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摘要：针对金属材料的力学性能实验方法及力学实验方式加以分析，明确相关标准，且基于未来发展予以展望。
关键词：金属材料；力学性能实验方法；力学实验设备
金属材料力学性能试验方法国家标准体系在近5年来取得了较大进步，国际ISO标准在金属材料力学性能试验方法领域采标转化率近100%，是国家标准体系工作做得比较出色的一个单元。虽然金属材料力学性能检测是一个传统行业，但在近几年力学性能测试新方法以及与其配套的新试验设备层出不穷，从而也推动了新试验方法标准的蓬勃发展。
1 力学性能试验方法国家标准体系
金属材料力学性能试验方法国家标准基本上都是在近5年修订或新制定的，标龄超过5年的个别标准，标委会也将其列入最新的修订计划。为了便于介绍，将力学性能试验方法国家标准分为通用标准，金属拉伸、压缩、弯曲及扭转试验标准，金属高温长时试验标准，金属延性试验标准，金属硬度试验标准，金属冲击试验标准，金属断裂力学试验标准，金属疲劳试验标准，其他力学性能试验标准等9个部分。各部分包含的标准及采标和制修订情况见图1所示。
图1 通用标准采标及制修订情况
2力学性能试验方法的开发
2.1 GB/T 228.1-2010方法A试验
近2年发布的新标准对实验室的从业人员提出了更高的要求。以GB/T 228.1-2010为例，实验室人员按照标准并不能直接进行试验，而需要对其技术背景和相应试验设备的技术能力有了充分的了解，并经过方法的专业培训后才能进行试验。该标准中不连续屈服(物理屈服)的金属材料如何直接进行应变速率控制(真A)或采取标定试验[1]。
系统柔度的变通办法来间接实现应变速率控制(近似A)是本标准的一个技术难点[2]。实验室在从事这方面应用研究的同时，试验机厂家也都在积极想办法，为方便实验室人员操作，对于两类金属材料(连续屈服金属材料和不连续屈服金属材料)提供统一的解决方案。
德国Zwick，RoeU公司最新推出的Test ContmUII数字式电子测量和控制系统配合传感器技术，通过自适应控制系统较好地解决了这一技术难点[3]。钢研纳克检测技术有限公司新开发的电子拉伸试验机的电控系统也能较好地解决这一技术难点。
同时，金属材料高温拉伸试验方法的修订工作也已启动，新标准的主要变化集中在高温应变速率控制上，这对于通过横梁位移控制模式进行高温拉伸试验的实验室提出了严峻挑战，希望国内相关实验室重视该技术，积极应对。
2.2 GB/T 2039-2012高温持久蠕变试验
即将发布的“金属材料单轴拉伸持久蠕变试验方法标准”对实验室环境温度、根据试验温度区间和试验时间选择适合的热电偶以及持久蠕变试验机的加载同轴度等方面都提出了较高要求[4]。面对超超临界火电机组用耐热钢瞳和航空用高温合金的高速发展，国内纷纷扩张持久蠕变实验室的规模，钢铁研究总院、航空材料研究院、上海成套所、上海电气、宝钢等已拥有一、二百台持久蠕变试验机。
2.3 GB/T 24171-2009薄板和薄带成形试验
新的成形极限曲线(FLC)检测国家标准GB/T 24171-2009分为GB/T 24171.1-2009与GB/T 24171.2-20091两部分，第1部分的内容与传统的测试方法基本相同，适合大多数实验室及现场条件下的成形极限曲线检测，第2部分提出了一种更准确的实验室成形极限曲线测定方法，现阶段只有部分实验室能够满足试验条件要求。
标准中的Nakazima实验是公认的确定板金材料成形极限曲线FLC的方法。Nakazima实验是采用一个半球头的冲头对各种形状的标准试件进行冲压变形，直至试件发生破裂。通过实验，获得每种试件的最大应变(产生在破裂前瞬间)，根据这些数据即可定义出该种材料的成形极限曲线FLC。
2.4仪器化压痕试验
仪器化压痕法是一种新兴的试验方法，不仅可以测量金属材料的硬度，还可以测定金属材料的其他参数。该方法的特点在于能把试验力和压痕深度自动记录下来，通过测试曲线和统计数据来分析材料的机械特性。
国际许多专家都在积极研究利用压痕硬度试验测定材料的力学性能，这一试验方法也成为美国材料基因组计划针对材料扩散多元节研究材料力学性能的重要方法。纳米压人技术是近年来发展起来的一种微纳米力学测试技术，可通过连续测控作用在压头上的载荷和位移，并分析测得的载荷一位移数据来得到材料的杨氏模量、硬度、屈服强度、加工硬化指数等力学性能参量。
该方法具有很高的测试精度，从而实现在微米尺度对块体材料、薄膜或涂层材料进行力学性能表征b 3。通过纳米压人实验可以对材料微区的杨氏模量、硬度、蠕变速率敏感指数和断裂韧性等力学性能进行测试。该标准已成为纳米材料力学性能研究依据的重要标准，国内很多科研机构和高校都配备了压痕试验机以从事此方面的研究工作。
3 力学性能测试领域的新进展
为了配合我国大飞机的研制项目，国内许多航空航天企业和实验室都在申请NADcAP(National Aemspace and Defense Contractors Accreditation Pmgram)认证，它是由美国航空航天和国防工业巨头与美国国防部、sAE等机构共同发起和发展的一个专门对航空航天工业的特殊产品和工艺进行认证的体系，其宗旨是以通用的第三方认证解决方案代替各自对供应商进行重复的特种工艺审查认证，以便有效地降低其供应商发展成本和潜在风险。而申请认证的材料检测实验室都要按照ASTM系列标准进行试验，诸如ASTM E8／8M、ASTM E139、ASTM E606，ASTM E466和ASTM E111等标准都 对试验机的加载同轴度参数提出了明确的指标要求。
面对如此紧迫的需求，2006年国家钢铁材料测试中心向科学技术部申请了科学仪器设备升级改造专项工作一“同轴度测量仪改造为新型高精度同轴度测量仪”，并获得了科学技术部的资助。在该项目研究期间，项目承担单位针对圆棒、薄板和厚板等各种类型的同轴度参数测试单元进行了深入研究，同时形成了具有自主知识产权的高精度同轴度仪H3，利用该仪器为国内30多家航空航天企业和相关实验室提供了140多台套试验机加载同轴度参数的校验服务，保证了企业和实验室顺利通过NADCAP认证。通过试验机加载同轴度参数的测量，发现我国试验机行业在试验设备的加载同轴度设计方面还有很大欠缺，需要不断予以改进与完善处理。
结束语
力学性能试验作为金属材料传统的检验项目在2l世纪被赋予了新的使命。面对金属材料的迅猛发展，力学试验机向工程服役性能评价的超大型化和微观尺度纳米级两个方向发展。不断完善相关实验标准，展开实验活动，为研究活动的深入开展奠定良好基础。
参考文献
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[3]杨新伟.基于新型纳米结构金属材料的力学性能及变形机制研究[J].世界有色金属,2016(01):135-136.
[4]张钱城,卢天健,闻婷.轻质高强点阵金属材料的制备及其力学性能强化的研究进展[J].力学进展,2010,40(02):157-169.
论文作者:张研达,李巧征
论文发表刊物:《防护工程》2018年第4期
论文发表时间:2018/7/2
标签：金属材料论文; 标准论文; 力学性能论文; 实验室论文; 同轴论文; 材料论文; 试验机论文; 《防护工程》2018年第4期论文;