金属材料损伤变量的实验方式
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1、引言
在对金属材料加工制造的过程中，很容易对金属材料的尺寸、形态、表征、相界面等造成一定程度的损伤。在金属研究领域。对金属材料特征和性能进行优劣的研究和分析中，金属材料本身的损伤变量作为重要参数，为材料性能的预测和分析提供重要的参考。绝大多数的金属材料都具有明显的弹塑性，具有典型的损伤特性。当金属构件受到频率在20kHz的超声波振动作用的影响下，金属材料的状态及其性质就会发生明显的变化。但是因为损伤变化相对来说比较微弱的，因此对于损伤变化采用超声波技术来进行测量和描述是具有一定的优势的。金属材料的损伤状态会依靠损伤变量来对其进行恰当的描述，一般来对材料损伤状态的进行描述分为宏观基准和细观基准两类。所谓宏观基准主要是从金属材料的弹性模量、拉伸强度、电阻量、材料密度等宏观方面的描述；细观基准主要是从金属材料本身所具有的的长度、体积、孔隙的数量和形状等多种微观因素决定的有效承载能力。对于细观基准来说要直接建立起力学结构关系是具有一定的困难的，在对损伤变量进行定义和测量的过程中，需要预先对各方面要素进行统计处理，为力学结构模型建立一定的基础。对于宏观基准来说，在对损伤变量进行定义和测量的过程中，需要选择探测难度小、敏感度高的宏观方面的物理量作为主要参数。
2、实验过程与方法
2.1宏观基准下的拉伸实验本文研究选择板状圆弧形拉伸20钢作为实验试件，这是基于损伤区域的考虑，选择此种试件是为了保证试件在载荷状态下损伤能够在测量区集中。同时，为了保证对应变和应力关系测量的方便性和准确性，将试件进行简化处理成为标准试件。如图1所示为简化后的标准试件。在进行正式的损伤实验前，对试件的单向应力状态、力学参数、厚度标准等进行必要的测量并标定。采用MTS871型电液伺服实验系统对试件以载荷控制方式进行单向加载，然后测量试件中超声波的飞行时间，载荷量最小控制在0.01kN。为了对试件受损过程中产生的塑性变形更好的进行跟踪，采用快速网格法对每一个被测点的应变进行测量，并采用光弹性数学图象分析系统进行系统的分析。因为损伤变量的变化灵敏度高，所以测试对于精度有很高的要求，对测试系统的性能相应的也有很高的要求。
2.2细观损伤Df测量为了能够更加准确的对试件损伤处的空穴率进行测量，需要在宏观实验研究分析中的每一种应变状态下试件的代表部位沿着中心面利用线切割机进行薄片切割，厚度为0.3mm，制作成为微观试样。附加塑性变形会对塑性变形量的测量结果造成直接的影响，因此，为了避免实验使用的样品存在附加塑性变形，需要采取手工打磨配合电解抛光的方式对样品进行镜面处理，并将制定完成的试样在酒精中浸泡，以防止剖断口暴露在空气条件下受到氧化。在进行测试操作时将试样取出利用扫描电镜进行扫描观察。本次实验使用的JEM35C型扫描电镜，分辨率为6nm。空穴率的计算采用的计点法，为减少人工测量中的误差，采用多个视场多次测量的方式，取平均值，最大限度的使测量结果能够对微观组织形貌进行反映。
3、实验结果
为了有效的提高损伤敏感性，运用应力与声学的关系到处剪切弹性模量或密度定义的损伤相较于用声波速度定义的损伤系效果要好得多，结果如图2所示。这主要是由于应力与声学之间的关系充分考虑到了组合参数所带来的综合性影响，具有更好的全面性，而且误差要小得多，这样能够最大程度的保证定义损伤的准确性和合理性。虽然宏观角度对损伤参量进行定量计算，但是因为飞行时间和横波波速的共同引入，相较于单纯以波速作为参数的宏观损伤定量计算效果要好得多。同时全部的推到过程都是建立在应力与声学之间关系的基础上，具有清晰的物理背景。但是其所反映的材料损伤缺陷是流于表面的，缺乏对深层次缺陷的反映。从细观损伤变量与应变的关系图可以清楚的看出，随着变形量的不断增加，基体应变和空穴体积率对损伤的影响也随之不断增大，变化速度上初期比后期要慢。随着变形量的不断增加，二级空洞增加，空穴数量和体积加速增长，细观结构变化速度加快，敏感度上升。当应变率达到断裂前的极限时，最大损伤值达到0.59。
4、结论
（1）从微观结构的角度来说，利用应力与声学之间的关系导出组合参数用以对损伤变量进行描述，物理背景清楚，具有合理的理论基础。（2）本文实验只是对试件采用单向的拉伸，并对拉伸带来的损伤进行观察和分析，支队一般载荷情况下的损伤值的计算方法进行理论上的分析，具体的计算和验证还需要进行更为深入具体的实验来求证。（3）从实验结果可以看出，在变形的中期宏观损伤和细观损伤之间存在较大的差别，二者都是利用受损局部的特征参量来进行描述，对损伤都具有较强的敏感性，从表面看是一致的。但是当物体外部作用的特征尺度与材料本身的内部特征长度接近时，不在适用于连续系统模型，此时需要将其作为一个重要的非局部因素对其所带来的影响进行重点考虑。
作者：何丽鑫 张平 单位：沈阳招标中心 沈阳建设项目招投标中心