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摘要：在当今社会，金属材料具有广泛的应用，而通过对金属材料的力学性能进行实验，可以为金属材料实际使用价值的充分发挥提供依据。因此，本文以金属材料的力学性能为研究对象，阐述了金属材料力学性能实验方法，介绍了金属材料的力学性能实验中所用的设备。并以泡沫铝金属材料为例，对其力学性能实验设计方案进行了简单的分析，以期为金属材料的有效利用提供一定的理论参考。
关键词：金属材料；力学性能实验；力学实验设备
前言：在社会高度发展的二十一世纪，人们对金属材料的性能提出了更高的要求，而每一种金属材料的力学性能也直接影响了其失效形式，进而影响了金属材料的使用寿命。这种情况下，为了更加有效的使用材料，人们必须应了解每一种金属材料的力学性能及影响材料力学性能的因素。因此，对金属材料的力学性能实验方法进行适当分析非常必要。
一、金属材料的力学性能实验方法及力学实验设备
1、金属材料的力学性能实验方法
金属材料力学性能实验方法主要包括拉伸测试、扭转测试、硬度测试及压缩测试。其中拉伸测试主要是测定金属材料的极限拉伸范围及其在极限范围内的具体表现；扭转测试主要是依据事先在材料中绘制的直线，对材料扭转测试阶段扭转变形程度、屈服极限、剪切强度极限进行逐一测试；硬度测试主要利用压入法、回跳法、刻化法等方法，利用布氏硬度对金属材料软硬程度进行测试；压缩测试主要以金属材料屈服极限、抗拉强度为测试对象。通过对金属材料被压缩期间不同时间段、不同压缩程度表现进行分析，可以直接得出金属材料力学性能[1]。
2、金属材料的力学实验设备
根据金属材料力学实验需求，在金属材料力学实验中主要用设备为扭转实验机、布氏硬度计及万能材料试验机[2]。其中扭转实验机主要是针对金属零部件扭转力进行性能测试的一种方式；布氏硬度计主要是对金属材料硬度进行测试的一种设备。其具有较为突出的代表性全面、实验数据统一的特征；万能材料试验机可以应用到金属材料多种试验过程。如弯曲实验、剪切实验、压缩实验、拉伸实验等。
二、泡沫铝金属材料的力学性能实验方案设计
1、泡沫铝金属材料概述
泡沫铝金属材料是一种以铝为基体，结构呈特殊孔状的新型材料，其在交通运输、机械、石油化工、航空航天等领域具有广泛的应用。
2、泡沫铝金属材料力学性能实验设计
测定泡沫铝金属材料的静动态应力应变关系是泡沫铝金属材料力学性能实验设计的主要目的。而基于泡沫铝金属材料结构的特殊性，本次试验主要利用改进后的MTS-900型万能材料试验机（SHPB），对泡沫铝静动态力学性能进行测试[3]。
在具体试验进行过程中，首先需要准备不同胞孔结构的不规则开孔泡沫铝，原材料及胞孔直径分别为800.0mm*800.0mm*20.0mm、4.0-5.8mm。在试验材料选择完毕之后，在MTS-900型万能材料试验机中完成不规则开孔泡沫铝动态试验。在动态试验中，试验材料厚度及试验材料质量、密度、相对密度分别为20.08mm、19.82g、1.432g/cm3、0.535。
在具体实验过程中，为避免材料受压对接触面的影响，本次试验对MTS-900型万能材料试验机（SHPB）进行了适当改进。即利用直径为36.8mm、长度为1800.0mm的输入弹性杆、输出弹性杆代替传统万能材料试验机输入、输出杆。输入弹性杆、输出弹性杆较其他直径弹性杆具有更小的弥散效应，且其可近似认为试验样两端传播所需的时间、加载总时间相等，即金属材料处于均匀变形状态。同时在试验初始阶段没有加金属试验样空打时，为保证金属力学试验均匀化要求的充分满足，在入射弹性杆前端设定了一个波形整形器。通过波形整形器的调整作用，可以降低不规则开孔泡沫铝入射矩形波中干扰信号，获得更加清晰的波形。同时为保证不规则泡沫铝材料力学实验测试结果的准确度，本次试验在半导体应变片代替了半导体电阻应变片，可以有效提高实验装置测试灵敏度。
在试验装置改进完毕后，可以直接将不规则泡沫铝材料放入MTS-900型万能材料试验机（SHPB）内。依据规定的力学实验参数进行合理设定。并记录准静态压缩、动态压缩测试中不规则泡沫铝材料在不同时间段不同压缩程度所呈现出的特性。
3、泡沫铝金属材料力学性能实验分析
图1 泡沫铝金属材料压缩后测试获得应力应变曲线
图1中Static-1-2、Static-1-3、Static-1-4分别为动态压缩一次、二次、三次后泡沫铝金属材料应力应变曲线。
从上述实验结果可得出，在动态压缩下开孔泡沫铝材料表现处理明显的三阶段变形特征。即首先弹性上升，随后塑性平台，最后密变化。而随着应变率的增加，不规则开孔泡沫铝材料屈服应力、平台应力均呈现出了较为明显的应变率效应，即应力增大。如在应变量为0.4时，不规则开孔泡沫铝材料由动态压缩下的39.8MPa也上升至应变率为1980/s时的62.5MPa。同时在动态压缩下，不规则开孔泡沫铝塑性平台区也表现出较为明显的波动特征。这主要是由于在动态压缩下，不规则开孔泡沫铝胞孔内发生弹性变形、塑性变形，内部气体压力不断增加。而在压缩荷载达到不规则开孔泡沫铝胞孔孔壁破裂坍塌临界荷载的瞬间，不规则开孔泡沫铝胞孔孔壁瞬时发生破裂。其胞孔内部的压缩气体也被释放，最终导致应力出现波动性变化。
总结：
综上所述，通过对金属材料力学性能进行测试，可以帮助相关技术人员了解金属材料特点及力学性能影响因素、力学性能变化趋势，为金属材料的有效应用提供依据。因此，在具体金属材料应用过程中，相关技术人员应以金属材料力学性能内部机理为入手点，合理选择扭转实验机、布氏硬度计及万能材料试验机。对其进行拉伸测试、压缩测试、扭转测试及硬度测试，以获得具体的影响金属材料力学性能内在性能的相关因素，为金属材料力学性能的有效应用提供依据。
参考文献：
[1]吕晓军, 刘舟. 探讨金属材料的力学性能实验方法及力学实验设备[J]. 山东工业技术, 2018(3):52-52.
[2]蔡冬梅. 分析金属材料力学性能试验方法和试验设备[J]. 科学中国人, 2015(18):111-115.
[3]张帷. 金属材料力学性能试验试样验收方法[J]. 世界有色金属, 2018(21):284-284.
论文作者:龚姝瑾
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/8
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