浅析金属材料常用的力学性能测定的标准

时间:2017-12-22 13:19:56 材料毕业论文 我要投稿

浅析金属材料常用的力学性能测定的标准

  金属材料常规力学性能试验项目主要分为拉伸、硬度、冲击、工艺性能和疲劳试验五方面,以下是小编搜集整理的一篇探究金属材料常用的力学性能测定标准的论文范文,欢迎阅读参考。

浅析金属材料常用的力学性能测定的标准

  摘 要:计算机模拟金属材料力学性能检测试验,能够直观对金属材料在整个试验过程中的应力应变状态进行分析,可以对未来建立金属材料检测数据库提供视觉素材;建立力学检测数据与模拟参数关联的数据库,为模拟金属材料改变自身形状,改变服役条件后进行力学性能模拟提供数据支持;利用计算机模拟软件建立金属构件在服役条件下的力学性能分析,为现实模拟金属构件的力学性能提供更直接有效的指导。

  关键词:金属力学性能;有限元;应力应变

  1 引言

  在金属材料力学性能检测的过程中,影响最终检测结果准确性的因素有很多,这其中包括:测试人员素质、测试方法、试样状态、环境条件等。当前对金属力学性能检测技术的改进集中体现在对实验设备的改进以及测试方法的科学化和标准化方面,对于试样在试验过程中的应力应变状态分析的研究只能局限于样品在测试结束后的数据分析,但金属构件大多具有比较复杂的形状和大小不同的尺寸,且其服役条件往往也是极端复杂的,通过力学试验测定的结果作为判据,并不能确切的表征金属材料在实际工作条件下的强度行为,因而不能对金属的使用性能做出确切可靠的评价。

  利用有限元分析软件对金属材料的力学性能试验进行模拟分析,能够直观对金属材料在整个试验过程中的应力应变状态进行分析,不仅能有效的预测金属材料的应力应变的变化,为金属构件在服役条件的失效分析、确定金属构件的合理设计、制造、安全使用和维护提供参考,还能对改进金属材料测试方法,提高测试精度提供一些新思路,同时也为选材和质量控制提供一些技术依据。

  有限元是在连续体上进行近似计算的一种数值方法,它经过了40多年的发展已经形成了一套相当完善的理论体系,是现今应用最为广泛的数值计算方法。可以解决如工程的结构分析、电磁学和热力学等方面的问题。近年来我国对材料力学的有限元分析进行了大量的研究,但对于金属只进行了一些较为常见的材料在特定力学条件下的有限元分析,提出了一些材料力学性能指标和应力应变的关系。

  2 ANSYS有限元模拟与试验室力学性能检测耦合

  有限元分析就是将复杂的连续物理对象划分成一个个离散的.子域,利用子域建立的近似的函数进行描述;推导求解处理所有子域误差以此来建立整体的分析方程,再通过计算机的数值计算处理功能,就可以利用数值求解方法解决任意复杂的问题[1]。

  金属材料常规力学性能试验项目主要分为拉伸、硬度、冲击、工艺性能和疲劳试验五方面。现行力学性能检测绝大多数是借助几何形状非常简单的标准试样装卡在普通的力学试验机上,在简单的应力状态下进行力学检测。利用ANSYS有限元模拟力学检测试验,可以使整个试验过程能够直观的表现,并能建立力学检测数据与模拟参数关联的数据库,为模拟金属材料改变自身形状,改变服役条件后进行力学性能模拟分析奠定基础。

  2.1 模拟拉伸试验

  以模拟拉伸试验为例,国内拉伸试验方法标准为《GB/T 228.1-2010 金属材料 室温拉伸试验方法》,主要测定的检测项目为:抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率以及n值、r值等。拉伸试样在拉伸的过程中一般要经历弹性、屈服、强化、颈缩四个阶段,试验数据是通过测量作用于试样的载荷F和试样原始标距部分的伸长L计算得出应力-应变图,从而得出相应的试验数据。

  ANSYS模拟金属拉伸试验主要分为:建模、设置物理参数、设置加载条件和求解等几大部分。根据拉伸试验的特点,模型可以简化成不考虑夹持部分,将一端圆弧末端固定,而在另一端圆弧末端施加位移载荷,这样既可以缩短计算时间、减少存储空间,同时也可以满足计算精度的要求,如图1。因为金属材料大都是各向同性的,只需要输入DENS(密度)、EX(弹性模量)和NUXY(泊松比)定义即可。加载条件的设置主要以测试材料实测的应力应变关系进行设置。

  2.2 模拟数据库的建立

  DENS(密度)、EX(弹性模量)和NUXY(泊松比)是表示材料自身特性的参数,其大小与材料本身的状态,例如元素含量,热处理状态等相关,与使用环境,受力状态无关。模拟拉伸试验的意义在于通过对实际检测结果的耦合,推出不同材料自身的模拟参数(DENS、EX和NUXY),此时这些模拟参数与实际材料的固有参数无关,是使模拟结果与实际检测相耦合的条件,并建立相互关联的数据库,流程如图2。

  3 金属构件的应用模拟

  近年来,在金属力学性能测试领域中注意力更集中于“服役机件”而不是普通试样,模拟机件寿命试验有逐步发展成为一门独立学科的趋势。如英国北海油田开发用金属材料及加拿大天然气管道构件,广泛采用模拟试验来研究金属材料的在特定条件下的使用性能,航空涡轮发动机的地面模拟试验在世界各国广泛采用[2]。但这些金属构件的全尺寸模拟试验缺乏普遍性且实施比较困难(费用昂贵和技术复杂),更多地用于各种关键性构件的模拟测试中。

  追踪了解金属材料的后加工形状和使用状态,通过计算机利用ANSYS建立相关模型,利用已有数据库中的模拟参数,对金属构件进行模拟分析,流程如图3所示,探求普通力学性能测试方法所得到的金属力学性能判据与金属制件在真实服役条件下所显示的强度行为之间相互关联的各种规律性。不仅实施简单,节约大量的人力物力,更重要的是可以普遍应用于各种金属构件,同时也为现实模拟服役条件下金属构件的力学性能提供更直接有效的指导。

  4 结束语

  利用计算机模拟金属材料力学性能检测试验,能够直观对金属材料在整个试验过程中的应力应变状态进行分析,对未来建立金属材料检测数据库提供视觉素材。

  通过有限元分析的模拟分析,使具有比较复杂的形状和大小不同的尺寸金属构件在真实服役条件下得到表征。不仅能有效的预测金属材料在实际使用过程中应力应变的变化,为金属构件在服役条件下的失效分析、确定金属构件的合理设计、制造、安全使用和维护提供参考,还能对改进金属材料测试方法,提高测试精度提供一些新思路,同时也为现实模拟金属构件的力学性能提供更直接有效的指导。

  参考文献

  [1]张朝晖.ANSYS 12.0热分析工程应用实战手册[M].北京:中国铁道出版社,2010.

  [2]曹用涛.金属力学性能测试进展[J].北京:理化检验-物理分册, 1994,30(5):22-25.