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LNM材料力学性能测试中心(1)——为什么要做材料力学性能测试?
    时间:2013-4-22     点击率:27388

编者按:在中国科学院“知识创新工程”的持续支持下,力学研究所的装备建设获得了长足的进展,特别是公共实验平台体系的形成为研究与开发工作铺垫了坚实的物质基础。本刊将在“漫步力学所”栏目中,陆续介绍力学所公共实验平台体系的组成、功能与应用。本期将介绍非线性力学国家实验室(LNM)公共实验平台下属的材料力学性能测试中心。

 

    LNM材料力学性能测试中心(1)

    为什么要做材料力学性能测试?

    郇勇 王柏懿


    一、为什么要做材料力学性能测试?
    人们在生产和生活的活动中,需要建筑各种各样的建筑物或者制造各种各样的机械。任何建筑物或机械,都是由很多零部件按照一定的设计组合而成。在工程科学中,这些零部件统称为“构件”。我们的日常生活中遇到最多的一种构件是“杆件”,它们的几何特征是长度远大于横向尺寸(例如直径),工程中的梁、轴、柱都属于杆件。上图中火车站的站台就是由各种形式、尺寸的杆件组合而成的建筑结构。
    显然,只有组成建筑物或机械的所有构件能够正常工作,才能保证整个建筑物或机械在规定的服役期内安全可靠地运行。例如,当大梁断裂时,建筑物可能坍塌。当主轴变形过大时,机床的加工精度就不能保证。所以,工程师在进行设计时,要求构件在受到外力作用时,不发生破坏(用力学的术语来说,就是构件必须具有足够的“强度”),而且所发生的变形能限制在正常工作许可的范围内(用力学的术语来说,就是构件必须具有足够的“刚度”)。此外,工程师有时还会要求构件有足够的“稳定性”,以便保持其原有形状下的平衡。科学家和工程师把这三方面的要求,称为构件的“承载能力”,就是它们承受外力(力学中称之为“载荷”)的能力。其中,材料的选用十分关键,如果材料的力学性能没有达到构件的使用要求,便可能导致“失效”。据1983年美国商业部和国家标准局完成的研究报告,每年由于材料的失效所造成的经济损失约占其生产总值(GDP)的4%。因此,科学家提出了结构设计的基本要求。
    当设计的构件满足上述的强度、刚度和稳定性三个要求时,就可以认为设计是安全的,构件能够正常工作。一般而言,只要构件选用足够好的材料和足够大的尺寸,安全总是能够保证的。但是,这样也可能造成财力、物力和人力的浪费,不符合经济原则。甚至,有的工程结构不允许使用太重的构件,例如飞机的构件都力求轻质型,否则对发动机的要求就太高了。如何解决安全和经济这对矛盾呢?这就要求助于材料力学这门科学了。材料力学是固体力学的一个分支学科,根据材料力学的知识,人们可以确定怎样在保证安全的条件下尽量使构件消耗最少的材料。对于结构材料而言,材料力学可以提供合理的理论计算方法,但是在计算中必须所使用材料的力学性能。
    那么什么是材料的力学性能呢?力学知识告诉我们:任何一种材料都按照一定规律进行着受力—变形—损伤—断裂这样一个破坏过程。在整个破坏过程中,材料具有一定承载与适应变形的能力,而且对变形与断裂也有一定的抵抗能力。力学家对于材料的这种力学行为,一般是采用图表或者解析表达等方式予以表述,另外还定义了一系列定量的评定指标。材料力学行为的定量评定指标,通常称为“力学性能”。
    材料的基本力学性能包括弹性性能、塑性性能等。所谓“弹性”,是指材料在外力作用下保持固有形状和尺寸的能力,以及在外力除去后恢复固有形状和尺寸的能力。所谓“塑性”,是指材料在外力作用下发生不可逆永久变形的能力或容量。当然,表征材料力学性能的各种参量和材料的化学组成、晶体点阵、晶粒大小、外力特性(静力、动力、冲击力等)、温度、加工方式等一系列内、外因素有关。传统上,人们涉及的是材料在常温、静载作用下的宏观力学性能。所谓“静载”,是缓慢地加到材料试样上的载荷,它不使试样产生显著的加速度。利用这些宏观性能参数,便可以计算出材料的强度、刚度等。这些力学性能均需用标准试样在材料试验机上按照规定的试验方法和程序测定,材料试验机实验一般都会给出材料在受力情况下发生拉伸或压缩、剪切、弯曲、扭转等不同形式变形时的应力—应变曲线。下图中给出某些塑性材料的应力—应变曲线的示意,其中表示应变,表示应力。

    二、怎样进行材料力学性能测试?
    材料力学性能测试是固体实验力学的基本内容之一。狭义上的材料力学性能测试指的是拉伸、压缩等由传统材料试验机完成的测试。测试的主要目的是通过测量试样上力和变形的关系,获得应力—应变曲线。该曲线是固体力学本构方程建立的基础,也是工程应用中力学参数(例如:弹性模量、屈服应力、抗拉强度和抗压强度等)提取的依据。由于人们在这里关注的是材料本身的性能,所以试样通常都是采用杆件,主要有下图示出的圆形截面和矩形截面两种试样。如果试样有效长度为L0的话,一般可以选择L0=5~10d0(对于圆形截面试样)以及L0=5~10A01/2(对于矩形截面试样)。
 


    (a)圆形截面(直径为d0)试样

    (b)矩形截面(横截面积为A0)试样

    不同几何形状的试样

    从技术层面上来讲,材料力学性能测试最主要的测量参量是力和变形,所使用的设备是材料试验机。平常所说的材料试验机一般是指轴向拉伸、压缩测试的单轴材料试验机。当然这类试验机还可以进行弯曲测试。因为弯曲测试也仅仅是需要直线的加载动作。除此之外,较为常见的就是扭转试验机了。扭转试验机可对材料进行扭转力学性能测试,获得切应力-切应变曲线。在力学模型上,可以把扭转看作是单轴拉伸、压缩试验的变异,只不过变形是以扭转角的方式记录,而外载荷是以扭矩的形式体现。但是扭转的应力分布却比单轴拉伸、压缩复杂,而且更容易造成晶界滑移和孪晶等行为,因此在力学基础研究上有特殊用途。下图是试样在材料试验机上进行拉伸实验的照片。
 


    材料试验机的拉伸实验

    随着科研需求的不断深入,出现了多轴加载的试验机用来模拟试样受到的多轴应力状态。例如MTS809轴扭材料试验机,具有轴向加载和扭转加载两个通道,可以进行拉扭、压扭测试,用来模拟拉扭或压扭组合应力状态。而对于岩土力学的研究,出现了三轴围压试验机,在轴向上具有加载能力,在试样侧面进行围压,以模拟岩土在地壳或工程结构中服役工况。下图是最基本的拉伸试验中试样在试验前后的对比情况。在试验过程中,试验机的相应装置可以实时测定试样的受力及变形情况,从而给出待测材料的应力—应变曲线,由此人们可以导出一系列的力学性能参数。
 


    (a)试验前试样照片

    (b)试验后试样照片
    拉伸试验前后试样实物照片
    (此图中两张照片转载自网络)

    三、LNM公共实验平台的材料力学性能测试中心
    非线性力学国家重点实验室(LNM)是目前国内唯一的综合从事固体和流体非线性力学行为研究的国家重点实验室。为了配合LNM多尺度力学研究方向,LNM成立了公共实验平台,涵盖实验固体力学和实验流体力学。其中材料力学性能测试中心主要从事固体材料和结构的力学性能测试,主要设备有MTS810、MTS809以及INSTRON1195材料试验机,载荷量程可以达到105N(这里N是力的基本单位—牛顿),而功能则包括拉伸、压缩、弯曲、拉扭、压扭等。

    LNM材料力学性能测试中心的设备简介如下:

    (1) MTS810液压伺服材料试验机

    (2) MTS 809液压伺服轴扭材料试验机

    (3) Instron 1195材料试验机