温度变化对金属材料力学性能的影响

220管理及其他Management and other浅谈试验速率对金属材料力学性能的影响宗震霆（常州市便民服务中心，江苏 常州 213200）摘 要：不同的金属材料所具有的力学性能有所不同，在生活中经常能见到金属材料或由金属材料所构成的各种构件，被运用到各个领域。为了确保材料应用的安全性、可靠性，要对金属的力学性能进行检测与分析，以达到最高效率的应用。而在金属力学性能的检测中，试验速率的变化对其影响最大。本文就试验速率对金属材料力学性能产生的影响展开论述，以便在实际运用中合理控制试验速率，使金属的力学性能达到最优。关键词：试验速率；金属材料；力学性能；影响中图分类号：TG115.5 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2021）06-0220-2󰀃

收稿日期：2021-03作者简介：宗震霆，男，生于1988󰀃年，汉族，江苏常州人，本科，工程师，研究方向：金属材料工程。实验速率对金属材料的影响主要为钢材屈服点，其中试验对于铝合金、镁合金等材料的塑性影响较大，对钛合金屈服强度影响较大。要科学控制试验速率，确保金属材料力学性能达到目标值是开展实验的前提。当前运用最为广泛的试验便是拉伸试验，由于其所具有的简单性、便捷性、直观性等特点，试样容易加工且结果具有代表性。为了进一步提升试验速率数据的精确性，特提出本文论点。1 试验速率简析试验速率主要表现在试验过程中，为达到检测数据目标值而调节快慢的一项参数，在拉伸试验中，速率便有空载横梁位移速率、有载试验机夹头分离速率、应力速率、应变速率四大类形式。最后三种是拉伸试验中最常用的速率控制方式。针对不同的金属材料，在拉伸时所展示的物理现象、力学性能都有所不同，因此试验速率对性能的检测效果也有很大的差异。金属材料力学性能指标所受试验速率的影响程度因材料的变化而变化。对此，在拉伸试验中，应当严格按照相关规范和标准进行，不得超过规定的速率范围，这样才能确保试验数据的可靠性、准确性以及可比性。依照《金属材料拉伸试验：室温试验方法》中的相关规定，将应变速率控制分为2种方式即引伸计反馈控制、横梁移位速率控制。在进行实际应用时，相关工作人员试验获取到的应变速率相关数据，可采用应变速率控制的方式。能够极大地控制测量结果误差，降低不确定性，避免引起试验速率的较大变化。当待测样品属于同类金属时，需采用不同的实验速率进行验证，将试验数据进行分组，对比分析出结果。测试金属材料的力学性能需涉及到材料延伸率、屈服强度、抗拉强度等等。若测试结果不合格，要及时调整试验速率，金属材料的抗拉强度和屈服强度值可增强，验证出的金属材料力学性能数据符合规定要求，对此在金属材料拉伸性能测试中要科学控制试验速率，减少误差。2 试验速率对金属材料力学性能的影响2.1 对钢性能的影响在对金属材料进行试验时，部分材料对试验速率的变化较为敏感，所产生的测量结果影响很大。例如在对Q235（强度低、塑性好）以及40SiMnV（强度高、塑性差）两种常见钢材进行测验时，分别将两种类型的材料放于不同的试验速率状态下，测定两种金属材料的力学性能。在进行试验测试时，取一根直径为12mm的钢筋，截出20个试样品，存放于常温环境下，测定结果为：设定在计划试验速率范围内，提升试验速率，金属材料的屈服数值和抗拉强度值也有所上升。对45钢的抗拉强度、断后伸长率进行对比试验时发现，在不同的试验速率下，将45钢置于温度达到850℃的条件下火烧半个小时，并在（1.0~24）mm/min的条件下开展试验，提升试验速率的同时，材料的抗拉强度也随之提升，而断后伸长率却随之降低。当试验速率提升到10mm/min的条件时，材料断后伸长率的减小程度与抗拉强度的增大程度都在减缓。通过两个试验能够发现，对钢材的力学性能进行速率测试，当提升试验速率时，能够显著提升钢材的抗拉强度、屈服强度，但与此同时，材料的塑性也会降低。此外，试验速率对于强度高、塑性差的钢材强度影响较低；对强度低、塑性好的钢材强度影响较高。图1 钢材力学性能速率测试图2.2 对铝合金性能的影响铝合金的主要合金元素是镁和硅。具有优秀的加工性、焊接Copyright©博看网 . All Rights Reserved.管理及其他Management and other性、挤压性、电镀性、耐腐蚀性、韧性、容易研磨性、阳极氧化效果，是典型的挤压合金。铝合金型材由于其可塑性、适度的热处理强度、良好的焊接性能、阳极氧化后的光鲜表面，广泛用于建筑型材、灌溉管、车辆管、平台管、家具管、电梯管、栅栏管等。如果在铝合金中加入一定量的锰和铬，可以中和铁的破坏作用。为了在不显著降低耐蚀性的情况下提高合金强度，有时会添加少量的铜或锌。导电材料含有少量铜，以抵消对钛和铁导电性能的不利影响。锆或钛可以控制再结晶组织，细化颗粒；添加铅和铋以提高加工性。由于金属特性的不同，所制成的合金材料载荷能力也有所不同。在试验中，选取的测试样品为铝合金材料测试其拉伸速率。待测材料设定不同的拉伸速率，主要测量材料断后伸长率、抗拉强度等相关指标。通过验证可知：当拉伸速率从1mm/min逐渐提升到24mm/min时，该材料的抗拉强度变化达到7.9MPa（增加）、断后伸长率的变化则为-2.1%（降低）。说明试验速率的提升会使得铝合金的抗拉强度提升、断后伸长率降低。图2 铝合金材料抗拉强度变化情况选择不同的试样尺寸进行试验，分析7050T74铝合金在不同试验速率下的性能变化。试验结果表明：将试验速率从1mm/min提升到100mm/min时，该材料的抗拉强度并未出现较大的变化，但对断后伸长率的影响较大。伴随试验速率的继续提升，断后伸长率持续降低，可以得到结论：在对铝合金类金属材料进行拉伸试验时，最适宜的速率最好为50mm/min。继续测试应变速率对铝合金材料室温拉伸性能的影响效果。选用材料为Al-Zn-Mg合金。试验结果表明：当应变速率处于较低数值时，材料会出现断裂，金属材料断裂主要是韧性断裂。改变应变速率后，材料性能发生变化，断裂性质表现为脆性断裂。金属材料的变形方向以拉伸方向为主，同时出现部分不明显的析出相。金属材料的抗拉强度得到显著提高，屈服强度变大，断后伸长率下降幅度最大。该实验表面，试验速率对铝合金的断后伸长率具有显著影响，而不会较大影响合金材料的抗拉强度、屈服强度。当试验速率大幅变化时，铝合金材料的塑性会随之降低，可能会使得测量结果不精确，与规范不符。2.3 对钛合金性能的影响在室温条件下进行拉伸测试，选用材料为TA15钛合金。试验结果表明，在准静态（即试验速率较低的状态）条件下，材料对试验速率的敏感性较强，钛合金材料的断面收缩情况、抗拉状态、屈服强度等会出现大幅度变化。在提高拉伸试验速率的情况下，钛合金材料的屈服强度发生改变。基于动态试验，钛合金材料试验速率影响其屈服强度尤为明显，测量结果显示在动态条件下钛合金材料屈服强度比在室温条件下屈服强度提高了1.65倍。2.4 对镁合金性能的影响为了研究试验速率对镁合金材料力学性的影响，选择AZ31B为试验材料，应变速率设置为（10-4~10-1）mm/min/s，试验温度依然为室温条件。试验表明，当提升试验速率时，镁合金材料的屈服强度、抗拉强度都会随之增加，而断后延伸率呈反比关系，即随着速率的提升而减小。该试验所发生的拉伸断裂形式为韧脆性断裂。若采取圆柱形试样进行试验，在不同的试验速率环境下，镁合金材料的塑性性能会随着速率的增加而降低，流变应力持续提升。3 结论通过上述几项对比试验可以得到以下几个结论：（1）对于钢材料来说：提升试验速率，能够使得抗拉强度、屈服强度提升，而刚才塑性降低。实验速率对强度高、塑性差的刚才强度影响较低，反之亦然。（2）针对镁合金材料和铝合金材料试验：两种材料的可塑性受试验速率影响较大，材料的屈服强度和抗拉强度随试验速率提升而升高，断后延伸率数值明显降低。（3）钛合金材料进行力学性能研究后发现：试验速率对屈服强度有较大影响，断后伸长率、断面收缩率、抗拉强度等影响较低。随着试验速率的提升，屈服强度增加。该性能变化在动态试验中更加明显。（4）对于不同的金属材料，试验速率的变化都会对金属材料的力学性能产生不同的影响，合理控制试验速率能够显著增强试验精确性，让测试数据更加符合规范要求，可以帮助测试人员更好地进行科研。参考文献[1]󰀃白春玉,葛宇静,惠旭龙,刘小川,杨强,张宇.金属材料的中低应变率动态拉伸试验方法研究与应用[J].航空科学技术,2020,31(12):33-41.[2]󰀃王浩宇,李博,文友谊,徐伟伟,王千足.共固化开孔芳纶蜂窝夹层的结构力学性能及失效模式的研究[J].塑料工业,2020,48(12):115-119.[3]󰀃习会峰,姚一鸣,刘逸平,汤立群.泡沫金属中高速拉伸的试验数据处理与材料力学性能测量[J].实验力学,2020,35(06):978-984.[4]󰀃贺琼瑶,吴桂林,刘聪,刘静,杨小奎,周堃,张伦武,项运良.表面纳米化技术制备梯度纳米结构金属材料的研究进展[J].表面技术,2021,50(01):267-276+295.[5]󰀃赵玉,张用兵,张兴刚,王彦辉,荆蓉.模压方式和工艺参数对GF/PP复合纤维织物层压板力学性能的影响[J].复合材料科学与工程,2020(05):117-122.[6]󰀃李昊卿,田玉晶,赵而团,郭红,方晓英.S32750双相不锈钢相界与晶界特征对其力学性能和耐蚀性能的影响[J].材料工程,2020,48(02):133-139.[7]󰀃张丹丹,潘海洋,陈冲,张恩平.真空热压烧结制备车用TiCN颗粒增强钛铁基复合材料的性能表征[J].真空科学与技术学报,2020,40(02):158-162.Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

温度对材料力学性能的影响及热处理技术

温度是影响材料力学性能的重要因素之一。在不同温度下，材料的力学性能会发生明显的变化，这对于材料的设计和应用具有重要意义。热处理技术则是一种通过改变材料的温度来调控其力学性能的方法。

1. 温度对材料的强度和韧性的影响

温度对材料的强度和韧性有着显著的影响。一般来说，随着温度的升高，材料的强度会下降，而韧性则会增加。这是因为在高温下，材料的原子或分子会具有更大的热运动能量，从而导致晶格的变形和位错的移动更容易发生。这使得材料在高温下更容易发生塑性变形，从而提高了材料的韧性。

然而，随着温度的继续升高，材料的强度和韧性会逐渐下降。这是因为在极高温度下，材料的晶粒会长大，晶界的强度会降低，从而导致材料的强度下降。同时，高温下材料的位错活动也会变得更加剧烈，从而导致材料的韧性下降。

2. 温度对材料的蠕变行为的影响

蠕变是指材料在高温和恒定应力下发生的时间依赖性塑性变形。温度对材料的蠕变行为有着显著的影响。一般来说，随着温度的升高，材料的蠕变速率会增加。这是因为高温下材料的位错活动更加剧烈，从而导致蠕变速率的增加。

蠕变行为对于一些高温工况下的材料应用非常重要。例如，在航空航天领域中，发动机的涡轮叶片需要承受高温和高应力的工作环境，因此对于这些叶片材料的蠕变行为进行研究和控制是至关重要的。

3. 热处理技术对材料力学性能的调控

热处理技术是一种通过改变材料的温度和冷却速率来调控其力学性能的方法。常见的热处理技术包括退火、淬火和回火等。 退火是一种通过加热材料至一定温度后缓慢冷却的方法。退火可以消除材料中的应力和位错，从而提高材料的韧性和延展性。淬火是一种通过迅速冷却材料来形成马氏体组织的方法。淬火可以提高材料的硬度和强度，但也会导致材料的脆性增加。回火是一种将淬火材料加热至较低温度后再进行缓慢冷却的方法。回火可以减轻淬火过程中产生的内应力，从而提高材料的韧性。

通过热处理技术，可以调控材料的晶粒尺寸、相变组织和位错密度等微观结构参数，从而实现对材料力学性能的精确调控。这对于材料的设计和应用具有重要意义。

第３７卷第ｌ７期　・４６・　２　０　１　１年６月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖ０１．３７　Ｎｏ．１７　Ｊｕｎ．２０１１　

文章编号：１００９－６８２５（２０１１）１７－００４６—０４　

温度变化对钢梁受力性能的影响　

涂展麒蔡建国　冯健　

摘要：基于构件的非线性位移应变关系，利用能量原理推导了钢梁在温度荷载和均布荷载共同作用下平衡方程以及钢　梁应力和竖向位移的计算公式，并对一工字形截面钢梁力学性能受温度变化的影响进行了分析，由分析结果可知：温度　

变化对钢梁的力学性能影响较大。　

关键词：钢梁，承载能力，温度作用，弹性，能量原理　

中图分类号：ＴＵ３９１　文献标识码：Ａ　

随着我国经济建设的快速发展，各类工程建设项目规模日益　

扩大，大批的体育场建筑、会展建筑以及公共建筑如雨后春笋般　

涌现。这些大型的钢结构屋盖平面尺寸大、结构形式复杂，它们　

所受到的温度作用不容忽视。杆件中的温度应力在某些情况下　占到材料强度的相当比重，温度作用参与的工况组合有时候会成　

为控制组合，温度作用在结构中产生的节点位移非常可观。现阶　

段国内很多大规模的钢结构工程，例如国家体育场…、北京Ａ３８０　

机库【２ｌ３　以及广州新火车站　等，都单独进行了温度作用对结构　

性能影响的分析。　温度应力是大跨度钢结构设计中不可回避的问题。温度作　用下，结构将产生变形，如果这种变形没有受到约束，结构中不产　

生内力；反之，如果变形受到约束，结构中将产生内力。国内外很　

多学者对钢结构在温度作用下的性能进行了研究。　马人乐等【５　结合黑龙江电视塔工程用刚度位移法研究严寒　

下塔桅结构的温度效应。计算了结构内外温度相等和内外温度　不等的不同工况，得出温度效应对塔桅结构的影响规律。　

董继斌　结合一４５　ｍ×８１　ＩＴＩ双层柱面网壳工程实例，分析　

温度应力的影响、支座水平推力等问题。得出结论：温度应力对　狭长矩形平面的柱面网壳结构拱向受力杆件的内力影响不大，对　

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浅论低温对金属材料性能的影响

作者：魏永康

来源：《城市建设理论研究》2014年第03期

摘要：在低温情况下，金属材料的力学性能会受到很大的影响。本文就如何对其韧性、脆性转化温度进行测定，其蠕变性的内外部影响因素等进行阐述，并介绍了低温金属材料的基本要求以及所应用的领域。

关键词：金属材料；低温；性能影响；应用

中图分类号：TU5 文献标识码：A

随着科学技术的发展，低温技术也迅速地渗透到各个科学技术领域内，而且成为尖端科学技术的一个组成部分。低温技术的发展和应用，又伴随低温用材料，首先是金属材料的研究。近年来低温金属材料的机械性能的研究已成为材料学科的一个重要分支，各国科学工作者已做了不少工作。

一、金属材料的特点

温度降低，通过金属材料低温拉伸试验表明，金属材料会变得比降低温度前脆。

常温下的脆性破坏与金属材料的冷脆断裂基本相同。断裂前无明显塑性变形，断口齐平，突然发生，裂纹起源于构件应力集中或材料组织中的缺陷处，并快速扩展。构件的冷脆破坏危害性极大，无法控制和预告，一旦发生，整个结构瞬间崩溃。

在低温下并非所有的金属都会发生冷脆，金属的晶格类型与冷脆性有关。

金属晶格有面心立方晶格、体心立方晶格、密排六方晶格等3种类型，见图1。

图13种常见金属晶格结构

立方体的8个顶角和6个面的中心在面心立方晶格上各有一个原子，铜、镍、银、金、铝及高温、合金下的铁(奥氏体钢)属于这种晶格；立方体的8个顶角和中心在体心立方晶格中各有1个原子，例如室温下的铁(普通钢材) 以及钨、铬、钼、钠；密排六方晶格棱体的中心平面有3个原子，12个顶角和上下底面的中心处各有1个原子，锌、镁、钛(α-Ti)均属这一类型。