a和球b之間傳遞，在速度較低、動能較小的情況下，動能在兩者之間有效傳遞;隨著速度的不斷增加，動能會變得很大，動能的傳遞會變成猛烈的撞擊——以動能、熱能或其它不同能量形式瞬間表現(xiàn)出來，當這種能量的威力足以克服物質(zhì)材質(zhì)自身的結(jié)合能時，材質(zhì)本身就會遭到破壞。當然，材質(zhì)不同，其分子、原子的結(jié)構(gòu)不同，決定了材質(zhì)自身結(jié)合能的不同。這正是我們這次實驗考察的目標——哪種材質(zhì)自身結(jié)合能更強，更適合制造“光速飛船”。
在這里我們只選擇一種實驗形式進行考察：撞擊者是各種金屬材質(zhì)的小球，被撞擊的靶子是一個理論上固定不動的剛體，那么撞擊的結(jié)果就是：動能轉(zhuǎn)化成熱能、動能和其它能量形式——如果在速度足夠快、動能足夠大的情況下，動能將在瞬間完全轉(zhuǎn)化成熱能，其它能量形式可以忽略不計。當此熱能能夠達到材料的熔點，我們就認為，這樣的速度已經(jīng)達到了某材料的破壞點——即材料的速度極限。并且在相反的運動過程中——由靜止到運動的瞬時速度達到這個速度極限值，對材料的破壞結(jié)果是相同的——它不是運動，而是熔化，不再具有器材的應(yīng)用價值。通過測算對比不同金屬材料的速度極限值來確定哪種材料更適合于制造“光速飛船”。
其實，我們對速度極限的認識十分清楚。普通汽車的速度極限設(shè)計在240公里/小時;動車的速度能達到500公里/小時;人的百米速度達到11米/秒;獵豹的奔跑速度90公里/小時。隨著科技的發(fā)展速度的提高是可能的，但是真正的速度極限是不可能達到的。達到光速的物質(zhì)將呈能量態(tài)，所有物質(zhì)態(tài)的性質(zhì)將被全部湮滅。
于是我們確定我們的實驗方法：金屬材質(zhì)的球a在高速運動的過程中撞擊剛性的靶子，動能完全轉(zhuǎn)化成熱能，當產(chǎn)生的熱能等于球a所用金屬材料的熔點的情況下，我們認為，已經(jīng)達到了這種金屬材料的破壞點即速度極限——處于熔化狀態(tài)的金屬材料不再具有器材的使用價值。
假設(shè)球a是鋁制品，在撞擊時動能完全轉(zhuǎn)化成熱能Q，且熱能Q能夠讓鋁制球體達到熔點。就是說，單位質(zhì)量的鋁球在達到熔點狀態(tài)時，所需要的熱能是Q。
即Q=cm△T(式中c是比熱容，鋁的比熱容是880J/(Kg·℃);m是質(zhì)量;△T是溫差，這里我們?nèi)′X的熔點660℃)
就是說：一個單位質(zhì)量的鋁球，達到熔點時所需要的熱量是Q，Q=880×660m。
我們知道，當球a的運動速度為v時，它的動能是：
E=1/2mv2。如果動能E完全轉(zhuǎn)化成熱能Q
那么 E=Q 則 1/2mv2=880×660m
v2=2×880×660 則v=1078m/s
鋁球的速度極限值是1078米/秒。
一個以1078米/秒運動的鋁制球體撞擊剛體，其結(jié)果是：鋁球在剛體上熔化。
需要特別說明的是相反的運動過程：如果鋁制球體處于靜止狀態(tài)，我們用剛體來撞擊它，而要求鋁球被撞擊后的瞬時速度達到1078米/秒。其結(jié)果一樣：鋁球在剛體上熔化。就是說，鋁制“飛船”或是子彈彈頭，要使其由靜止到運動的瞬時速度達到1078米/秒的話，鋁體將熔化;如果彈頭的話會爆管。金屬鋁不再具有材料的使用價值?？赡苡行┖教毂瘎〉漠a(chǎn)生，就是由于對其金屬材料的速度極限值估計不足。
下面是根據(jù)以上理論計算的常見金屬的速度極限值列表：
就表中所見，在以上所列的十二種常見金屬中，鎳金屬的速度極限值最高為1252.7米/秒;其次是鋼1181.7米/秒;速度極限值最低的是鉛僅為291.6米/秒(我們完全可以用子彈發(fā)射來測定各種金屬的的速度極限值)。我的手頭上沒有那些合成鋼材料的比熱容和熔點的數(shù)據(jù)，所以沒辦法知道它們的速度極限值的數(shù)據(jù)。但就表中所見速度極限值最高的鎳金屬而言，才是光速的約二十四萬分之一。
現(xiàn)在，我們假想球a和球b是“光速飛船”上相鄰的兩個質(zhì)點，其中球a是首先受到推動力的點。如果要使飛船由靜止到運動的瞬時速度達到N/秒，必然有一個動能的作用在a和b之間傳遞，就像球a與球b在直線上撞擊一樣，隨著速度的增加，撞擊的效果會變得十分驚人——就是說，隨著速度的增加，對飛船材質(zhì)的要求會變得十分苛刻，能勝任的材質(zhì)越來越少。直到最后，沒有任何已知的材質(zhì)可以勝任光速飛船的要求。作為飛船的駕駛者而言，如果由靜止到運動的瞬時速度達到100米/秒的話，就是一個坐在椅子上的人也會受到致命的傷害。相當于360公里/小時的汽車所做的的碰撞試驗，其結(jié)果不難想象。如果由靜止到運動的瞬時速度達到1000米/秒的話，很多看起來堅硬的金屬材料也會被破壞，那才是光速的三十萬分之一。所以，人坐上“光速飛船”返老還童的夢想永遠不會實現(xiàn)。
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