金属材料学术论文
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金属材料学术论文篇一
金属材料拉伸实验研究
【摘 要】测定金属材料在常温静载情况下的机械性能的最常用和最基本的方法是利用拉伸实验来测定。拉伸实验具有简单易行、便于分析的优点，所以其被广泛应用于工程设计、机械制造等多个领域，用于测定金属材料的强度、塑形和弹性模量等机械性能指标。目前，关于拉伸实验的测试技术已较为成熟。
【关键词】金属材料;拉伸实验;实验表征
金属材料的力学性能是其性能和可靠性的重要标志，拉伸性能更是金属材料的力学性能的重要参数。通过拉伸实验，可以获得如抗拉强度、伸长率等多项金属材料的力学指标，为材料方面的科学研究创造价值。本文就金属材料在室温条件下的拉伸实验进行了简要分析，希望能为实际的实验工作带来一些帮助。
1.实验要求
金属材料的拉伸实验是在常温下对除金属构件和金属零件以外的黑色或有色金属进行拉伸实验，以测定其性能指标的实验。对于待测定的试样，一般要求其横截面尺寸不小于0.1mm，但有些试样，如毛细管、超细丝、金属箔等，其本身横截面尺寸很小的，常规方法一般处理不了，需要单独处理。拉伸实验要求在常温中进行，这里常温指的是10-35℃之间的温度。如果所测材料在不同的温度下力学性能值变化时，要更加注意实验的温度，一般将温度控制在23℃左右，以保证性能数据准确性较高。
2.试样取样及加工
金属材料在取样时一定要按照相关的规定进行切取。在切取时要注意切取的位置、方向以及数量。在取样的整个过程中，一定要保证材料的温度处于室温水平，防止材料过热或硬化影响金属材料力学性能的测定。在切取之前，可以先将切取位置、方向标记出来，防止切取时出现差错，造成材料的浪费，或导致性能指标测量不准。对于钢产品在取样时不仅要保证试样的尺寸切取合适，也要保证钢产品的外观合适。
取样结束之后，接下来需要对试样进行加工。对于材料厚度在25mm以上的试样，一般会采用机器加工的方法，将其加工为圆形横截面或单边减薄至25mm之后，再进行实验。对于材料厚度比较小的试样，一般不经机器加工。
试样可以分为比例试样和非比例试样两种，试样标距也可分为比例标距与非比例标距两种，在不同的试样标距下，材料的断后伸长率测出来是不一样的。一般，若试样的试样标距L0与试样的原始横截面积S0满足关系式L0=k(S0)1/2时，则采用比例标距，否则，采用非比例标距。
3.实验过程
3.1试样原始横截面积S0的测量
试样的原始横截面积是通过实测试样的横截面的尺寸而计算得到的，对于横截面为圆形的试样，测量的是横截面的直径，在选取测量位置时，要包括标距两端和中间三个位置，进行多次测量，将三个位置的直径数据分别汇总，处理之后求平均值，并计算横截面积，取三次计算面积的最小值作为原始横截面积;如果横截面为矩形，则测量的是长和宽，在选取测量位置时要包括标距两端和中间三个位置，并把三次计算得到的横截面积的最小值作为原始横截面积;对于环形的试样，要测出试样的平均外直径和平均壁厚来计算环形横截面积。
3.2原始标距标记和平行长度的测量
进行拉伸实验之前，要先修正比例标距的计算值，使其尽量接近5mm的倍数，并且原始标距的准确度要控制在±1%之内，标距装置的准确度检验也不容忽视，检查标距的准确度以保证实验时标记清晰，方便测量。除采用力夹头位移方法进行测量时需要测量平行长度，其他的金属材料拉伸性能实验一般不必测量平行长度。
3.3 实验速率设定
在测定金属材料不同的拉伸性能时，实验的速率设定也是不一样的。实验速率是影响实验数据准确性的重要因素。对于测定材料强度的实验，塑性范围内应变速成率应控制在0.025/s以内;在测定抗拉强度时，应变速率应在0.008/s以内;在测定上屈服强度时，注意保持实验速率的稳定;在测定下屈服强度时，平行长度变速成率在0.00025/s-0.0025/s之间比较合适，并要注意保持实验速率的稳定性。
3.4性能测定
金属材料包含6种延时性能和6种强度性能。其中六种延时性能指的是：断后伸长率、屈服点延伸率、最大力总伸长率、最大力非比例伸长率和断后总伸长率。六种强度性能有：上屈服强度、下屈服强度、非比例延伸长度、残余延伸长度等。在测量金属的延伸性能时一般可以采用人工标距的方法或图解引伸计标距的方法。两种方法有各自的适用范围，在进行实验时要根据金属材料本身特性，实验设备等多方面的原因综合考虑，选用最合适的实验方法。
4.测量工具规范使用
4.1引伸计
引伸计是试验机的一个重要附件，可以自主安装和拆卸，多用于测定弹性模量和非比例延伸强度的测量，在进行实验时要正确装卸、装夹、跟踪，保证实验结果的可靠性。在引伸计装夹时，要将标距杆垫片卡在力臂与标距杆之间，保证卡紧卡牢，使刀刃与试样垂直接触，并用橡皮筋将其固定在一起。标定时，要按照相应增量增加标准位移，并且标定工作要重复进行三次，在每次的标定中都要重新卸下和安装引伸计，千万不可为省事而不规范标定工作。另外，测量系统与标定系统要保证参数的统一性。
4.2夹持具及试样装夹
实验中选用的夹持具一定要与试样形状相匹配，和夹具的表面外型花纹形状相适宜。保证夹持具与试样之间的摩擦力，使试样不至于掉落下来，而使实验中断，影响实验效率。夹具一定要加紧试样，并且夹具要与试样垂直，防止倾斜，产生倾斜角度，造成实验误差。为了保证夹具与试样的垂直可以采用垂直直角的附件来辅助完成，在装夹试样时，通过与直角附件比靠即可知道是否垂直。在实验开始之后，就不可再升降横梁，在实验过程中，如果发现夹持具与试样未垂直，或横梁的高度不合适时，要终止实验进行调整，并在调整好之后重新开始实验，不可继续实验，或并不停止实验而直接调整，并继续实验。这样会导致实验结果不可靠，造成严重的误差等。
5.结束语
金属材料的拉伸实验是测定金属的力学性能的最重要和最基本的途径与方法，严格控制和规范实验过程是提高实验质量的关键。在实验过程中注意观察和分析影响金属材料拉伸实验的可能因素，并加以总结，探索产生的原因，并积极找寻解决对策。在进行实验时注意避免这些不良因素对于实验的干扰，制定科学的实验仪器操作规程，在实验时严格按照规程规范整个实验过程，保证实验数据的准确性和可靠性。 [科]
【参考文献】
[1]刘超，高凯.金属材料拉伸实验分析[J].科技创新与应用，2013，2(31)：43-43.
[2]徐伟伟.金属材料拉伸性能试验方法研究[J].科技创新与应用，2012，15(09Z)：99-99.
[3]李培芬，康赫男，宾远红.拉伸速度对金属材料拉伸性能测试结果的影响[J].计量与测试技术，2013，40(11)：61-61.
金属材料学术论文篇二
论金属材料的速度极限
摘 要：没有任何一种已知物质的运动速度可以达到光速，每一种物质材质应当都有一个确定的速度极限值(实验会给出最终的答案)。为了确定哪一种金属材料更适合于制造“光速飞船”，本文选择下面的实验方法进行测算对比。
关键词：速度极限;瞬时速度;金属材料
【中图分类号】 G633.8 【文献标识码】 A 【文章编号】1671-8437(2012)02-0116-02
爱因斯坦预言，人如果乘坐上“光速飞船”，时间会倒流，人会返老还童。这也正是千百年来人类的梦想。为了实现这个梦想，现在我们通过实验筛选各种金属材料，看哪一种更适合于制造能让我们返老还童的“光速飞船”。
实验从伽利略的“斜面实验”开始。球a从斜面上滚下，理想状态下——势能完全转化成动能，它应当爬升到对面斜面相同的高度。如果斜面展开，小球将做匀速直线运动，并且一直运动下去。现在，我们在球a的直线方向上放置球b(球b的材质、体积、质量与球a完全相同)。某瞬间，球a与球b撞击，理想状态下，球a停止运动，球b依然按球a的速度做匀速直线运动，就是说，球a的动能完全传递给球b。而在现实情况中，玻璃弹子的撞击会出现另一种情况，撞击的瞬间，球a和球b一只或两只玻璃弹子会碎裂，这是因为动能在两者之间传递时，动能的力量已经超出了玻璃弹子材料自身的结合能的原因。
球a与球b在撞击的瞬间，动能在球a和球b之间传递，在速度较低、动能较小的情况下，动能在两者之间有效传递;随着速度的不断增加，动能会变得很大，动能的传递会变成猛烈的撞击——以动能、热能或其它不同能量形式瞬间表现出来，当这种能量的威力足以克服物质材质自身的结合能时，材质本身就会遭到破坏。当然，材质不同，其分子、原子的结构不同，决定了材质自身结合能的不同。这正是我们这次实验考察的目标——哪种材质自身结合能更强，更适合制造“光速飞船”。
在这里我们只选择一种实验形式进行考察：撞击者是各种金属材质的小球，被撞击的靶子是一个理论上固定不动的刚体，那么撞击的结果就是：动能转化成热能、动能和其它能量形式——如果在速度足够快、动能足够大的情况下，动能将在瞬间完全转化成热能，其它能量形式可以忽略不计。当此热能能够达到材料的熔点，我们就认为，这样的速度已经达到了某材料的破坏点——即材料的速度极限。并且在相反的运动过程中——由静止到运动的瞬时速度达到这个速度极限值，对材料的破坏结果是相同的——它不是运动，而是熔化，不再具有器材的应用价值。通过测算对比不同金属材料的速度极限值来确定哪种材料更适合于制造“光速飞船”。
其实，我们对速度极限的认识十分清楚。普通汽车的速度极限设计在240公里/小时;动车的速度能达到500公里/小时;人的百米速度达到11米/秒;猎豹的奔跑速度90公里/小时。随着科技的发展速度的提高是可能的，但是真正的速度极限是不可能达到的。达到光速的物质将呈能量态，所有物质态的性质将被全部湮灭。
于是我们确定我们的实验方法：金属材质的球a在高速运动的过程中撞击刚性的靶子，动能完全转化成热能，当产生的热能等于球a所用金属材料的熔点的情况下，我们认为，已经达到了这种金属材料的破坏点即速度极限——处于熔化状态的金属材料不再具有器材的使用价值。
假设球a是铝制品，在撞击时动能完全转化成热能Q，且热能Q能够让铝制球体达到熔点。就是说，单位质量的铝球在达到熔点状态时，所需要的热能是Q。
即Q=cm△T(式中c是比热容，铝的比热容是880J/(Kg·℃);m是质量;△T是温差，这里我们取铝的熔点660℃)
就是说：一个单位质量的铝球，达到熔点时所需要的热量是Q，Q=880×660m。
我们知道，当球a的运动速度为v时，它的动能是：
E=1/2mv2。如果动能E完全转化成热能Q
那么 E=Q 则 1/2mv2=880×660m
v2=2×880×660 则v=1078m/s
铝球的速度极限值是1078米/秒。
一个以1078米/秒运动的铝制球体撞击刚体，其结果是：铝球在刚体上熔化。
需要特别说明的是相反的运动过程：如果铝制球体处于静止状态，我们用刚体来撞击它，而要求铝球被撞击后的瞬时速度达到1078米/秒。其结果一样：铝球在刚体上熔化。就是说，铝制“飞船”或是子弹弹头，要使其由静止到运动的瞬时速度达到1078米/秒的话，铝体将熔化;如果弹头的话会爆管。金属铝不再具有材料的使用价值。可能有些航天悲剧的产生，就是由于对其金属材料的速度极限值估计不足。
下面是根据以上理论计算的常见金属的速度极限值列表：
就表中所见，在以上所列的十二种常见金属中，镍金属的速度极限值最高为1252.7米/秒;其次是钢1181.7米/秒;速度极限值最低的是铅仅为291.6米/秒(我们完全可以用子弹发射来测定各种金属的的速度极限值)。我的手头上没有那些合成钢材料的比热容和熔点的数据，所以没办法知道它们的速度极限值的数据。但就表中所见速度极限值最高的镍金属而言，才是光速的约二十四万分之一。
现在，我们假想球a和球b是“光速飞船”上相邻的两个质点，其中球a是首先受到推动力的点。如果要使飞船由静止到运动的瞬时速度达到N/秒，必然有一个动能的作用在a和b之间传递，就像球a与球b在直线上撞击一样，随着速度的增加，撞击的效果会变得十分惊人——就是说，随着速度的增加，对飞船材质的要求会变得十分苛刻，能胜任的材质越来越少。直到最后，没有任何已知的材质可以胜任光速飞船的要求。作为飞船的驾驶者而言，如果由静止到运动的瞬时速度达到100米/秒的话，就是一个坐在椅子上的人也会受到致命的伤害。相当于360公里/小时的汽车所做的的碰撞试验，其结果不难想象。如果由静止到运动的瞬时速度达到1000米/秒的话，很多看起来坚硬的金属材料也会被破坏，那才是光速的三十万分之一。所以，人坐上“光速飞船”返老还童的梦想永远不会实现。
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