尺寸效应下的紫铜薄板力学性能试验研究
张赛军;龚小龙;李健强;周驰;袁宁
【摘要】The tensile samples of different grain sizes were obtained by heating 0.1,0.2,0.4,0.6,0.8 and 1.0 mm T2 copper at 450,650 and 850
C.Then,the deformation of the samples in uniaxial tension tests was measured by the digital image correlation (DIC) method,and the relationships between the relevant parameters (namely,the yield strength,the tensile strength,the maximum uniform strain and the fracture strain) and the grain size as well as the sheet thickness are
evaluated.Experimental results show that the mechanical properties of the annealed T2 copper sheet show an obvious size effect;specifically,the tensile strength,the maximum uniform strain and the fracture strain decrease with the decrease of the sheet thickness or the increase of the grain size,and they all have an approximate exponential relationship with the ratio of the sheet thickness to the grain size.%通过对0.1、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0mm厚的T2紫铜薄板在不同温度(450、650和850℃)下的热处理,获得不同的晶粒尺寸的试样,并采用数字图像相关性(DIC)方法对单向拉伸试验中的变形进行了测量,获得了相关力学性能参数(屈服强度、抗拉强度、最大均匀应变和断裂应变)与晶粒尺寸和板料厚度之间的关系.实验结果表明:所考察的退火T2紫铜薄板
的力学性能参数均表现出明显的尺寸效应,抗拉强度、最大均匀应变和断裂应变均
随材料厚度的减小或晶粒尺寸的增大而减小,且与厚度晶粒尺寸比呈近似指数关系.【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(044)010
【总页数】7页(P8-14)
【关键词】尺寸效应;数字图像相关性;力学性能;T2紫铜
【作者】张赛军;龚小龙;李健强;周驰;袁宁
【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院∥广东省精密装备与制造技术重点实验室,广东广州510640;华南理工大学机械与汽车工程学院∥广东省精密装备与制造技术重点实验室,广东广州510640;华南理工大学机械与汽车工程学院∥广东省精密装备与制造技术重点实验室,广东广州510640;华南理工大学机械与汽车工程学院∥广东省精密装备与制造技术重点实验室,广东广州510640;华南理工大学机械与汽车工程学院∥广东省精密装备与制造技术重点实验室,广东广州510640
【正文语种】中文
【中图分类】TH142.3
随着微型零件的广泛运用，对其成形过程的研究变得尤为重要，成形过程的力学性能和变形行为表现出对零件尺寸强烈的依赖性，这就是微成形中的尺寸效应.用传统的塑性理论已不能对微型零件的成形过程进行合理的描述，因此，对微成形中尺寸效应的理论研究具有十分重要的意义.
目前，针对尺寸效应对不同薄板材料的力学性能和变形行为的影响规律已有大量的研究.研究对象大体上分为厚度较大的薄板和厚度较小的箔板(厚度一般小于0.1 mm)，尺寸效应对这两类材料力学性能的影响展现出了不同的规律和特点[1].
对于薄板而言，尺寸效应对强度和变形的影响主要表现为“越小越弱”.Michel等[2]通过单向拉伸试验研究了CuZn36 薄板(厚度0.1～0.5 mm)的尺寸效应，试验
结果表明，保持宽厚比不变，当坯料厚度由0.2 mm减小到0.1 mm时，流动应
力减小；而在坯料厚度不变的情况下，试样的横截面积对材料的流动应力影响很小.Saotome等[3]采用基于图像传感器(CCD)测量的单向拉伸装置对板厚从 0.05 mm到 1.0 mm的不锈钢薄板进行了单轴拉伸试验，结果显示随着板厚的减小，
抗拉强度和延伸率下降.Chan等[4]通过厚度为0.1～0.6 mm纯铜的单向拉伸试验，研究尺寸效应对断裂行为的影响，研究认为流动应力和断裂应力应变都随N值(试样厚度与晶粒尺寸之比)的下降而下降，其主要原因解释为：一是材料的晶界分数
随N值的下降而下降，微孔洞随N值的下降而减少；一是在试样的侧面，由线切割造成的表面缺陷不随试样厚度的减小而减少，随试样厚度的减小，其影响变得越来越重要.王刚等[5- 6]通过微拉伸试验研究了0.05、0.1 和0.15 mm厚度的
AZ31 镁合金轧制箔材的尺寸效应，试验结果表明在拉伸实验中，材料抗拉强度和延伸率都随着试样厚度的降低而降低.
对于箔板而言，由于材料很快发生断裂，延伸率都很小，因此研究主要集中在尺寸效应对强度的影响方面，主要表现为“越小越强”.Espinosa等[7]通过单向拉伸试验研究了不同厚度的铜薄膜的尺寸效应，实验结果表明：当薄膜的厚度由2.775
μm减小到0.265 μm时，屈服强度增大了将近3倍.张广平等[8]采用聚焦离子束
在轧制的不锈钢薄膜上加工了不同厚度(约1.6～17 μm)的微悬臂梁试样，利用静
态及动态弯曲加载研究了微米尺寸材料的形变与疲劳开裂行为，实验结果表明材料的屈服强度随薄膜厚度的减小而升高.Raulea等[9]采用三点弯曲的方法研究了Al
2S薄板尺寸效应，当N小于 1 时，N越小，屈服强度和抗拉强度反而越高.周健
等[10- 12]通过基于CCD测量的单向拉伸试验研究了厚度为 20～100 μm 的轧制黄铜箔和厚度为20～320 μm 的轧制纯铜箔的尺寸效应，试验结果表明：在N接近4时，随着厚度的减小，屈服强度开始变化不大，当试样厚度继续减小至60
μm以下时，屈服强度反而快速上升.孟庆当等[13]通过单向拉伸试验研究了10～
200 μm厚的SS304不锈钢薄板的尺寸效应，试验结果显示，对于不同厚度板料，屈服强度随板料的减薄而增加，并认为由于薄板的表层有一层韧性钝化膜，故会提高材料的屈服强度，随着板料厚度的减小，表面层所占比例越大，对屈服强度提升的作用就越大.
针对上述的尺寸效应现象，传统的材料模型已不再适用，因此建立微尺度下描述材料力与变形之间的本构关系尤为重要.Kals等[14]提出了表面层模型来解释材料流
动应力随零件尺寸的减小而降低的现象.Peng等[15]基于表面层模型提出了一种混合本构模型，用来描述尺寸效应影响的材料的变形行为.近10年来，为解释材料在微米尺度下的尺寸效应现象，应变梯度理论发展尤为迅速，较为典型的有CS (偶
应力)应变梯度塑性理论、SRG(拉伸与旋转)应变梯度塑性理论和MSG(基于机理)
应变塑性理论[16- 20].Chan等[4]运用等应变模型和表面层模型描述了尺寸效应对纯铜变形行为的影响规律.
尽管目前对于尺寸效应的研究已经相当广泛而深入，但并没有合适的模型描述基本力学性能参数与尺寸效应之间的关系.文中主要结合数字图像相关性(DIC)方法，通过对退火T2紫铜薄板的单向拉伸试验，考察了尺寸参数(试样厚度、晶粒尺寸)对
力学性能参数(屈服强度、抗拉强度、最大均匀应变和断裂应变)的影响规律.
1.1 试验材料与试样制备
本研究以T2紫铜为研究对象，其厚度为0.1～1.0 mm，试样几何尺寸如图1所示.不同厚度初始坯料在真空条件下，通过450～850 ℃退火，并保温2 h，制成不同晶粒尺寸的试样.晶粒尺寸的测量依据“GB/T 6394—2002 金属平均晶粒度测定方法”，按比较法对各试样晶粒度进行评定，晶粒度评级完成后，参照标准评级系列图，获得晶粒的近似尺寸.不同厚度试样经不同退火温度后的晶粒尺寸如表1所示.图2和图3分别为初始材料和450 ℃热处理的不同厚度的紫铜金相图片.
1.2 T2紫铜的拉伸试验
不同厚度和不同晶粒尺寸的紫铜试样在常温下的单向拉伸试验在万能试验机上进行.需要注意的是，薄料(0.1和0.2 mm)的紫铜试样由于太薄，其
拉伸试验在岛津AG-500N拉伸机上进行；同时由于试样很快产生断裂，为了获得更多的试验数据，拉伸速度设为1 mm/min.厚料(0.4、0.6、0.8和1.0 mm)试样
的单向拉伸试验在岛津AG-100KN拉伸机上进行，拉伸速度设为2 mm/min.拉
伸机的采样周期为0.1 s.试验过程中材料的变形则通过Nikon D90单反相机进行
记录，采样周期为2 s，并通过DIC方法计算全场应变.应变采用Ncorr软件进行
计算[21]，主要参数为：子域半径、子域间隔和应变平滑半径分别设为21、1和5个像素.单向拉伸试验平台和不同热处理温度下不同厚度的紫铜薄板的工程应力-工程应变曲线分别如图4和图5所示.由图5可知，由于拉伸试样厚度和晶粒尺寸不
同而导致的尺寸效应对退火T2紫铜的强度和变形都有很大的影响.
不同厚度紫铜试样的屈服强度和抗拉强度与晶粒尺寸之间的关系分别如图6和图7所示.由图6可知，相同厚度材料的屈服强度总体上都呈现出随着晶粒尺寸的增大
而减小的趋势；而当材料晶粒尺寸相同时，薄料和厚料表现出明显的强度差，薄料的屈服强度远高于厚料的屈服强度，且呈现出随着晶粒尺寸减小，强度差逐渐增大的趋势.晶粒尺寸从300 μm减小到50 μm时，薄料和厚料的平均屈服强度差从约30 MPa增大到约60 MPa，约增加了1倍.
由图7可知，与屈服强度的变化趋势类似，相同厚度材料的抗拉强度总体上也呈
现出随着晶粒尺寸的增大而减小的趋势,体现出细晶强化的效果.材料厚度对T2紫
铜的抗拉强度的影响则呈现典型的“越小越弱”的特点，即当材料晶粒尺寸相同时，抗拉强度随着材料厚度的减小而减小.不同厚度材料的抗拉强度存在明显的强度差，随着晶粒尺寸的减小，强度差逐渐减小.晶粒尺寸从300 μm减小到50 μm时，0.1 mm薄料和1.0 mm厚料的平均抗拉强度差从约78 MPa减小到约42 MPa，降幅约达到46%.
综上所述，材料厚度和晶粒尺寸都会对退火T2紫铜的屈服强度和抗拉强度产生很大的影响.为此，进一步考察了屈服强度和抗拉强度与厚度晶粒尺寸比N之间的关系，分别如图8和图9所示.由图8可知，在试样厚度不变的情况下，T2紫铜的屈服强度与N呈近似线性关系，屈服强度随着N的增大而增大.值得注意的是，薄料屈服强度与N之间的斜率明显要大于厚料，材料厚度对厚料的屈服强度与N之间的斜率的影响不大，薄料随着厚度的减小，其斜率逐渐增大，这与文献[12]对紫铜箔屈服强度的研究结果一致.
由图9可知，当N≤10时，抗拉强度与N之间的关系总体上呈指数关系，即尺寸效应对T2紫铜的抗拉强度的影响非常明显.当N>10时，抗拉强度并没有随着N 的增大而发生明显的变化，这与常用的宏观材料几乎不考虑尺寸效应的常识相一致.根据这个特点，抗拉强度与N之间的关系可以用下面的公式很好地描述:
σb=106.87+100.53×[1-exp(-0.84N)].
进一步考察可以发现，相同厚度下材料的抗拉强度与N之间呈近似线性关系，这和屈服强度与N之间的关系类似，即随着材料厚度的增加，抗拉强度与N之间的斜率逐渐变小，同时，材料厚度对薄料的抗拉强度与N之间的斜率的影响远大于厚料.
尺寸效应除了影响材料的强度，还会影响材料的变形和断裂.由于DIC方法可以计算得到单向拉伸试验整个过程中的全场变形，因此可以考察尺寸效应与拉伸过程中的最大均匀应变、断裂应变之间的关系.最大均匀应变为抗拉强度处所对应的真实应变，断裂应变则取断裂前最后一幅图像上在局部颈缩区域的平均真实应变.
图10和图11分别为不同厚度的T2紫铜的最大均匀应变和断裂应变与晶粒尺寸的关系.由图可知，尺寸效应对最大均匀应变和断裂应变的影响规律基本一致.厚度相同时，T2紫铜的最大均匀应变和断裂应变均随着晶粒尺寸的增大而减小；0.1
mm厚的试样，当晶粒尺寸从50 μm增加到300 μm时，最大均匀应变和断裂应变分别从0.094和0.100下降为0.028和0.054，降幅均超过45%.1.0 mm厚的
试样，当晶粒尺寸从53 μm增加到440 μm时，最大均匀应变和断裂应变分别从0.298和0.457下降为0.147和0.273，降幅均超过40%.
晶粒尺寸相同时，最大均匀应变和断裂应变均随着厚度的增大而增大.晶粒尺寸为50 μm左右，试样厚度从0.1 mm增大到1.0 mm时，最大均匀应变和断裂应变
分别从0.094和0.100增大到0.298和0.457，增幅分别达到2.2和3.6倍.
最大均匀应变和断裂应变与N的关系分别如图12和图13所示.由图可知，最大均匀应变和断裂应变与N之间的关系和抗拉强度与N之间的关系类似，总体上也呈指数关系，当N>10时，最大均匀应变和断裂应变基本保持为常数，不再随着N
的增大而发生明显的变化.拟合后的最大均匀应变和断裂应变与N的关系分别为
εM=0.030+0.282×[1-exp(-0.298N)]，
εf=0.038+0.456×[1-exp(-0.313N)].
综上所述，退火T2紫铜的抗拉强度、最大均匀应变和断裂应变与N之间的关系可以用下面的公式统一描述：
y=y0+ysat[1-exp(-n0N)].其中,y为抗拉强度、最大均匀应变或断裂应变，y0、ysat和n0为常数.由于N>0，该指数关系表明：随着N的变化，退火T2紫铜的
抗拉强度、最大均匀应变和断裂应变在(y0,y0+ysat]之间变化.因此，y0和ysat分别表示相应的力学性能参数所能取得的最小值及其最大增量.n0则表示相应力学性能参数随着N的变化速率，n0越大意味着相应的参数随着N变大而增加越快，
更容易达到饱和状态.需要注意的是，由于试验条件和试验数据点的限制，上述公
式对于超薄材料(厚度小于0.1 mm)以及当N 很小(N<1)时不一定适用，对其他材料的适用性也需要进一步考察.
通过对不同厚度的T2紫铜薄板在3种不同温度下的热处理，获得不同的晶粒尺寸，
并对0.1～1.0 mm之间6种厚度的紫铜薄板进行单向拉伸试验，获得了尺寸效应分别对屈服强度、抗拉强度、最大均匀应变和断裂应变的影响规律，主要获得了以下结论：
(1)相同厚度材料的屈服强度和抗拉强度体现为传统的细晶强化效果；而晶粒尺寸相同时，不同厚度材料的屈服强度和抗拉强度均表现出明显的强度差，且屈服强度差随着晶粒尺寸的减小而增大，而抗拉强度差则随着晶粒尺寸的减小而减小. (2)尺寸效应对最大均匀应变和断裂应变的影响规律基本一致.厚度相同时，最大均匀应变和断裂应变均随着晶粒尺寸的增大而减小；晶粒尺寸相同时，最大均匀应变和断裂应变均随着厚度的增大而增大.
(3)抗拉强度、最大均匀应变和断裂应变与厚度晶粒尺寸比N总体上呈指数关系，可以通过公式很好地描述.当N≤10时，抗拉强度、最大均匀应变和断裂应变随着N的增加而快速增加；当N<10时均表现为饱和状态，即不再随着N的增大而变化.
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金属材料的拉伸、压缩实验指导书 张雅琴编 北京化工大学
目录实验一金属材料的拉伸实验 实验二金属材料的压缩实验
实验一金属材料的拉伸实验 金属材料的拉伸实验是研究金属材料力学性能的最基本的实验。方法简单，数据可靠，一些工矿企业、研究所一般都用此类方法对金属材料进行出厂检验或进厂复检，用测得的各项指标来评定材质和进行强度、刚度计算。因此，对金属材料进行轴向拉伸实验具有工程实际意义。 不同材料在轴向拉伸过程中会表现出不同的力学性质和现象。低碳钢和铸铁分别是典型的塑性材料和脆性材料。低碳钢材料具有良好的塑性，在拉伸实验中的弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段尤为明显和清楚。铸铁材料受拉时处于脆性状态，其破坏是由拉应力拉断。 金属材料拉伸实验是指在室温条件下，将缓慢施加的单向拉伸载荷作用于表面光滑的拉伸试件上，来测定材料力学拉伸性能的方法。最常用拉伸试件的形状和尺寸如图1-1所示。 (a) (b) 图1-1 (a) 圆形试样(b) 矩形试样 若采用光滑圆柱试件，试件的标矩长度L 0比直径d 要大的多;通常L >5d ,以使试件横 截面上的应力均匀地分布,实现轴向均匀加载.试件做成圆柱形是便于测量径向应变,试件的加工也比较简单。当测量板材拉伸性能和带材的拉伸性能时,也可以采用板状试件，如图 1-1(b)所示。但试件的标矩长度L 0应满足下列关系：L =5.65A 或11.3 A ；其中A 为试件 的初始横截面积。 上式中的规定对应于圆柱试件中的L 0=5d ，L =10 d 。拉伸试件的几何形状，尺寸及允 许的加工误差，在国家标准GB228—2002中作了相应的规定。金属材料拉伸实验是材料的力学性能实验中最基本最重要的实验,是工程上广泛使用的测定力学性能的方法之一。
金属材料的力学性能 任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。这种能力就是材料的力学性能。金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标。 钢材力学性能是保证钢材最终使用性能（机械性能）的重要指标，它取决于钢的化学成分和热处理制度。在钢管标准中，根据不同的使用要求，规定了拉伸性能（抗拉强度、屈服强度或屈服点、伸长率）以及硬度、韧性指标，还有用户要求的高、低温性能等。 金属材料的机械性能 1、弹性和塑性： 弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。力和变形同时存在、同时消失。如弹簧：弹簧靠弹性工作。 塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。（金属之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。 塑性变形：在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。 2、强度：是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，单位为MPa。 工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。 拉伸图：金属材料在拉伸过程中弹性变形、塑性变形直到断裂的全部力学性能可用拉伸图形象地表示出来。 材料在常温、静载作用下的宏观力学性能。是确定各种工程设计参数的主要依据。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，并可同时测定材料的应力-应变曲线。 对于韧性材料，有弹性和塑性两个阶段。弹性阶段的力学性能有： 比例极限：应力与应变保持成正比关系的应力最高限。当应力小于或等于比例极限时，应力与应变满足胡克定律，即应力与应变成正比。 弹性极限：弹性阶段的应力最高限。在弹性阶段，载荷除去后，变形全部消失。这一阶段的变形称为弹性变形。绝大多数工程材料的比例极限与弹性极限极为接近，因而可近似认为在全部弹性阶段应力和应变均满足胡克定律。塑性阶段的力学性能有： 屈服强度：材料发生屈服时的应力值。又称屈服极限。屈服时应力不增加但应变会继续增加。 屈服点：具有屈服现象的金属材料，试样在拉伸过程中力不增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力，称屈服点。若力发生下降时，则应区分上、下屈服点。屈服点的单位为N/mm2（MPa）。 上屈服点（Re H）：试样发生屈服而力首次下降前的最大应力； 下屈服点（Re L）：当不计初始瞬时效应时，屈服阶段中的最小应力。 条件屈服强度：某些无明显屈服阶段的材料，规定产生一定塑性应变量（例如0.2％）时的应力值，作为条件屈服强度。应力超过屈服强度后再卸载，弹性变形将全部消失，但仍残留部分不可消失的变形，称为永久变形或塑性变形。 规定非比例延伸强度（Rp）：非比例延伸率等于规定
材料的力学性能研究及其影响因素 材料的力学性能是描述材料在受力时表现出的特性的一组参数，包括材料的弹 性模量、屈服强度、断裂韧性等。这些性能参数对于材料的实际应用至关重要，因为它们直接决定了材料在各种受力情况下的表现。 材料的力学性能研究包括对不同材料的分析和测试，通过实验和理论模拟来获 得各种性能参数，以便更好地了解材料的性能和应用范围。同时，研究材料的力学性能还可以揭示材料内部结构、力学响应的本质，为新材料的设计和开发提供重要的指导。 材料的力学性能通常受到以下几个因素的影响： 1.材料的成分和结构 材料的成分和结构是影响其力学性能的重要因素。例如，两种不同成分的合金，即使它们有相似的外观和密度，它们的强度和韧性也可能存在很大的差异；同样的，多孔材料和致密材料之间也会有很大的力学性能差异。这是因为不同的成分和结构决定了微观的物理属性和分子间作用力，从而影响了材料的力学表现。 2.应力状态和应变率 除了材料的成分和结构外，应力状态和应变率也是影响材料力学性能的因素。 不同的应力状态和应变率可能会导致材料的强度和韧性出现很大的变化。例如，在拉伸和压缩试验中，材料的强度和韧性可能存在较大的差异；同时，在高速冲击和慢变形等不同的应变率下，材料的力学表现也会发生很大的变化。 3.温度和湿度 温度和湿度也是对材料力学性能影响的重要因素。在不同的温度和湿度下，材 料的分子间相互作用会发生变化，从而导致其力学性能发生变化。例如，在高温下，
材料可能会发生塑性流动而导致变形；同样，在高湿度条件下，材料可能会受到潮解或腐蚀而导致其强度和韧性发生变化。 4.制备和处理方法 材料的制备和处理方法也可能会对其力学性能产生影响。例如，同样的材料制备方法可能导致不同的晶体结构和微观组织，从而影响材料的力学性能；同样的，加工方法的不同也可能导致材料的力学性能发生变化。 总的来说，材料的力学性能是描述材料在受力时表现出的特性的一组参数，它们受到材料的成分和结构、应力状态和应变率、温度和湿度以及制备和处理方法的影响。深入研究材料的力学性能，对于优化材料的设计和开发以及推动材料科学的发展有着重要的作用。
金属材料晶粒尺寸对力学性能的影响研究 第一章引言 金属材料的晶粒尺寸是金属材料微观结构的基本组成单位之一，对金属材料的力学性能、物理化学性质和加工性能等具有重要的 影响。随着金属材料制备和表征技术的不断发展，对晶粒尺寸对 金属材料力学性能影响的研究也不断深入。本文旨在对晶粒尺寸 对金属材料力学性能的影响进行深入探讨。 第二章晶粒尺寸对材料力学性能的影响 1. 晶界强化效应 晶界是晶粒边界处的一层非晶质层，晶界的存在能够抑制位错 的滑移及吸收位错等，从而提高材料的强度和韧性。 2. 晶粒尺寸对材料弹性模量的影响 晶粒尺寸的减小会使材料的弹性模量降低，因为晶界对位错的 截断作用会导致材料弹性模量的减小。 3. 晶粒尺寸对材料的屈服点的影响 晶粒尺寸的减小会使材料的屈服点降低，因为晶界对位错的截 断作用能够增加材料形变时的应力。 第三章晶粒尺寸控制方法
1. 机械加工法 通过钢球磨研或轧制等机械加工方法来减小晶粒尺寸。 2. 晶界工程法 通过合理的热处理工艺，使材料晶界数目增加或晶粒尺寸变小，从而来改善材料的力学性能。 3. 化学处理法 通过控制材料的成分，来实现晶粒尺寸的控制。 第四章晶粒尺寸对金属材料力学性能的应用案例 1. 纳米晶高强度钢的应用 通过采用机械力学加工和热处理工艺，制备出晶粒尺寸约为 5~20nm的纳米晶高强度钢，取得了较高的强度和韧性。 2. 筛孔铝材的应用 通过优化热处理工艺和控制其成分，制备出小晶粒尺寸的筛孔 铝材，具有优异的拉伸和扭转性能。 第五章结论与展望 通过对晶粒尺寸对金属材料力学性能的影响进行深入探讨，可 以看出晶粒尺寸对金属材料的力学性能具有一定的影响，实现晶 粒尺寸的可控性对材料的力学性能有着重要的意义。未来，将会
力学性能测试中各因素的影响 金属力学性能试验方法是检测和评定金属材料产品质量的重要手段之一。其中拉伸试验则是应用最广泛的力学性能试验方法。拉伸试验过程中的各项强度和塑性性能指标是反映金属材料力学性能的重要参数。结合国家标准、工作中出现的问题及查阅相关资料，现对影响拉伸试验结果准确度的因素，如试样的形状、尺寸、表面加工精度、加载速度、夹持器具及周围环境等做一次总结。 1样品的制备 1. 1样品制备对拉伸曲线和测试数据有影响 样品制备是很关键，准确的制样是获得准确实验数据的前提，GB /T2975 – 1998和GB/T 228.1-2010对试样的取材、形状、尺寸、加工精度和方法等都作了统一的规定。实际工作中，对于板材和管材的试样是平板和圆管弧板带肩试样，一是制样时一般采用铣削加工，在过渡圆处会停止进刀，如果最后一刀给尽量较大，在加工抗力的作用下，使平行段铣削时就有较多的让刀，到达过渡圆弧与平行段衔接处的截面积减小;二是过渡圆有应力集中的影响，拉伸中试样的标距外部分先进入屈服状态。对于圆管弧板带肩试样在夹紧时，展平夹紧部分使得试样产生弯曲应力，其最大值集中在过渡圆处，拉伸时也会产生曲线异常的现象，会影响测试数据。 1. 2样品制备要求 首先，根据要检验样品，按GB /T228.1 - 2010制备标准样品。国家标准对试样的取材、形状、尺寸、加工精度、试验的手段和方法以及数据的处理等都作了统一的规定。其次，对破坏性试验，如材料强度指标的测定，考虑到材料质地的不均匀性，为使实验结果能相互比较，获得准确可靠的数据，应制备多个试样，得出材料的性能指标，然后综合评定结果，对非破坏性试验，试样弹性模量、变形量等的测定，因为要借助于变形放大仪表，为减小测量系统引入的误差，一般也要采用多次重复，然后综合评定结果。第三，样品制备时，应尽量使过渡圆衔接处面积相等，提高加工精度，修磨光滑，不要有加工刀痕，减小应力集中，以减少试验结果误差。 2拉伸速度对试验结果的影响及控制要求 2. 1拉伸速度的影响 拉伸速度不仅对测试数据有影响，对拉伸曲线的形貌也有影响。板状拉伸试样拉伸时，会出现这种情况，其拉伸曲线在上屈服点处不是先沿弹性曲线向上到达上屈服点，然后再向下进入屈服过程，而是出现在沿弹性直线向上到达下屈服点时，曲线先向左、向上、再向右、向下画圈，最后进入屈服流动过程的现象。试样在被拉伸到屈服极限附近时，在引伸计标距范围内突然出现拉伸力几乎不变，引伸计测得的变形出现回弹，而不是快速增加这样的拉伸曲线现象，主要原因是:试样在被拉伸到屈服极限附近
微纳米尺度下材料力学与性能研究 微纳米尺度下材料力学与性能研究是材料科学领域的一个重要研究方向。随着科技的进步，人们对于材料的要求越来越高，需要更加深入地了解材料在微观尺度下的力学行为和性能特征。在微纳米尺度下材料力学与性能研究中，主要涉及到材料的力学行为、材料的力学性能、材料的力学机制等方面。 首先，微纳米尺度下材料力学与性能研究关注材料的力学行为。在微纳米尺度下，材料的力学行为与宏观尺度下是不同的。由于尺寸效应的存在，材料在微纳米尺度下的力学行为表现出明显的尺寸依赖性。例如，材料的弹性模量、硬度、屈服强度等力学性质会随着尺寸的减小而发生变化。因此，研究微纳米尺度下材料的力学行为有助于我们更好地理解材料的力学性质。 其次，微纳米尺度下材料力学与性能研究还关注材料的力学性能。力学性能是指材料在外力作用下的响应和行为，包括强度、韧性、断裂行为等。在微纳米尺度下，材料的力学性能也会受到尺寸效应的影响。通过研究材料在微纳米尺度下的力学性能，可以为材料的设计和应用提供重要的参考。 最后，微纳米尺度下材料力学与性能研究还关注材料的力学机制。力学机制是指材料在受力过程中发生的变形和破坏的过程。在微纳米尺度下，由于材料的尺寸较小，表面效应的影响较大，因此材料的力学机制也会发生变化。通过研究微纳米尺度下材料的力学机制，可以深入了解材料的变形和破坏机理，从而为材料的设计和应用提供理论依据。 微纳米尺度下材料力学与性能研究在材料科学领域具有重要意义。它不仅可以揭示材料的微观力学行为和性能特征，还可以
为材料的设计和应用提供理论指导。随着科技的不断发展，微纳米尺度下材料力学与性能研究将进一步深入，并在材料领域的发展中发挥重要作用。
Sn-Sb-Cu-Ni焊料和焊点在低温条件下组织和性能研究陈海燕;曾键波;谢羽;路美秀;牛艳;李霞 【摘要】为保证Sn-Sb-Cu-Ni合金及焊点在低温环境下使用可靠性,将SnSb 4.5CuNi合金焊料和焊点在25,-10,-20,-60℃恒温环境中进行储存565天后,考察了不同温度下SnSb 4.5CuNi合金微观组织形貌、物相、密度、电导率、抗拉强度和塑性的变化,通过纳米压痕法测量SnSb 4.5CuNi/Cu焊点界面过渡层Cu6Sn5金属间化合物(IMC)的硬度和弹性模量,对焊接接头进行抗拉强度、剪切强度和低周疲劳测试.结果表明:合金主要由SbSn和β-Sn组成,低温处理565天后合金组织形貌逐渐转变为树枝状组织,焊料合金的密度和电导率均随温度降低而升高,表明经低温储存后合金没有发生灰锡转变,但脆性SbSn相析出量的增多和枝晶组织致使铸态合金的拉伸强度降低,增加了合金脆断风险;随着温度的下降,焊接界面IMC层的弹性模量和硬度增大,焊件拉伸破坏模式从焊料内部转为IMC层,断口越趋平整,焊件的抗拉强度、抗剪强度下降,呈现了低温脆性断裂的倾向. 【期刊名称】《材料工程》 【年(卷),期】2015(043)011 【总页数】8页(P57-64) 【关键词】无铅焊料;显微组织;低温脆性;纳米压痕测试;低周疲劳 【作者】陈海燕;曾键波;谢羽;路美秀;牛艳;李霞 【作者单位】广东工业大学材料与能源学院,广州510006;广东工业大学材料与能源学院,广州510006;广州帝特电子科技有限公司,广州510545;广东外语外贸大学
思科信息学院,广州510006;广东工业大学材料与能源学院,广州510006;广东石油 化工学院化工与环境工程学院,广东茂名525000 【正文语种】中文 【中图分类】TG425.2 无铅焊料SnSbCuNi系合金为一种新开发的钎料，在钎焊过程中具有优良的润湿性，焊接接头的抗拉强度和抗剪强度较大，含Sb元素3%～6%的范围内，合金的熔点随Sb含量的增多而上升，熔点为234.5～238.0℃，常温下SnSbCuNi合金 具有稳定的物理特性和优良的力学性能，可广泛应用于双面电路板SMT组装时二次回流焊工艺[1-3]。目前无铅焊料合金可靠性研究主要集中于常温和高温条件， 在寒冷条件下遇到的可靠性问题鲜有报道。在整个物流过程中的传送、存储和使用过程中，焊料和对应的电子产品常常要遭遇低温环境，如黑龙江、内蒙古、青海西部及新疆北部局部地区冬季气温有可能低于-40℃。温度是影响金属材料和工程结构断裂方式的重要因素之一,许多断裂事故发生在低温[4]，锡以及锡合金在低温环 境下发生性能变化主要有两方面原因：发生了低温锡相变[5,6]或低温脆性[7]。当 锡或锡合金冷却到13.2℃以下，β-Sn会缓慢地转变为α-Sn，α-Sn的晶格结构和Si一样，因此它是一种半导体而不是金属，并具有本征脆性，同时β向α相转变 过程有26%～27%的体积膨胀，导致电子产品产生裂纹，最终完全粉碎。有报道 称Sb元素可以抑制灰锡相变，或者会把相变开始的温度降至很低[8]。常温下，金属材料在常温条件下原子的结合较疏松，弹性好，金属能吸收较多的外部冲击能量，在低温情况下原子结合得较紧密，由于弹性差只能吸收极少的外来能量，材料因其原子周围的自由电子活动能力和“黏结力”减弱而呈现脆性。因此在高寒环境下使用，SnSbCuNi焊料和焊点发生性能恶化的风险较大，为保证合金焊料在低温环 境下使用可靠性，本工作研究了SnSb4.5CuNi焊料和焊点在低温条件下(-10～-
拉伸强度与弯曲强度的关系及弯曲强度尺寸效应 随着结构材料的不断发展，拉伸强度和弯曲强度具有重要的工程意义，它们是研究材料力学性能的两个基本指标。拉伸强度是指材料在拉伸力作用下到达屈服状态前受力能力，弯曲强度是指材料在弯曲力作用下到达屈服状态前受力能力。拉伸强度和弯曲强度的关系至关重要，它可以为材料的研究和分析提供重要的参考数据。 拉伸强度和弯曲强度的关系可以由理论和实验来确定。由于被测材料的弯曲强度受材料的尺寸效应影响，因此在确定拉伸强度和弯曲强度的关系时需要考虑材料的尺寸效应。尺寸效应是指材料的总变形在指定试样尺寸内受其尺寸的影响。在实验中，如果不考虑材料的尺寸效应，则得出的拉伸强度和弯曲强度之间的关系是准确的，而在实际中，如果考虑尺寸效应，则拉伸强度和弯曲强度之间的关系会有所不同。 在实验中，可以通过采用不同尺寸的试样，并对试样进行拉伸和弯曲实验，来考察材料的尺寸效应。一般情况下，随着测试样品的尺寸减小，材料的拉伸强度会显著下降，而弯曲强度仅会比拉伸强度略低，因此弯曲强度小于拉伸强度，可以说是一种尺寸效应。 为了更好地了解拉伸强度和弯曲强度之间的关系，研究人员还研究了其他一些参数。一些研究表明，材料的拉伸强度与弯曲强度之间存在一定的关系，例如，当应力增加时，材料的拉伸强度和弯曲强度会相应增加，而当应变增加时，材料的拉伸强度和弯曲强度会相应减小。此外，研究还发现，材料的尺寸对拉伸强度和弯曲强度也有影响，
尺寸越小，材料的拉伸强度和弯曲强度都会减小。 因此，拉伸强度和弯曲强度之间存在一定的关系，并且受尺寸效应的影响。研究结果表明，材料的尺寸越小，拉伸强度和弯曲强度之间的关系也越明显，而且材料的尺寸越小，其承受拉伸和弯曲力能力也越低。因此，在工程实践中，应该考虑尺寸效应，以确保材料的使用安全可靠。 综上所述，拉伸强度与弯曲强度的关系及弯曲强度尺寸效应具有重要的工程意义，通过研究材料的拉伸强度和弯曲强度之间的关系，可以为材料的研究和分析提供参考数据，同时还要注意材料的尺寸效应，以保证材料的使用安全可靠。
材料 学性能实院系：材料学院姓名：王丽朦学号：200767027 验报力告 实验目的： 通过拉伸试验掌握测量屈服强度，断裂强度，试样伸长率，界面收缩率的方法；通过缺口拉伸试验来测试缺口对工件性能的相关影响； 通过冲击试验来测量材料的冲击韧性； 综合各项试验结果，来分析工件的各项性能； 通过本实验来验证材料力学性能课程中的相关结论，同时巩固知识点，进一步深刻理解相关知识； 实验原理： 1)屈服强度 金属材料拉伸试验时产生的屈服现象是其开始产生宏观的塑性变形的一种标志。弹性变形阶段向塑性变形阶段的过渡，表现在试验过程中的现象为，外力不增加即保持恒定试样仍能继续伸长，或外力增加到某一数值是突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形，这便是屈服现象。呈现屈服现象的金属材料拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长时的应力称为屈服点，记作σs； 屈服现象与三个因素有关：(1)材料变形前可动位错密度很小或虽有大量位错但被钉扎住，如钢中的位错为杂质原子或第二相质点所钉扎；(2)随塑性变形发生，位错快速增殖；(3)位错运动速率与外加应力有强烈的依存关系。影响屈服强度的因素有很多，大致可分为内因和外因。 内因包括：金属本性及晶格类型的影响；晶界大小和亚结构的影响；还有溶质元素和第二相的影响等等。通过对内因的分析可表征，金属微量塑性变形抗力的屈服强度是一个对成分、组织极为敏感的力学性能指标，受许多内在因素的影响，改变合金成分或热处理工艺都可使屈服强度产生明显变化。 外因包括：温度、应变速率和应力状态等等。总之，金属材料的屈服强度即受各种内在因素的影响，又因外在条件不同而变化，因而可以根据人们的要求予以改变，这在机件设计、选材、拟订加工工艺和使用时都必须考虑到。 2)缺口效应 由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的“缺口效应”，从而影响金属材料的力学性能。 缺口的第一个效应是引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态，使缺口试样或机件所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态，也就是出现了σx（平面应力状态）或σy与σz（平面应变状态），这要视板厚或直径而定。
材料的尺度效应研究 随着科技的进步和发展，越来越多的新材料被广泛应用于各行各业。其中，对 材料的尺度效应研究引起了广泛的关注。材料的尺度效应是指材料的性质在尺度变化的过程中发生变化的现象。在不同的尺度下，材料的性能表现出不同的特点，这对于材料的设计、制备和应用都具有重要的意义。 首先，我们来探讨材料尺度效应之纳米尺度效应。纳米尺度是指材料的尺寸在 微米以下，常常是纳米级别的尺度。在纳米尺度下，材料的表面积相较于体积相对较大，这导致了许多特殊的性质出现。例如，纳米材料的导电性能、磁性能等都会发生明显的变化。此外，纳米材料在光学、光电、传感等领域也具有广泛的应用前景。对纳米材料的研究旨在揭示其特殊性质背后的原理，并且通过控制纳米尺度下的结构和形貌来调控材料的性能。 而在宏观尺度下，材料的性质也会发生变化，从而产生宏观尺度效应。这种效 应主要涉及宏观尺寸对材料结构和性能的影响。例如，材料的力学性能会随着尺寸的增加而改变，而薄膜材料在宏观尺度下可能表现出与传统材料不同的性质。此外，在宏观尺度下，材料的热传导、电导等性质也会受到尺寸效应的影响。因此，研究材料的宏观尺度效应对于优化材料性能，提高材料的可控性具有重要意义。 此外，还有一种尺度效应值得关注，即介于纳米尺度和宏观尺度之间的微观尺 度效应。在微观尺度下，材料的内部结构和组织对其性能具有重要的影响。例如，材料的晶粒尺寸、晶界结构等都会影响材料的强度、硬度和韧性等力学性能。通过控制微观尺度下的材料组织和结构，可以实现材料性能的定向调控，从而满足不同应用的需求。 总结起来，材料的尺度效应是材料科学研究中一个重要的领域。在不同尺度下，材料的性质和行为都会发生变化，这为我们优化材料设计、提高材料性能、创造出更为先进的材料提供了新的思路和途径。因此，深入研究材料的尺度效应对于推动
薄膜材料的力学性能研究 薄膜材料作为一种重要的材料形式，在许多领域具有广泛的应用。其独特的性 能使得它在电子器件、光学器件、传感器等领域扮演着重要的角色。而要了解薄膜材料的性能，其中力学性能的研究是不可或缺的。 首先，我们需要明确薄膜材料的力学性能究竟包括哪些方面。在研究力学性能时，我们通常关注弹性模量、屈服强度、断裂韧性等参数。这些参数可以帮助我们衡量材料的强度、应变能力以及断裂行为。 对于薄膜材料的力学性能研究，一种常用的方法是利用压痕试验。通过在薄膜 表面施加压力，测量应变与载荷之间的关系，可以得到材料的硬度和弹性模量。这些数据可以帮助我们评估材料的强度和变形能力。 然而，薄膜材料的力学性能研究远不止于此。近年来，随着纳米技术的发展， 人们越来越注重研究薄膜材料的纳米力学性能。一方面，纳米尺度下材料的力学行为与宏观尺度存在巨大差异，了解纳米力学性能可以帮助我们更好地设计纳米器件。另一方面，纳米力学性能的研究也有助于解决纳米材料在应用中面临的问题，例如薄膜剥离、界面剪切等。 为了研究纳米力学性能，科学家们采用了各种先进的实验技术和理论模型。原 子力显微镜（AFM）是一种常用的实验工具，可以直接在纳米尺度下测量材料的 力学行为。通过在纳米尺度下进行压痕试验，可以揭示材料的硬度、弹性模量以及纳米级别的塑性变形行为。 此外，分子动力学模拟也是研究纳米力学性能的重要手段。通过模拟材料中原 子之间的相互作用，可以精确地预测材料的力学行为。分子动力学模拟可以帮助我们理解纳米材料的变形机制，如何改善材料的力学性能。 当然，力学性能的研究不仅仅局限于材料本身，还与材料的制备和工艺有密切 的关系。例如，薄膜材料的制备方法会影响其晶体结构和晶界分布，从而影响材料
金属材料的力学性能研究和优化 随着现代科技的发展，金属材料在各个领域中都有着广泛的应用。由于金属材 料在使用过程中必须承受各种不同的力学作用，其力学性能的研究和优化成为了不可忽视的问题。本文将从力学性能的定义、研究方法以及优化措施等多个方面进行探讨。 一、力学性能的定义与分类 力学性能一般包括三个方面，即强度、韧性和硬度。其中强度指材料在正应力 的作用下抵抗断裂的能力，韧性指材料在受力过程中具有一定的延性和变形能力，硬度指材料表面对刮擦和压力的抵抗能力。不同的材料因其成分、结构和工艺等方面的差异，其力学性能也有所不同。根据材料的力学性能分类，可以分为普通材料、高强材料、高韧材料和高硬材料四种。 普通材料一般具有较为平衡的力学性能，适用范围广泛。高强材料的强度较高，但韧性相对较差，适用于强度要求高、要求刚性的场合。高韧材料的韧性较高，但强度相对较低，适用于多变形、冲击加工等工艺的领域。高硬材料的硬度很高，但韧性和强度相对较差，适用于抵抗磨损、抗压等领域。 二、力学性能的研究方法 力学性能的研究一般从以下几个方面展开：试验分析、数值模拟、结构材料设 计和力学性能评价。 试验分析是力学性能研究的基础，可以通过实验方法得出材料的强度、韧性、 硬度等性能指标。试验分析一般包括拉伸试验、冲击试验、压缩试验、扭转试验等，可获得大量实验数据，进行事后分析研究。 数值模拟是通过计算机仿真达到对力学性能的预测和优化。数值模拟常用的方 法包括有限元法、分子动力学模拟、强度设计和材料力学分析。
结构材料设计是指通过设计、制造出有利于发挥和提高材料性能的形状和结构。结构材料设计可通过一系列的优化方法，如材料混合设计、喷涂涂层设计、微形变工艺等对材料进行改善。 力学性能评价是指对材料的力学性能进行综合评估的过程。综合评价可从材料 的强度、韧性、硬度等性能指标进行评价，也可从恶劣环境下的使用寿命、易损性等方面评价材料的性能。 三、金属材料力学性能的优化措施 金属材料力学性能的优化措施可以从多个方面入手，具体包括提高材料的本质 性能、加工工艺的优化和耐用性的改善等。 提高材料的本质性能可以从改变材料成分、结构、力学性能等多个方面入手。 材料成分的改变可以通过金属合金化等方法进行，可显著提升材料的强度和硬度等性能。结构的改变则需要通过精细微观结构设计等方法来实现，可显著提高材料的韧性和延展性等。 加工工艺的优化可从材料加工、热处理、表面处理等多个方面入手。对于同一 种金属材料，不同的加工工艺会对其力学性能产生较大的差异。加工工艺的优化可达到有效提升材料的强度、韧性和硬度等目的。 耐用性的改善可通过材料防腐蚀、磨损机理与抗磨损材料等方法实现。磨损机 理的研究可为抗磨损材料的开发提供重要的理论基础，可规避材料在使用过程中容易出现的损坏。 总之，力学性能研究与优化是金属材料实用化的重要保障。通过有效的研究与 措施的实施，能够提升金属材料在各个领域中的应用性能，为实现科技进步、促进经济发展做出积极的贡献。
论金属材料力学性能检测的重要性 辽宁大连116600 摘要：改革后，在我国发展的背景下，带动了科学技术水平的进步，推动了 我国各行业领域的进步。金属材料是生产生活中最常用的材料之一，在社会发展 中起着举足轻重的作用。为了满足不同条件下的使用需求，就需要了解不同金属 材料的各项力学性能，而拉伸试验、冲击试验、硬度试验等则是获得这些性能的 有效手段。这些试验的检测结果，可能受取样方向和位置、试样加工工艺、受力 方向、加载速度、温度高低等因素的影响。现通过识别可能影响结果的各种因素，并对其成因、影响程度、解决方法进行分析，力图减小这些因素的影响，确保金 属材料拉伸试验结果的准确性和可靠性。 关键词：金属材料；拉伸试验；检测结果；影响因素 引言 金属材料原有的力学性能，就是人们最为熟知的机械性能，是指金属材料在 受到各种外力作用的影响下对于形变或者是破坏产生抵抗的一种能力，也是各种 金属材料进行不同形状制造和设计的重要依据。通常而言，最为常用的机械性能 指标包括了强度、硬度、冲击、韧性、塑性等各个方面。为了保障金属材料的力 学性能指标符合相关标准的具体要求，并为各种产品的制造提供基础支持，检测 技术也随着技术要求的提高在不断发展变化。检测试样是指在目标检测金属材料 对象中切取合理数量的材料，在经过机床加工又或者是尚未经过机床加工但具备 合格尺寸且满足具体实验工作要求的各种样品的统称。取样和制备工作是否能得 到科学有效的落实将会对金属材料力学性能指标的检测结果产生明显影响。本文 通过研究、探讨金属材料力学性能指标检测过程中试样的取样、制备和验收等各 个环节的操作要点，以便为今后金属材料的力学性能指标检测的试样取样、制备 工作实施优化提供参考。 1金属材料力学性能研究的重要性
金属材料的微观结构与力学性能研究 金属材料是工业和科技领域中不可或缺的基础材料，广泛应用于机械、航空、航天、汽车等领域。金属材料的性能与其微观结构密切相关，因此金属材料的微观结构与力学性能研究成为了一个重要的研究领域。 一、金属材料的微观结构 金属材料一般由金属元素和合金元素组成，其微观结构包括晶粒、晶界、位错和颗粒等。晶粒是指一定范围内晶格结构和晶向相同的晶体区域，晶界是指晶体之间的界面区域，位错是指晶体中的缺陷，颗粒是指金属材料中的非晶态物质或其他物质的微小颗粒。这些微观结构对金属材料的力学性能、物理性能和化学性能都有着重要影响。 二、金属材料的力学性能 金属材料的力学性能是指其在外力作用下的破坏性质和塑性变形能力。破坏性质包括强度、韧性、脆性、断裂韧度等；塑性变形能力包括延展性、收缩性、屈服点等。这些性能与金属材料的微观结构密切相关。例如，晶粒尺寸越小，晶粒界面面积就越大，金属材料的塑性变形能力就越强；位错数量和密度越大，金属材料的强度就越高。 三、金属材料微观结构与力学性能的关系 金属材料的微观结构与力学性能之间存在着复杂的关系。例如，金属材料的强度、韧性和塑性变形能力之间存在着矛盾关系。一般来说，强度越高，韧性和塑性变形能力就越差，反之亦然。晶粒尺寸和晶粒界面的存在对于金属材料的塑性变形有着显著的影响。当晶粒尺寸较小时，晶粒界的数量增加，这会阻碍位错的滑移，使得金属材料更难发生塑性变形。 四、金属材料的微观结构与力学性能研究的方法
现代科学技术已经为金属材料的微观结构与力学性能研究提供了许多先进的方法与手段。例如，透射电镜、扫描电镜、电子背散射衍射等技术可以观察金属材料的微观结构，揭示金属材料中的位错、晶界、晶粒等细节结构。拉伸试验、压缩试验、弯曲试验等力学试验则可以研究金属材料的力学性能。同时，计算机模拟技术和人工智能技术的发展也为金属材料微观结构和力学性能的研究提供了新的途径。 五、结论 金属材料的微观结构与力学性能研究是一个重要的研究领域。在未来的时代，随着金属材料新型材料的开发和新技术的不断涌现，金属材料的微观结构与力学性能研究仍将面临着许多重大挑战。通过不断的深入研究和创新，我们相信这个领域将会给人类带来更加卓越的成就。
材料的尺寸效应 材料的尺寸效应是指材料的尺寸对其性能和行为的影响。在纳米科技领域，材 料的尺寸效应变得越来越重要，因为随着尺寸的减小，材料的性能和特性会发生显著变化。本文将探讨材料的尺寸效应对材料性能的影响，以及纳米材料在各个领域的应用。 首先，材料的尺寸效应对材料的力学性能有着重要影响。当材料的尺寸减小到 纳米尺度时，其晶粒尺寸和晶界的比例会增加，从而导致材料的力学性能发生变化。例如，纳米晶材料的强度和硬度会显著提高，同时塑性和韧性会降低。这是由于纳米尺度下材料的位错运动受到限制，晶界对位错的阻碍作用增强，从而导致材料的强度增加。因此，在纳米材料的设计和制备过程中，需要考虑尺寸效应对材料力学性能的影响，以充分发挥其优越的力学性能。 其次，材料的尺寸效应也对材料的电学性能产生影响。在纳米尺度下，材料的 电子结构和电子传输特性会发生变化。例如，纳米晶材料的载流子密度会增加，电子的运动受到晶界和表面的限制，从而导致材料的电学性能发生变化。这种尺寸效应在纳米电子器件和纳米传感器中得到了广泛的应用，通过精确控制材料的尺寸和结构，可以实现对电学性能的调控，从而提高器件的性能和灵敏度。 另外，材料的尺寸效应还对材料的光学性能产生影响。在纳米尺度下，材料的 光学性能会发生显著变化，如光学吸收、荧光发射、光学透射等。这是由于纳米结构的尺寸和形貌对光的相互作用产生影响，从而影响了材料的光学性能。这种尺寸效应在纳米光子学和纳米光电子学中得到了广泛的应用，通过精确控制材料的尺寸和形貌，可以实现对光学性能的调控，从而实现对光子器件的设计和制备。 综上所述，材料的尺寸效应对材料的性能和行为产生重要影响，尤其在纳米科 技领域。通过深入研究材料的尺寸效应，可以实现对材料性能的调控，从而拓展材料在能源、电子、光电等领域的应用。因此，深入理解和探索材料的尺寸效应对于推动纳米科技的发展具有重要意义。
紫铜带拉伸试验方法 全文共四篇示例，供读者参考 第一篇示例： 紫铜是一种常见的金属材料，具有优良的导电性、导热性和耐腐 蚀性，被广泛应用于各个领域。在工程材料领域，对于材料的力学性 能研究是非常重要的，而其中的拉伸试验是评价材料力学性能的一种 重要方法。紫铜带作为紫铜材料的一种常见形式，在工程中应用广泛，因此对紫铜带的拉伸试验方法的研究具有重要意义。 一、紫铜带拉伸试验方法的意义 紫铜带拉伸试验方法可以用来评价材料的力学性能，如抗拉强度、屈服强度、伸长率等指标。通过拉伸试验可以获取材料的应力-应变曲线，进而了解材料在受力下的变形和破坏行为，为工程设计和材料选 择提供重要参考依据。紫铜带拉伸试验方法还可以用于评估材料的工 艺性能，比如热处理对材料性能的影响等。 1. 样品的制备：首先需要准备符合要求的紫铜带样品。样品应具 有一定的长度和宽度，通常为矩形截面。样品的表面应清洁干净，避 免油污等杂质的污染。 2. 装夹：将紫铜带样品固定在拉力试验机的夹具上，确保样品在 试验过程中受力均匀，避免出现局部应力集中的情况。
3. 开始拉伸试验：根据标准要求设置拉力试验机的参数，如加载速度、试验温度等。开始施加拉力，记录载荷和延伸数据。 4. 结果分析：根据试验数据绘制应力-应变曲线，分析材料的力学性能指标，如抗拉强度、屈服强度、伸长率等。 5. 数据处理：对试验数据进行处理，计算相关力学性能指标的数值，比如材料的弹性模量等。 6. 结论：根据试验结果得出结论，评价材料的力学性能和热处理效果。 1. 样品制备要求严格，确保样品的尺寸和形状满足试验要求。 2. 装夹要牢固，避免样品在试验过程中出现脱落或滑动现象。 3. 拉力试验机的参数设置要合理，避免因试验条件不当导致实验结果不准确。 4. 在进行试验时要注意安全，避免发生意外事故。 四、结语 紫铜带拉伸试验方法是评价材料力学性能的重要手段，对于研究紫铜带材料的性能和工艺具有重要意义。通过对紫铜带拉伸试验方法的研究，可以更好地了解材料的力学性能和工艺性能，为工程实践提供可靠的数据支持。希望本文对您有所帮助。 第二篇示例：
复合材料结构的尺寸效应研究 随着新材料的不断涌现，复合材料因其独特的优异性能在航空航天、汽车、建筑、电子等领域得到广泛应用。然而，相较于传统材料如钢铁、铝合金等，复合材料结构在力学性能、热物性、耐久性等方面表现出大大小小的差异。近年来，人们对复合材料结构的尺寸效应进行了深入研究，探索其内在原因和应用价值。 一、尺寸效应的概念 尺寸效应是指当物体几何尺寸达到某一范围后，其力学性能、热物性、化学特性等各方面表现出与其几何尺寸不成比例的变化趋势。这一效应可由多种因素所引发，如材料微结构尺寸，载荷与结构尺寸比，温度、湿度等环境条件。对于复合材料结构而言，尺寸效应的主要表现为弹性模量、剪切模量和弯曲刚度等力学性能的变化。 二、尺寸效应研究的发展历程 尺寸效应在材料科学中的研究可以追溯至19世纪，当时科学家就已经发现晶体的弹性模量与尺寸有关。20世纪60年代，力学工程的研究者开始对材料尺寸效应进行系统的探讨，发现其与材料成分、制备方法、加载条件等相关。此后，随着先进材料的研究不断深入，尺寸效应的研究也逐渐扩展至复合材料领域。对于复合材料而言，尺寸效应主要在纤维、基体、界面和结构等方面受到影响。 三、尺寸效应的影响因素 1. 纤维尺寸效应 纤维是复合材料的主要组成部分，其性质决定着复合材料的本质特性。当纤维直径小于一定尺寸时，由于表面效应和应力分布的改变，其强度、刚度等力学性能呈现出明显的尺寸效应。此时，薄壁效应会导致纤维直径变薄，而纤维弯曲会使长度发生变化，从而影响整体力学性能。
2. 基体尺寸效应 基体是复合材料中固态部分的基本结构，其强度、刚度等性能也受到尺寸效应的影响。当基体孔隙率占比较大时，其界面组成部分与纤维之间的协同作用受到限制，使得复合材料的强度和韧性会随着尺寸增大而下降。 3. 界面尺寸效应 复合材料中的界面是纤维和基体之间的接触部分，其强度、粘附度等性能会对复合材料的力学特性产生重要影响。尺寸效应在此处可能导致界面上的裂纹和破坏加剧，增加了复合材料的破坏风险。 4. 结构尺寸效应 复合材料的力学性能与结构大小的比率也存在相关性。在扭曲载荷作用下，体积比率较大的复合材料结构可能出现挠曲现象，而小体积比例的结构则容易发生断裂。 四、尺寸效应应用前景 尺寸效应虽然带来了很多复杂的力学问题，但也为材料科学与工程带来了全新的发展契机。在材料制备、设计和优化过程中，尺寸效应的考虑有助于提高复合材料的工效和性能，进一步拓展其应用领域。未来，随着新材料、新制备技术的涌现和尺寸效应研究的不断深入，复合材料结构的效率和可靠性将会得到更加明显的提升。 综上所述，复合材料结构的尺寸效应是一个相对复杂的研究课题，在工程实践中没有一种统一的解决方案。要深入研究各方面因素对尺寸效应的影响，并探索出具有普适性的解决方案，才能更好地推进该领域的发展。
项目名称：材料若干介观性能的表征及其尺度效应首席科学家：孙军西安殳通大学 起止年限: 依托部门：教育部
一、研究内容和课题设置 为实现项目的上述目标，项目总体上需要解决的三个相关科学问题仍然为： (1)热力学参数尺度效应与材料介观性能基本参量表征: 材料介观热/动力学参数尺度依赖性的解析函数表征，包括表面能及其尺寸效应的解析解、表面吸附的影响、对材料相变临界点的影响、介观材料相图及其尺度依赖性和扩散激活能、扩散系数等参数的尺度效应；与表面能等相关的膜体材料介观性能基本参量如硬度/模量/强度/韧性/内应力/电导等的实验测试和表征；膜/基界面的界面应力、结合强度、界面热失配和缺陷特征等；材料介观性能的力学建模与数值表征、介观性能尺度效应的结构特性表征等。 (2)材料介观动态性能的特征与缺陷、形态的演化特性：研究在力/电/热等单一或耦合外场下材料介观性能表征及其动态响应, 与损伤特征及其材料几何尺度和晶粒尺寸/晶体取向效应；材料中各种界面与缺陷间的交互作用及对缺陷演化行为的影响及其尺度效应；介观尺度下材料的物质迁移及形态演化及所导致的扩散性蠕变行为、界面迁移与形态演化；多场耦合条件下存在的薄膜结构弛豫行为；材料中点缺陷在多场作用下的无扩散性演化和驰豫行为与时效性及其相变临界点和尺度效应；原位、动态研究多场(力场、热场等)交互作用下不同介观性能对应的材料损伤失效特征；材料在模拟工况下的服役寿命及其可靠性特征。 (3)介观力学性能的表面效应、界面效应与异质约束效应：研究晶体学取向及表面能和界面能变化对异质界面结合性能的影响；应用热力学平衡和非平衡理论，在介观尺度上揭示膜/基界面原子单双向扩散及膜内原子晶界或晶内扩散的异同及其驱动制约因素；研究表面与界面结构演变对超薄膜的介观性能及其弛豫性的影响，结合热力学尺度效应揭示多场交互作用机制及组合薄膜的几何和能量约束机理；发展经验的固体电子理论，研究薄膜与基底界面及多层膜界面之间电子性态及其功函数的恰当表达，结合数值模拟和物理模型，从微观层次探讨影响薄膜介观性能的表面、界面与异质约束效应，着重阐明界面电子密度差等特征参量对薄膜介观性能、特别是对超薄膜残余应力和界面强度的影响，为进一步建立相应的理论体系奠定良
面板坝铜片止水力学性能的试验研究 郝巨涛，岳耀真，吕小彬，贾金生* (中国水利水电科学研究院结构材料研究所) 摘要：本文对面板坝的基本止水铜止水的力学性能进行了试验研究，提出了变埋深方法测试铜片与混凝土的粘接强度，得出了有意义的结果。另外，采用应变片量测方法对铜止水薄壳结构在纯剪切作用下的力学特性进行了研究，为了解铜止水在复杂应力状态下的变形特性提供了依据。 关键词：铜止水；面板坝；力学特性；试验 收稿日期：2000-04-20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(59639250) 作者简介：郝巨涛(1961-)，男，中国水利水电科学研究院结构材料研究所高级工程师，从事水工建筑物的止水及防渗研究。 *参加试验工作的还有瞿扬、孙金刚同志。 铜片止水是水工建筑物中的一种常用止水形式，在面板堆石坝中，作为面板接缝的底部止水更是在工程中得到普遍应用。铜片与混凝土材料之间的粘接强度是铜止水设计中的基本参数，在拉拔试验中，由于这类埋入式构件表面的非均匀应力分布，测出的平均拉拔强度与构件的埋深有很大关系。实际上对于具体的材料和施工工艺，粘接强度是一个确定的数值。埋入式铜片在拉拔过程中，粘接表面的受力首先是非均匀地发展，当某点达到粘接强度后，该点的粘接就被破坏，导致粘接面的应力发生重分布(如果埋深足够长)，并按照新的规律继续发展，直至铜片被拔出。文献[1]曾经进行过这一问题的研究，但是其研究的重点是铜止水的嵌固形式，对粘接强度只进行了一种埋深的试验。本文进行了不同埋深的铜片拉拔试验，并测出了粘接强度。铜止水的剪切特性也是一个尚未解决的工程问题，本文在文献[2]的基础上，采用应变片量测试验方法对铜止水鼻子部位的剪切特性进行了试验研究，取得了有意义的结果。 1 铜片材料的基本性能 紫铜即纯铜，国内生产的铜片有T 1、T 2 、T 3 、T 4 等标号。本次试验采用铜片 的厂家为洛阳铜加工厂，牌号T 2 ，状态为硬(Y)，厚度为1mm，硬度为115HB，抗拉强度436MPa.硬态紫铜可以通过退火方式达到软铜的良好可塑性状态，退火温度一般为550℃～600℃。