新一代TMCP技術(shù)研究和進(jìn)展

1、 材料加工實驗與測試技術(shù) 姓名：王楠 學(xué)號：1133010156 班級：材控11材料力學(xué)性能測試與評價技術(shù)摘要:本文通過對材料力學(xué)性能測試與評價技術(shù)發(fā)展的回顧，以及對其現(xiàn)代最新技術(shù)的介紹，詳細(xì)論述和評價了材料力學(xué)性能測試與評價技術(shù)在材料學(xué)科的發(fā)展和新材料的研制過程中的作用。同時提出材料力學(xué)性能試驗是獲得材料性能數(shù)據(jù)唯一可靠的途徑，是計算機(jī)進(jìn)行材料模擬和建立大型材料數(shù)據(jù)庫時最基礎(chǔ)的工作，任何方法都不可能代替材料驗。材料試驗與評價技術(shù)在過去、現(xiàn)在，乃至在將來在材料學(xué)科中占有非常重要的地位，是材料學(xué)科中的一個重要分支。1引言現(xiàn)代材料科學(xué)在很大程度上依賴于對材料性能與其成分及顯微組織關(guān)系的理解。因此，

2、對材料性能的各種測試技術(shù)，對材料組織從宏觀到微觀不同層次的表征技術(shù)構(gòu)成了材料科學(xué)與工程的一個重要部分，亦是聯(lián)系材料設(shè)計與制造工藝直到獲得具有滿意使用性能的材料之間的橋梁。從新材料的研究、開發(fā)和發(fā)展中，可以清楚的看到檢測評價新技術(shù)所起到的作用。評價檢測在材料研究開發(fā)中起著非常重要的作用。工程實際中研究與開發(fā)新材料的目的是為了應(yīng)用，因此對材料的設(shè)計所關(guān)注的是材料的性能參數(shù)。對功能材料而言最終得到滿足要求的物理參數(shù)，例如彈性、熱膨脹、熱容、熱傳導(dǎo)、熱輻射、電阻、熱電勢、磁性等;而對結(jié)構(gòu)材料來講應(yīng)得到較為滿意的力學(xué)性能參數(shù)，如強(qiáng)度、硬度、延伸率、疲勞極限及特性等。因此，材料的評價與檢測技術(shù)是材料科學(xué)與

3、技術(shù)學(xué)科中一個重要組成部分，它伴隨著材料的發(fā)展而相應(yīng)革新、不斷完善，同時為新型材料和新材料的研究開發(fā)提供了科學(xué)的、可靠的保障。由于新材料的種類繁多，相應(yīng)的測試和評價技術(shù)涉及面很廣。材料檢測評價技術(shù)從大的方面可分為:性能測定、顯微組織表征和無損檢測等，而每一方面又包含各種不同的測試技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。在多種材料和多種性能測試中，以力學(xué)性能為代表，力學(xué)性能是結(jié)構(gòu)材料研究、生產(chǎn)、使用的最基本參數(shù)，其研究十分活躍。本文對材料的力學(xué)性能測試技術(shù)進(jìn)展做簡單論述。2材料性能評價技術(shù)的作用對材料力學(xué)性能的研究起始于歐洲工業(yè)革命，兩次世界大戰(zhàn)促進(jìn)了材料測試與評價技術(shù)的發(fā)展，同時也對材料的性能提出了更高的要求。例

4、如，需要重量更輕而強(qiáng)度又更高的材料來制造飛機(jī)、火箭及各種武器等。戰(zhàn)后世界上的軍備競賽就一直沒有停止，以后又發(fā)展到太空的競爭，航天科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為材料性能研究開辟了更加嶄新的領(lǐng)域，如圖2所示為航天發(fā)射現(xiàn)場。 材料科學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了對新材料的研究，進(jìn)而又促進(jìn)材料試驗與評價技術(shù)的革新?？梢哉f材料測試與評價技術(shù)源于材料科學(xué)的革新，反過了又促進(jìn)了材料科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。就實際工程而言，新產(chǎn)品，如高溫燃?xì)廨啓C(jī)、熱核反應(yīng)發(fā)電站、輕質(zhì)航天飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星、輕質(zhì)地面車輛、探井鉆探及高壓貯罐等;新材料，如超級合金、復(fù)合材料、聚合材料、陶瓷材料薄膜材料、納米材料等的研制，使得材料工作條件更加復(fù)雜、更加惡劣，因

5、此對材料性能提出更高的要求，如超高壓、超低溫、超真空、超高純、超高速冷、超高強(qiáng)、超輻射、耐腐蝕等，對材料試驗技術(shù)提出更高的要求，即快速省力、準(zhǔn)確可靠、安全經(jīng)濟(jì)。以航空材料為例，航空材料要求較高的比強(qiáng)度和比剛度、較好的耐疲勞和耐腐蝕性能，以及可反復(fù)使用，并且長壽命、安全可靠。因此對航空材料性能測試研究也就復(fù)雜得多、嚴(yán)格得多。其中疲勞斷裂是航空零部件最常見的失效形式，亦是限制飛機(jī)及其發(fā)動機(jī)壽命和可靠性的重要因素，航空零部件的破壞有90%以上是來源于疲勞，如飛機(jī)的梁、框、起落架、發(fā)動機(jī)的渦輪和葉片等均因工作中高應(yīng)力和高溫、復(fù)雜的環(huán)境介質(zhì)、頻繁的起動和停機(jī)以及零件的表面完整性和應(yīng)力集中等因素而引起疲勞

6、失效。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料方面，正在研究材料在接近使用條件下疲勞斷裂行為，包括過載效應(yīng)、隨機(jī)加載、多軸向加載以及溫度、介質(zhì)、表面狀態(tài)的綜合影響等。在發(fā)動機(jī)材料方面，著重研究材料的低周疲勞、熱疲勞、蠕變/疲勞交互作用和腐蝕疲勞等。在試驗技術(shù)方面，要采取宏觀與微相結(jié)合的形式探索材料中疲勞裂紋的萌生、擴(kuò)展和斷裂的全過程。不僅要解決工程中的疲勞失效問題，而且要做材料的定壽和零部件的延壽工作，以便在新機(jī)型設(shè)計、老機(jī)延壽與失效分析中發(fā)揮更大的作用。由此可知，材料的力學(xué)性能對工程結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。而材料測試與評價技術(shù)是材料性能得以保證的前提。因此，材料測試技術(shù)與材料的質(zhì)量密切相關(guān)J。另一方面，在材料測試在計算機(jī)進(jìn)行材

7、料模擬、有限元分析和建立大型材料數(shù)據(jù)庫等方面都起著及其重要的作用。因此，沒有材料評價技術(shù)的發(fā)展，也就沒用諸多新材料的出現(xiàn)。材料測試技術(shù)在材料學(xué)科中，以及在國民經(jīng)濟(jì)中均起著相當(dāng)重要的作用。3力學(xué)性能測試技術(shù)發(fā)展簡介材料的力學(xué)性能是指材料在給定的一套條件下，當(dāng)某以條件發(fā)生變化時材料所產(chǎn)生的響應(yīng)。有的性能可能與幾個參數(shù)關(guān)聯(lián)。對材料力學(xué)性能的測定需要建立在一個廣義力與廣義位移的關(guān)系上，當(dāng)關(guān)系為線性時，材料力學(xué)性能由線性常數(shù)來表征。在其關(guān)系偏離線性時，材料的力學(xué)性能需要由高階的常數(shù)來表征。然而，人們對材料的力學(xué)行為的認(rèn)知是一個由簡單到復(fù)雜、由表面現(xiàn)象到微觀機(jī)理、由淺入深的過程。對材料的力學(xué)行為評價技術(shù)亦

8、是隨著材料研究的不斷深入和其他相關(guān)技術(shù)，如微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)的不斷發(fā)展而逐漸完善的。3.1靜態(tài)力學(xué)性能測試在17世紀(jì)，工程技術(shù)人員對材料的力學(xué)性能的認(rèn)知僅限于其靜強(qiáng)度的概念上，即對材料的評價指標(biāo)只有一個抗拉強(qiáng)度參數(shù)。直到目前，研究人員和工程技術(shù)人員對材料的靜態(tài)力學(xué)性能仍然非常關(guān)心，這是由于材料的靜態(tài)力學(xué)性能是評價材料時最基本的參數(shù)。因此，在材料研制的初級階段，首先應(yīng)使得材料的靜強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求。就是在材料科學(xué)如此發(fā)達(dá)的今天，對新材料的靜強(qiáng)度評價仍然是研究工作的基礎(chǔ)工作。例如，在對超細(xì)晶粒低合金高強(qiáng)度鋼的研究時，首先需要進(jìn)行材料的靜強(qiáng)度性能測試與評價，以便找出實現(xiàn)材料設(shè)計的最佳工藝

9、2，3，。為了對材料的靜強(qiáng)度進(jìn)行正確評價，需要設(shè)計并制造出其相應(yīng)的材料試驗裝置，由荷蘭物理學(xué)家PetrusvanMussehenbroek(1692一1791)發(fā)明的世界上最早的拉伸試驗機(jī)，它實際上是一桿大稱，其測試精度可想而知。盡管其結(jié)構(gòu)簡單，但在當(dāng)時應(yīng)該是一項偉大的發(fā)明。它的出現(xiàn)標(biāo)志著材料評價體系的誕生，為現(xiàn)代材料力學(xué)性能測試與評價技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。液壓材料試驗機(jī)可以實現(xiàn)連續(xù)加載，并可記錄載荷一位移曲線。在配置應(yīng)變引伸儀的試驗機(jī)上，可以測得材料的彈性模量和屈服極限。該類型的試驗機(jī)的不足之處是既不能控制加載速率，也不能控制形變速率，因此實驗結(jié)果的重復(fù)性沒有保證。研究結(jié)果表明，對于大多數(shù)金屬材料

10、，其靜態(tài)力學(xué)性能隨著加載速率的變化而變化。因此，研究人員在進(jìn)行材料的研究和設(shè)計時需要獲得材料在不同加載速率下的靜態(tài)力學(xué)性能。另外，在工業(yè)生產(chǎn)中，工程技術(shù)人員需要及時獲得準(zhǔn)確的材料參數(shù)，來判斷材料是否合格。液壓試驗機(jī)無論在控制方面，還是在記錄方面既不能滿足材料研究也不能滿足工業(yè)生產(chǎn)檢驗的需要。隨著國外先進(jìn)的電子拉力試驗機(jī)和電液伺服材料試驗機(jī)的不斷涌現(xiàn)，液壓試驗機(jī)自20世紀(jì)60年代在發(fā)達(dá)國家逐漸被淘汰。但由于受經(jīng)費的限制，我國特別是高等院校直到20世紀(jì)末才被電子拉力試驗機(jī)替代，這一切得益于“211”工程。電子技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展為試驗機(jī)的革新提供便利條件。圖7所示為國產(chǎn)新三思公司生產(chǎn)的計算機(jī)

11、自動控制液壓試驗機(jī)，圖8所示為計算機(jī)控制的電子拉力靜杏試驗機(jī)。它們可以精確地控制軸向加載速率5:，而且可實現(xiàn)三種方式的加載控制，即載荷、形變、應(yīng)變控制。整個試驗過程均由計算機(jī)自動控制，實時顯示試驗過程，并將實驗原始數(shù)據(jù)存入磁盤。試驗結(jié)束后可迅速將實驗結(jié)果顯示出來，并打印出試驗報告。為了實現(xiàn)靜態(tài)試驗的完全自動化，目前工程技術(shù)人員設(shè)計出全自動靜態(tài)試驗系統(tǒng)。k公司生產(chǎn)的全自動電子拉伸材料試驗機(jī)。該系統(tǒng)配備料機(jī)械手，使得試驗從試樣裝夾直到打印試驗報告的整個過程完全自動實現(xiàn)，大大地提高了工作效率，加快了對產(chǎn)品檢驗的速度。該系統(tǒng)是至今最為先進(jìn)的靜態(tài)試驗設(shè)備。3.2動態(tài)力學(xué)性能測試技術(shù)眾所周知，絕大多數(shù)工程

12、材料在其服役中承受的是動載荷。當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受到重復(fù)變化的載荷作用后，應(yīng)力值雖然始終沒有超過材料的強(qiáng)度極限或屈服強(qiáng)度，甚至比材料的彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞，這種在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下材料或結(jié)構(gòu)發(fā)生性能變化的現(xiàn)象稱之為“疲勞”6。疲勞斷裂是工程結(jié)構(gòu)和零件普遍而嚴(yán)重的斷裂故障。它遍及每一個運動著的物體，甚至看上去似乎是靜止的，只要它承受力或應(yīng)變的反復(fù)作用，就會導(dǎo)致疲勞破壞。行駛在崎嶇道路上的汽車;反復(fù)起飛、著路并在飛行過程中遭受陣風(fēng)襲擊和各種機(jī)動特技飛行時引起載荷變化的飛機(jī);每當(dāng)車輛通過時使之產(chǎn)生撓曲的橋梁;遭受破浪襲擊的各種船舶，以及溫度循環(huán)變化的核反應(yīng)堆部件，都承受著各種循環(huán)載荷或變

13、形，最終將發(fā)生疲勞斷裂。3.2.1應(yīng)力疲勞(高周疲勞)試驗技術(shù)疲勞一詞來源于航海，在乘帆船作長距離旅行的年代里，人們把桅桿在帆的頻繁升降中受到的應(yīng)變作用叫疲勞。人們相信，關(guān)于金屬疲勞的最初研究是一位叫W.A.J.Albert的德國礦業(yè)工程師在1829年前后完成的。他對鐵制的礦山升降機(jī)鏈條進(jìn)行了反復(fù)加載試驗，以校驗其可靠性。第一個有詳細(xì)文字記載的金屬疲勞研究工作是在1842年法國凡爾賽附近的鐵路發(fā)生事故以后開始進(jìn)行的。這次事故使40至80人喪生。1943年一位名叫w.J.M.Rankine的英國鐵路工程師就對疲勞斷裂的不同特征有了認(rèn)識，并注意到機(jī)器零件存在應(yīng)力集中的危險性。統(tǒng)地研究疲勞破壞的是德

14、國工程師wohler，1847年他設(shè)計了第一臺旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機(jī)，引用了S一N曲線及疲勞極限概念。它的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由鋼制的火車車軸在循環(huán)載荷的作用下，其強(qiáng)度大大低于他們的靜強(qiáng)度。在他的研究工作中提出了利用應(yīng)力幅一壽命(S一N)曲線了描述疲勞行為的方法，并提出了疲勞“耐久極限”的概念。疲勞耐久極限是來評價材料疲勞強(qiáng)度的重要參數(shù)，它是在指定循環(huán)特征下，材料或構(gòu)件承受無限次循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力。對于碳鋼材料，在對稱循環(huán)載荷下其疲勞耐久極限。一，與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系如下圖:由此可見，材料在對稱循環(huán)載荷作用下其破壞強(qiáng)度不足其將強(qiáng)度的1/3。另一方面，材料的疲勞極限還受其他諸多因素的影響，其中平均

15、應(yīng)力的影響較為明顯。早在1874年，德國工程師H.Gerber就提出了平均應(yīng)力影響疲勞壽命的設(shè)計準(zhǔn)則。1899年Goodman也討論了平均應(yīng)力對疲勞壽命的影響，提出了著名的Goodman曲線。疲勞耐久極限是通過高周疲勞試驗來測定的，因此對材料應(yīng)力疲勞的研究自然帶動了應(yīng)力控制疲勞試驗機(jī)的發(fā)展和不斷革新。100多年來，對火車、鐵道橋梁、冶金、石油、化工、航空、天等領(lǐng)域所用材料進(jìn)行力學(xué)研究，使“高周疲勞”試驗技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機(jī)及其工作原理。此類裝置是通過控制試樣端部的撓度而實現(xiàn)對試樣工作部分的載荷(應(yīng)力)控制，但是隨著循環(huán)次數(shù)的增加，材料會產(chǎn)生截面尺寸會發(fā)生變化，因此，無法實現(xiàn)對

16、載荷或應(yīng)力的精確控制，所控制的應(yīng)力也是不穩(wěn)定的。圖12為電磁共振高頻疲勞試驗機(jī)，其加載頻率范圍約為50一250Hz以0。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用操作方便、效率高、耗能低配備計算機(jī)控制的系統(tǒng)可以實現(xiàn)載荷塊加載試驗，但不能進(jìn)行隨機(jī)載荷譜和譜載疲勞加載試驗。3.2.2低周疲勞試驗技術(shù)隨著工業(yè)技術(shù)的不斷革新，材料的使用逐漸向著高速、高溫、高壓等方向發(fā)展，材料的使用條件更加苛刻。尤其是在戰(zhàn)時為了提高裝備的性能，提高武器裝備的質(zhì)量，以有效地增加作戰(zhàn)能力，在設(shè)計上由靜強(qiáng)度設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢迚勖O(shè)計。這是因為在實際工作中零部件的應(yīng)力集中部位材料進(jìn)入了塑性狀態(tài)，材料承受著低循環(huán)高應(yīng)力，其工作最大應(yīng)力以超過材料的屈服應(yīng)力

17、。然而，在早期由于相應(yīng)的疲勞壽命評價與測試技術(shù)滯后，使得工程設(shè)計缺少必要的實驗數(shù)據(jù)，結(jié)果導(dǎo)致工業(yè)材料的低循環(huán)疲勞破壞較為頻繁。例如，第二次世界大戰(zhàn)前后約有20架英國“惠靈頓”號重型轟炸機(jī)連續(xù)失事，1948年美國“馬丁2002”運輸機(jī)在正常航行中突然墜毀，1951年英國的“鴿式”飛機(jī)在澳大利亞出事，1952年美國“F一85”殲擊機(jī)在空中爆炸，19531954年英國“維金”和“彗星”號噴氣客機(jī)又接連發(fā)生機(jī)毀人亡的事故，1979年美國“DC-10”大型客機(jī)在芝加哥奧黑爾國際機(jī)場起飛后不久墜落。上述一系列的航空事故，經(jīng)過對其失效分析發(fā)現(xiàn)均是由于疲勞破壞造成的。疲勞的破壞不僅威脅著航空工業(yè)，也給造船、橋

18、梁、交通運輸、動力機(jī)械、化工機(jī)械、工程機(jī)械等造成威脅?，F(xiàn)代工業(yè)中的許多關(guān)鍵性動力設(shè)備，如蒸汽機(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子和殼體，核壓力容器，燃汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子、葉片和渦輪盤，核燃燒元件等都嚴(yán)重地遭到疲勞的襲擊。因此，人們對材料及其構(gòu)件的疲勞行為研究得到重視。人們在研究應(yīng)力疲勞的過程中，對材料的疲勞耐久極限及其破壞機(jī)理研究不斷深入。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，材料的疲勞是由內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶而形成的?；茙г谄谛巫冞^程中逐漸變寬，即內(nèi)部出現(xiàn)微觀塑性形變。形變的積累導(dǎo)致微裂紋的形成，微裂紋的長大最終形成宏觀裂紋，導(dǎo)致材料疲勞破壞。因此，材料和構(gòu)件的塑性變形是導(dǎo)致材料和構(gòu)件疲勞破壞的最根本的原因，且塑性形變的大小與疲勞破壞的關(guān)系非常密切

19、。而且對于宏觀出現(xiàn)塑性變形的材料，其載荷與形變的關(guān)系不再是線性關(guān)系。首次將材料的塑性變形與其疲勞壽命建立定量關(guān)系的是Manson和Coffin在1954年提出的。盡管人們經(jīng)過100多年的研究，描述疲勞的方程有幾十個，但是上述公式到目前為止它仍是應(yīng)用最為廣泛的根據(jù)應(yīng)變來描述疲勞的方程式。對于工程零部件，無論是鑄造成型，還是機(jī)加工等其它工藝，可能存在退刀槽、過渡圓弧、孔等其它應(yīng)力集中區(qū)。盡管在設(shè)計時構(gòu)件的工作部分在材料的彈性范圍內(nèi)，但在應(yīng)力集中處材料可能進(jìn)入塑性。特別是航空零部件，為了減少構(gòu)件的重量，某些零件采用有限壽命設(shè)計，及構(gòu)件的形變進(jìn)入塑性。對上述航空事故和其他工業(yè)零部件的疲勞失效分析研究結(jié)

20、果也表明，零部件的疲勞破壞大多是低循環(huán)疲勞失效形式，即低周疲勞破壞。材料在低循環(huán)應(yīng)變疲勞狀態(tài)下，其特性發(fā)生了改變?nèi)?，如圖巧所示。由此可以看出，研究材料的形變，特別是塑性變形是研究材料疲勞以及對材料進(jìn)行疲勞特性評價比研究材料的應(yīng)力疲勞特性則更加重要，更具有工程實際意義。液伺服疲勞試驗系統(tǒng)具有較低循環(huán)加載速率，可實現(xiàn)載荷、形變和位移控制，且可在試驗過程中實現(xiàn)控制方式的動態(tài)轉(zhuǎn)換。且加載頻率范圍大，其最小加載頻率為0.00036Hz，如果實驗系統(tǒng)的動態(tài)特性好，即配置較大的液壓動力源和相匹配的伺服閥，其加載頻率可達(dá)7OHz，甚至高達(dá)1000Hz(高頻疲勞試驗機(jī))。工程構(gòu)件在服役期間其受力多是多軸向復(fù)合應(yīng)

21、力，因此研究和開發(fā)多軸復(fù)合加載試驗系統(tǒng)對于工程材料的評價與檢測更為實用。圖17為雙向拉壓疲勞試驗系統(tǒng)，對于研究壓力容器材料實際工程意義。 (臥式)水平放置的軸類構(gòu)件拉一扭復(fù)合加載專用疲勞試驗機(jī)。北京科技大學(xué)從美國MTS公司購置的最先進(jìn)的電液伺服拉一扭復(fù)合加載疲勞試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)在配置真空環(huán)境裝置、感應(yīng)加熱器的條件下可以進(jìn)行多軸熱機(jī)械疲勞試驗，以模擬熱端零部件特別是飛機(jī)發(fā)動機(jī)渦輪盤和葉片材料的工作環(huán)境和受力狀態(tài)，為工程設(shè)計和飛機(jī)的使用壽命估算提供更為可靠的實驗數(shù)據(jù)。3.3斷裂力學(xué)測試技術(shù)任何工程構(gòu)件都不可避免地存在著類似于裂紋的缺陷他們或是結(jié)構(gòu)材料中固有的，或是制造加工過程中造成的，也可能是使用

22、過程中造成的損傷。這些缺陷的存在和擴(kuò)展，大大降低了結(jié)構(gòu)的承載能力，甚至使之失效。例如，在第二次大戰(zhàn)期間，美國制造的約5000艘貨輪和油輪，至少13艘油輪和3艘“自由號”貨輪由于船體結(jié)構(gòu)上的裂紋擴(kuò)展而斷為兩半;還有1/3以上的貨輪在服役3年內(nèi)都在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂紋，其中200艘以上損傷嚴(yán)重。對以上斷裂的船體進(jìn)行的強(qiáng)度分析表明，它們破壞時所承受的應(yīng)力遠(yuǎn)小于船體材料的屈服應(yīng)力。進(jìn)一步研究結(jié)果表明，由于船體采用焊接結(jié)構(gòu)，在焊接附近存在著缺陷和殘余應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)中的缺陷(裂紋)擴(kuò)展而最終導(dǎo)致低應(yīng)力脆斷。另外，在航空工業(yè)中飛機(jī)的機(jī)翼大梁在飛行中突然斷裂;火箭發(fā)動機(jī)外殼在水壓試驗時爆炸飛裂;大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)

23、葉輪在高速轉(zhuǎn)動時突然脆斷等等，這些災(zāi)難性的工程斷裂事故近幾十年來在世界各地相繼發(fā)生，而且遍及在工業(yè)、交通、軍事等要害部門。因此，斷裂事故引起了人們的廣泛重視。近幾十年來，許多科學(xué)家和工程技術(shù)人員在這方面進(jìn)行了大量的研究和試驗工作，無論在理論上，還是在實踐上都獲得了巨大的成果，開創(chuàng)了斷裂力學(xué)學(xué)科。與此同時，斷裂力學(xué)測試技術(shù)也在不斷革新和發(fā)展。對于材料的疲勞特性測試技術(shù)來說，斷裂性能測試與評價是一門較新的試驗技術(shù)，由于受數(shù)值計算計算數(shù)學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科的制約，到目前為止成熟的斷裂性能測試技術(shù)僅限于對I型裂紋體性能測試，所測得材料常數(shù)為Kl。、Jlc、COD和Kld等，以及材料的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。對于I型

24、裂紋體，其斷裂性能的測試對測試設(shè)備精度要求與疲勞測試無明顯差別，但對試樣和夾具的加工要求極為嚴(yán)格，試樣的各方向的尺寸有一定的比例，并要求夾具與其匹配，其目是利用現(xiàn)有的形狀系數(shù)計算出被測材料的斷裂韌性。值得注意的是，在線彈性斷裂力學(xué)性能測試時，為了裂紋尖端滿足平面應(yīng)變的要求，無論是CT試樣，還是三點彎曲試樣均要求試樣的厚度不能太小。例如，低碳鋼材料由于其強(qiáng)度較低、斷裂韌性KIC較高，使用CT試樣測得其斷裂韌性值時，需要試樣的厚度達(dá)75Inln，試樣的重量約Zlkg。如果對同樣的材料采用三點彎曲試驗測試其斷裂韌性，試樣則更大。這樣就會給試樣的制取、加工和測試帶來很大的困難，有時試驗無法進(jìn)行。對于上

25、述低強(qiáng)度、高斷裂韌性的材料，往往是彈塑性斷裂測試技術(shù)，以J積分和COD作為材料的彈塑性判據(jù)，把臨界值Jl。和6C作為彈塑性判據(jù)，然后換算為KIC4。c0D阻力曲線的測試按GB規(guī)定是采用多試樣法，亦可采用單試樣法進(jìn)行圈。4現(xiàn)代材料測試技術(shù)4.1現(xiàn)代材料測試設(shè)備的特點隨著對材料性能測試要求的不斷更新，各種功能的材料試驗設(shè)備不斷出現(xiàn)。但不論測試設(shè)備動態(tài)測試系統(tǒng)，還是靜態(tài)測試系統(tǒng)，無論是電子拉力還是電液伺服材料試驗機(jī)，一般包括三個獨立的子系統(tǒng)，即:機(jī)械動力系統(tǒng)(MeehaNIealandDynamicSystem):包括機(jī)架frame、試件夾持和固定裝置gripsandfixtures、動力部分(如液

26、壓源hydrauliCpowerSupply、伺服閥Servovalve、液壓作動器hydraulieaCtuat。r);傳感器系統(tǒng)(TransduCerSystem):載荷傳感器(loadtransdueerCell)、引伸儀(extens。meter)和線性位移傳感器LVDT(linearvoltagedifferentialtransdueer)、溫度和壓力傳感器;控制、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)(Control一DataAequisition一nalysisSystem)。4.2現(xiàn)代材料測試最新技術(shù)從目前種新型試驗系統(tǒng)來看，材料試驗最新發(fā)展的主要技術(shù)有以有四個方面:4.2.1液壓伺服(Serv

27、ohydraulie)技術(shù)從前述實驗技術(shù)的發(fā)展來看，液壓伺服技術(shù)是最具有特色的、適應(yīng)性最廣的技術(shù)。1960年美國MTS系統(tǒng)公司首先在材料試驗系統(tǒng)引入液壓伺服技術(shù)，其閉環(huán)控制原理如圖26所示。電液伺服技術(shù)是當(dāng)今高精度材料試驗系統(tǒng)的主流技術(shù)，特別適用于復(fù)雜載荷(包括疲勞載荷)的材料性能測試與評價。與液壓試驗機(jī)和靜態(tài)電子拉力測試系統(tǒng)相比，電液伺服技術(shù)有下特點:伺服技術(shù)(又稱隨機(jī)系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng))能自動校正指令信號同反饋信號之間的誤差。結(jié)果使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)能以一定的精度自動地按照指令信號的變化規(guī)律動作。先進(jìn)的電子技術(shù)和液壓技術(shù)結(jié)合，通過伺服閥將電信號變成液壓信號，且可變范圍大，試驗頻率范圍為0.0003Hz

28、一1000Hz?？梢詮闹苯优c試件相藕合的傳感器處測量和控制載荷、位移和應(yīng)變，其靈敏度及精確度與傳動機(jī)構(gòu)施加壓力的作用無關(guān)。4.2.2環(huán)境模擬(EnyironmentalSimulation)技術(shù)在上一章己經(jīng)提及試驗技術(shù)的重要發(fā)展方向是環(huán)境模擬。眾所周知，許多工程零部件和構(gòu)件的失效是由于環(huán)境和力學(xué)條件綜合作用引起材料疲勞或斷裂。事實上，環(huán)境的變化對材料性能的影響往往是很大的。現(xiàn)在環(huán)境模擬技術(shù)由于實際的需要已發(fā)展成為現(xiàn)代測試技術(shù)的重要方面。設(shè)計一個具有能模擬循環(huán)加載和工作環(huán)境的試驗系統(tǒng)是比較復(fù)雜的。但為了工程需要各種環(huán)境模擬的試驗裝置不斷出現(xiàn)，目前的環(huán)境模擬試驗系統(tǒng)有高溫、低溫、濕度、鹽霧等。2.

29、2.1高、低溫試驗技術(shù)高溫加熱裝置目前有:電阻加熱爐:裝置的特點是具有均勻溫度場，并且控溫較為穩(wěn)定，適合于高溫疲勞、高溫拉伸、高溫疲勞/蠕變加互作用試驗等，如圖27所示;感應(yīng)加熱器:其特點是可實現(xiàn)溫度場的快速變換，適合用于熱疲勞和熱機(jī)械疲勞試驗，如圖28所示;環(huán)境箱:具有較大的空間，使用于試樣較大的高溫斷裂力學(xué)試驗和構(gòu)件試驗，亦可進(jìn)行低溫和環(huán)境試驗等，如圖29所示美國MTs公司的高溫斷裂試驗環(huán)境箱。為了節(jié)省研究經(jīng)費，在國內(nèi)經(jīng)常有研究人員自行設(shè)計專用環(huán)境箱惻;遠(yuǎn)紅外加熱器:適用于非金屬材料高溫力學(xué)性能試驗;直接通電加熱法:適用于金屬材料的熱疲勞試驗，最新研究結(jié)果表明亦可適用于復(fù)合材料高溫力學(xué)性能

30、試驗19低溫試驗裝置有:中低溫環(huán)境箱:試驗溫度范圍是一70oC一200oC:低溫罐:試驗溫度最低可達(dá)一1%;低溫槽:適用于室溫至一60的低溫實驗。真空試驗技術(shù)真空環(huán)境箱一般是與高溫環(huán)境相配合使用，其目的是為了防止試樣在試驗過程中被氧化。高溫真空環(huán)境技術(shù)是目前環(huán)境技術(shù)中技術(shù)含量最高的測試技術(shù)，其造價非常高。典型的高溫真空試驗系統(tǒng)使用抽泵、低溫吸入泵、離子泵和欽凈化器來達(dá)到所要求的真空度，同時配置感應(yīng)加熱系統(tǒng)、高溫夾頭、高溫引伸儀和高精度的載荷傳感器等，整套設(shè)備制造難度大，因此其價格額較為昂貴。圖30為配置感應(yīng)加熱系統(tǒng)的高溫真空環(huán)境箱，其市場價格大約為35萬美元。夾具夾

31、具是連接試樣與試驗機(jī)加載裝置的重要附件。為了保證試驗的重復(fù)性及其精度，要求夾具要穩(wěn)固可靠、對中性好、操作方便。鑒于大多數(shù)試驗機(jī)所配置夾具不可能適用于所有的實驗或試樣，因此設(shè)計與制作專用夾具使每個實驗室經(jīng)常進(jìn)行的工作26，2，·28。4.3現(xiàn)代材料測試技術(shù)發(fā)展的特點及趨勢工業(yè)技術(shù)的革命和材料科學(xué)的飛速發(fā)展大大促進(jìn)了測試技術(shù)的革新，而且其發(fā)展速度同其他相關(guān)科學(xué)技術(shù)一樣呈現(xiàn)出非線性加速趨勢。如前所述簡單機(jī)械式試驗裝置到液壓試驗機(jī)發(fā)展用了200多年，而由液壓機(jī)發(fā)展到電液伺服試驗系統(tǒng)進(jìn)用了不足50多年。在測試結(jié)果的顯示技術(shù)方面，表盤顯示在我國一直沿用到20世紀(jì)80年代，而由數(shù)碼管數(shù)顯轉(zhuǎn)入到液晶

32、數(shù)顯僅用了不足十年。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展材料測試技術(shù)日新月異，從總的方面來看，目前材料測試技術(shù)發(fā)展的特點和趨勢有以下四大特點:模塊化:控制系統(tǒng)采用通用接口、積木式電子插件、可更換式附件;特種化:大型、多缸、臥式、立式等試驗機(jī)，例如鐵道科學(xué)院的最大載荷達(dá)Z0000kN材料試驗系統(tǒng)，其位移行程)2m;小型化:生物力學(xué)(皮膚的張力)，顯微力學(xué)，微力測試系統(tǒng)(棉花纖維張力Pmin<0.01N);智能化:整機(jī)自動化、自動切換、自動控制、自動記錄、自動處理數(shù)據(jù)、自動裝夾樣品等4.4國內(nèi)外現(xiàn)狀材料性能測試技術(shù)無論是在國內(nèi)，還是在國際上均受到材料研究部門、材料科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員的高度重視。究其根本原

33、因是材料的應(yīng)用遍及各行各業(yè)，材料的力學(xué)性能是工程構(gòu)件和設(shè)施穩(wěn)定運行和安全的保證。可以說材料測試技術(shù)以形成了材料學(xué)科的一個重要分支。(1)材料試驗機(jī)研制目前材料測試的高端技術(shù)是電液伺服材料試驗系統(tǒng)的研制，例如低周疲勞試驗系統(tǒng)和多軸熱機(jī)械疲勞試驗系統(tǒng)。目前主要是以國外的電液伺服技術(shù)為主導(dǎo)，著名的制造廠商有美國的MTS系統(tǒng)公司、美國的Instron公司、德國的ZwiCk公司、英國的Dateck公司和日本的島津公司。盡管國外制造的電液伺服測試系統(tǒng)價格較高，一臺普通的電液伺服材料試驗機(jī)最基本配置少則10多萬美元，如果配置高度技術(shù)附件整套設(shè)備價格高達(dá)100萬美元。國內(nèi)在電液伺服控制技術(shù)方面也進(jìn)行了研究25

34、，30，但是由于起步較晚，生產(chǎn)的試驗系統(tǒng)其性能和外觀等質(zhì)量無法與上述國外的先進(jìn)設(shè)備相比，特別是控制單元、伺服器件、各種附件和高真空環(huán)境箱制造技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。因此，目前國內(nèi)大專院校、科研院所和大型企業(yè)使用的主要是美國MTS和工nstron的電液伺服設(shè)備。高頻疲勞試驗機(jī)方面，德國Zwick的AmslerHFP系列在國際上屬主流產(chǎn)品，我國長春材料試驗機(jī)研究所生產(chǎn)plg系列機(jī)型在國內(nèi)屬主流產(chǎn)品，其主要原因是經(jīng)費問題。盡管德國的HFP系列的各種性能指標(biāo)大大優(yōu)于國產(chǎn)的高頻試驗機(jī)，但由于研究經(jīng)費的短缺使得國內(nèi)科研院所等機(jī)構(gòu)不得不購置國產(chǎn)高頻試驗機(jī)。在靜態(tài)測試系統(tǒng)方面，國內(nèi)技術(shù)人員對控制方面作了較為深入的

35、研究工作22，3，4，3。另一方面，由于其技術(shù)含量低于伺服控制技術(shù)。因此，目前國內(nèi)研制的靜態(tài)電子拉伸試驗機(jī)與國外著名廠商的設(shè)備相比其性能相差不大，完全可以滿足國內(nèi)科研工作和生產(chǎn)的需要。另一方面國外設(shè)備價格較高，其性能價格比低于國內(nèi)產(chǎn)品。所以，在靜態(tài)試驗方面國內(nèi)使用的大多是國產(chǎn)設(shè)備。目前國內(nèi)生產(chǎn)靜態(tài)材料試驗機(jī)的廠家近百家，僅在上海浦東開發(fā)區(qū)就有華龍等五個材料試驗機(jī)研制和生廠家。(2)實驗室建設(shè)與測試技術(shù)在實驗室建設(shè)與測試技術(shù)方面，由于受經(jīng)費的限制國內(nèi)無論是在實驗室建設(shè)、試驗設(shè)備投資，還是在材料性能研究方面均落后于西方發(fā)達(dá)國家。例如，北京航空材料研究院是我國第一家購置美國最先進(jìn)的電液伺服材料試驗機(jī)

36、的研究院所，目前是我國擁有材料試驗設(shè)備最多、規(guī)格最齊全的材料試驗與研究基地，涵蓋航空材料的各個領(lǐng)域。該所的MTS設(shè)備多達(dá)10臺套，多數(shù)是高端設(shè)備。但與美國的NASA相比還有一定的差距。在專院校，北京科技大學(xué)擁有MTS電液伺服材料試驗機(jī)3臺套、德國Zwick高頻疲勞試驗機(jī)、英國Dateck電液伺服試驗機(jī)和納米力學(xué)探針，研究與測試技術(shù)人員具有較高的素質(zhì)，無論是測試設(shè)備還是測試技術(shù)在國內(nèi)均具有較高的知名度。如果與美國的工ilin。15大學(xué)相比也有一定的差距。造成上述現(xiàn)象的原因是多方面的，在此僅指出一點就是:我國僅重視對大型設(shè)備的一次性投入，而忽視了對大型精密儀器的維護(hù)與更新，設(shè)備投資一次到位，沒有維

37、護(hù)、維修和運行費，更談不上設(shè)備更新費，結(jié)果導(dǎo)致設(shè)備失修、老化。另一方面，對測試設(shè)備的管理和對測試技術(shù)人員重視程度不夠。試驗技術(shù)與測試設(shè)備的落后將會嚴(yán)重影響材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。為什么國內(nèi)的研究學(xué)術(shù)水平與國外相比并不遜色，而鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量遠(yuǎn)不及國外發(fā)達(dá)國家，一些高附加值產(chǎn)品如汽車用板、船舶用板等需要大量進(jìn)口?究其主要原因有兩個:是工藝技術(shù)落后，另一個是材料檢測與評價技術(shù)不受重視。因此，注重測試技術(shù)與測試設(shè)備的研制是材料學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)工作。5結(jié)論工業(yè)技術(shù)和材料科學(xué)發(fā)展，使得材料測試與評價技術(shù)不斷更新，新的測試設(shè)備不斷出現(xiàn)，測試技術(shù)不提高。電液伺服技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)結(jié)合可以實現(xiàn)以前人工操作不可能完成的各

38、種復(fù)雜試驗，把現(xiàn)代材料試驗推進(jìn)到一個新的水平，是當(dāng)今最先進(jìn)的實驗技術(shù)。為了更真實的反映構(gòu)件在實際工作的狀態(tài)，材料試驗技術(shù)已更多的采用環(huán)境模擬試驗技術(shù)，材料環(huán)境試驗技術(shù)為工程零部件的設(shè)計和壽命預(yù)測提供了可靠的實驗條件和數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代材料試驗技術(shù)正在朝著模塊化、特種化、小型化和智能化發(fā)展。我國材料測試與評價技術(shù)在動態(tài)方面與西方發(fā)達(dá)國家相比差距較大，在靜態(tài)試驗領(lǐng)域國內(nèi)技術(shù)與西方發(fā)達(dá)技術(shù)差距不大。隨著計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，利用計算機(jī)建立的大型材料性能數(shù)據(jù)庫可以直接給出各種材料的性能，也可以利用計算機(jī)用有限單元法和其他計算方法來分析整體(或零部件)構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變場，但材料試驗是獲得材料性能唯一可靠的途徑，它們都不能完全代替材料試驗?？梢钥隙?，在過去、現(xiàn)在，乃至在將來材料試驗在材料科學(xué)科中一定占有重要的地位。參考文獻(xiàn)【l】張武城，涂思柏，張乃蘊(yùn).我國鑄造質(zhì)量控制與測試技術(shù)發(fā)展的回顧與展望.鑄造.2002.8【2】卡爾德拉，王懷宇鉻對低碳低合金高強(qiáng)度鋼的顯微組織及機(jī)械性能的影響.寬厚板.1997.4【3】Y.Sakai.MeehaniealPropertiesofUltrafinGrainedSteelsConsolidatedatdifferentTemPerature.ProeeedingsofInternationalSymposiumonUltrafineGrainedSteels