金屬材料學術論文
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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效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、便於分析的優點，所以其被廣泛應用於工程設計、機械製造等多個領域，用於測定金屬材料的強度、塑形和彈性模量等機械效能指標。目前，關於拉伸實驗的測試技術已較為成熟。
【關鍵詞】金屬材料;拉伸實驗;實驗表徵
金屬材料的力學效能是其效能和可靠性的重要標誌，拉伸效能更是金屬材料的力學效能的重要引數。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，以測定其效能指標的實驗。對於待測定的試樣，一般要求其橫截面尺寸不小於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，這裡常溫指的是10-35℃之間的溫度。如果所測材料在不同的溫度下力學效能值變化時，要更加註意實驗的溫度，一般將溫度控制在23℃左右，以保證效能資料準確性較高。
2.試樣取樣及加工
金屬材料在取樣時一定要按照相關的規定進行切取。在切取時要注意切取的位置、方向以及數量。在取樣的整個過程中，一定要保證材料的溫度處於室溫水平，防止材料過熱或硬化影響金屬材料力學效能的測定。在切取之前，可以先將切取位置、方向標記出來，防止切取時出現差錯，造成材料的浪費，或導致效能指標測量不準。對於鋼產品在取樣時不僅要保證試樣的尺寸切取合適，也要保證鋼產品的外觀合適。
取樣結束之後，接下來需要對試樣進行加工。對於材料厚度在25mm以上的試樣，一般會採用機器加工的方法，將其加工為圓形橫截面或單邊減薄至25mm之後，再進行實驗。對於材料厚度比較小的試樣，一般不經機器加工。
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，材料的斷後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滿足關係式L0=k***S0***1/2時，則採用比例標距，否則，採用非比例標距。
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，對於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，將三個位置的直徑資料分別彙總，處理之後求平均值，並計算橫截面積，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，並把三次計算得到的橫截面積的最小值作為原始橫截面積;對於環形的試樣，要測出試樣的平均外直徑和平均壁厚來計算環形橫截面積。
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，使其儘量接近5mm的倍數，並且原始標距的準確度要控制在±1%之內，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。除採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效能實驗一般不必測量平行長度。
3.3 實驗速率設定
在測定金屬材料不同的拉伸效能時，實驗的速率設定也是不一樣的。實驗速率是影響實驗資料準確性的重要因素。對於測定材料強度的實驗，塑性範圍內應變速成率應控制在0.025/s以內;在測定抗拉強度時，應變速率應在0.008/s以內;在測定上屈服強度時，注意保持實驗速率的穩定;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，並要注意保持實驗速率的穩定性。
3.4效能測定
金屬材料包含6種延時效能和6種強度效能。其中六種延時效能指的是：斷後伸長率、屈服點延伸率、最大力總伸長率、最大力非比例伸長率和斷後總伸長率。六種強度效能有：上屈服強度、下屈服強度、非比例延伸長度、殘餘延伸長度等。在測量金屬的延伸效能時一般可以採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範圍，在進行實驗時要根據金屬材料本身特性，實驗裝置等多方面的原因綜合考慮，選用最合適的實驗方法。
4.測量工具規範使用
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，多用於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，保證實驗結果的可靠性。在引伸計裝夾時，要將標距杆墊片卡在力臂與標距杆之間，保證卡緊卡牢，使刀刃與試樣垂直接觸，並用橡皮筋將其固定在一起。標定時，要按照相應增量增加標準位移，並且標定工作要重複進行三次，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範標定工作。另外，測量系統與標定系統要保證引數的統一性。
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，使試樣不至於掉落下來，而使實驗中斷，影響實驗效率。夾具一定要加緊試樣，並且夾具要與試樣垂直，防止傾斜，產生傾斜角度，造成實驗誤差。為了保證夾具與試樣的垂直可以採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。在實驗開始之後，就不可再升降橫樑，在實驗過程中，如果發現夾持具與試樣未垂直，或橫樑的高度不合適時，要終止實驗進行調整，並在調整好之後重新開始實驗，不可繼續實驗，或並不停止實驗而直接調整，並繼續實驗。這樣會導致實驗結果不可靠，造成嚴重的誤差等。
5.結束語
金屬材料的拉伸實驗是測定金屬的力學效能的最重要和最基本的途徑與方法，嚴格控制和規範實驗過程是提高實驗質量的關鍵。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，並加以總結，探索產生的原因，並積極找尋解決對策。在進行實驗時注意避免這些不良因素對於實驗的干擾，制定科學的實驗儀器操作規程，在實驗時嚴格按照規程規範整個實驗過程，保證實驗資料的準確性和可靠性。 [科]
【參考文獻】
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篇二
論金屬材料的速度極限
摘 要：沒有任何一種已知物質的運動速度可以達到光速，每一種物質材質應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於製造“光速飛船”，本文選擇下面的實驗方法進行測算對比。
關鍵詞：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。為了實現這個夢想，現在我們通過實驗篩選各種金屬材料，看哪一種更適合於製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，理想狀態下——勢能完全轉化成動能，它應當爬升到對面斜面相同的高度。如果斜面展開，小球將做勻速直線運動，並且一直運動下去。現在，我們在球a的直線方向上放置球b***球b的材質、體積、質量與球a完全相同***。某瞬間，球a與球b撞擊，理想狀態下，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。而在現實情況中，玻璃彈子的撞擊會出現另一種情況，撞擊的瞬間，球a和球b一隻或兩隻玻璃彈子會碎裂，這是因為動能在兩者之間傳遞時，動能的力量已經超出了玻璃彈子材料自身的結合能的原因。
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出來，當這種能量的威力足以克服物質材質自身的結合能時，材質本身就會遭到破壞。當然，材質不同，其分子、原子的結構不同，決定了材質自身結合能的不同。這正是我們這次實驗考察的目標——哪種材質自身結合能更強，更適合製造“光速飛船”。
在這裡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的小球，被撞擊的靶子是一個理論上固定不動的剛體，那麼撞擊的結果就是：動能轉化成熱能、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，這樣的速度已經達到了某材料的破壞點——即材料的速度極限。並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，對材料的破壞結果是相同的——它不是運動，而是熔化，不再具有器材的應用價值。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於製造“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。達到光速的物質將呈能量態，所有物質態的性質將被全部湮滅。
於是我們確定我們的實驗方法：金屬材質的球a在高速運動的過程中撞擊剛性的靶子，動能完全轉化成熱能，當產生的熱能等於球a所用金屬材料的熔點的情況下，我們認為，已經達到了這種金屬材料的破壞點即速度極限——處於熔化狀態的金屬材料不再具有器材的使用價值。
假設球a是鋁製品，在撞擊時動能完全轉化成熱能Q，且熱能Q能夠讓鋁製球體達到熔點。就是說，單位質量的鋁球在達到熔點狀態時，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是質量;△T是溫差，這裡我們取鋁的熔點660℃***
就是說：一個單位質量的鋁球，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完全轉化成熱能Q
那麼 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/秒運動的鋁製球體撞擊剛體，其結果是：鋁球在剛體上熔化。
需要特別說明的是相反的運動過程：如果鋁製球體處於靜止狀態，我們用剛體來撞擊它，而要求鋁球被撞擊後的瞬時速度達到1078米/秒。其結果一樣：鋁球在剛體上熔化。就是說，鋁製“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。可能有些航天悲劇的產生，就是由於對其金屬材料的速度極限值估計不足。
下面是根據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資料，所以沒辦法知道它們的速度極限值的資料。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。
現在，我們假想球a和球b是“光速飛船”上相鄰的兩個質點，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，對飛船材質的要求會變得十分苛刻，能勝任的材質越來越少。直到最後，沒有任何已知的材質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。相當於360公里/小時的汽車所做的的碰撞試驗，其結果不難想象。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。