浅析金属材料试验中计算机技术的应用

刘亦晴

摘 要：本文以金属材料试验中计算机技术应用为中心，首先分析了在金属材料试验中引入计算机技术的必要性，其次介绍了金属材料力学试验的分类及金属材料寿命的预测方法，再次分析了金属材料试验中引入计算机技术的瓶颈，最后介绍了实验室软件系统优化设计的主要方法。

关键词：金属材料;力学试验;计算机技术

为准确了解金属材料在实际工况下的力学特性和失效模式，必须通过专门的试验设备对金属材料零部件进行相应的试验，实验室通常会配备拉伸、冲击、压缩、高温等一系列试验设备。为了对众多的试验设备进行有效管控，确保试验数据的实时性和准确性，同时节约试验员人力成本，很多试验室都面临着如何应用计算机技术对不同类别、不同生产厂家的试验设备进行监控的难题。试验室系统软件需统筹管控全部试验设备，具备与多个试验设备系统软件对接的能力，具备数据实时性抓取和存储的能力，同时要面向用户提供友好的操作界面，使用户可以高效便捷地访问、查询、修改试验数据。通过引入计算机相关技术，试验室各设备由一个顶层软件监控，各设备相当于系统软件的子模块，模块化的设计可以为后续追加设备预留一定的接口，当试验室扩充设备时仅在原程序的框架内做必要的设置即可。

1 在金属材料试验中引入计算机技术的必要性

金属材料在现代工业生产中具有举足轻重的作用，对于很多长时间运行在高温条件下的设备，都采用了耐热钢和耐高温合金材料。为了确保设备中的金属部件稳定运行，必须对所使用金属材料的力学特性有较为精准的了解，特别是其在高温条件下的力学特征。力学性能试验是掌握金属材料力学性能的重要手段，通过提供精确的试验结果，避免不合格的材料应用到生产实践中。通常情况下机器设备中的关键零部件在高温下的性能、耐久性、寿命等均有很高的设计要求，为了确保零部件的各项性能指标，完善的试验设备为各项试验提供可靠的测试手段，通过大量试验数据分析可判定出关键零部件的性能。当需要分析的零部件数量较多或者单个零部件试验项目较多时，通常需要多台试验设备连续测试，对设备的管理和对试验数据的管理难度不断增加，人工对应的效率往往无法满足需要。

随着计算机相关技术的不断发展，在金属材料试验方面也逐步应用了计算机技术，各种高精度金属材料试验设备由手工操作向自动化控制进化，在进行试验之前可以根据需要设置好各项参数，试验设备即可按照设定的程序自动完成相关试验，减少了试验人员的工作量，提高了试验设备的开动率。试验员可以实时监控试验设备的运行情况，调取试验数据。试验结束后，试验设备可以自动存储全部试验数据，计算机软件还可以进一步对数据进行分类和整理，减少研究人员统计和汇总数据的工作量，从而进一步提升试验效率。在试验设备中引入计算机技术，不仅实现了对试验设备硬件的控制和集中统一管理，也通过配套的软件实现对数据的管控，基于网络的软件可以对不同试验设备的数据进行挖掘和分析，通过横向比较不同试验设备的数据，对零部件性能作出更智能化的分析。

2 金属材料力学试验分类

2.1 金属材料的主要力学性能

金属材料的力学性能是指在不同的温度等外部条件下，对金属材料实施冲击、拉伸、压缩等不同类型的载荷后材料所呈现的力学特征，包括强度、塑性、疲劳强度、冲击韧度等。金属材料的强度是其在固定载荷作用下承受变形的能力，通常通过抗拉强度试验测量材料的弹性极限、屈服点等来判别金属的强度;金属材料的塑性是指其在固定载荷作用下发生塑性变形而不断裂的能力，通常用断面收缩率和断后伸长率来评价;金属材料的硬度是指其表面抵抗外部施加压力的能力;金属材料的冲击韧度指其抵抗冲击载荷而不被破坏的能力;金属材料的疲劳强度指其在多次交变载荷作用下而不被破坏的最大应力值。

2.2 金属材料的试验方法

金属材料的拉伸试验是力学性能较为常见的试验，通过试验可以得知金属材料的韧性、塑性、强度、弹性力学性能。金属材料在高温环境中的力学性能主要通过拉伸蠕变及持久试验来测量，通过在持续高温环境下保持固定应力或应变对金属拉伸性能进行试验，应力松弛试验用于测量试验件在高温环境下长时间受力时应力降低情况，通常包括拉伸应力松弛试验和弯曲松弛试验。金属材料在循环应力或循环应变作用下会因为内部组织不均匀而产生应力集中，当循环次数不断增加时会产生裂纹直至发生疲劳断裂，疲劳试验按载荷和环境可分为高温疲劳试验、室温疲劳试验、低温疲劳试验、腐蚀疲劳试验、冲击疲劳试验、接触疲劳试验等。

3 金属材料寿命预测

设备运动机构的关键零部件损坏往往会导致较为严重的后果，因此预测金属材料的持久寿命和蠕变断裂寿命具有重要的实际意义。由于在工程应用中金属材料的持久蠕变寿命很长，有的甚至长达10万至20万小时，直接通过长时间的持久蠕变试验进行预测有很大难度，为了缩短试验时间，通常采用增加试验载荷或提升温度的方式，在试验数据的基础上计算出蠕变持久寿命。

3.1 等温线法

为了减少试验时间，维持试验温度等条件不变，通过增加载荷的方式加速材料的蠕变断裂过程，可以在相对较短的时间内获得所需的数据，根据试验获得的数据即可计算出金属材料蠕变断裂性能。

3.2 時间温度法

由于金属材料的蠕变与温度相关，提高试验温度时金属材料的内部组织结构会相应发生变化，时间温度法可以缩短试验时间，通过较高温度下获取的试验数据，进一步推断出金属材料蠕变断裂性能。

4 金属材料试验引入计算机技术相关瓶颈问题

由于计算机技术发展速度较快，而金属材料试验设备则相对较为落后，大部分实验室在引入计算机技术时，都面临着试验设备硬件和软件方面均存在整合困难的问题。

4.1 系统软件兼容性问题

对于较大规模的实验室，往往会有几十台甚至上百台设备，不同厂家或者不同时期生产的设备配备的操作系统和软件系统也不尽相同，操作人员需要学习每套软件的操作方法，大大增加了试验员的学习成本。

4.2 软件数据采集实时性问题

数据的实时性对金属材料的试验具有极其重要的意义，通过实时数据才能及时观察到金属材料变形等值的变化，发现试验中的异常现象，并采取必要的处理措施，使试验数据更具可靠性。部分实验室系统软件采用的是轮询式的数据采集方式，按设定顺序逐台设备进行采集，这种轮询式的方式实时性较差，无法做到试验数据的同步采集。对于需要长时间运行的试验设备，保持软件系统的稳定性非常重要，必须克服系统因运行时间长可能出现的卡顿现象，确保数据的实时存储和异常情况的快速处理。

4.3 试验数据存储问题

不同试验设备的数据无法共享会导致整个实验室管控困难，在实验室软件系统中数据存储是最重要的环节，数据存储质量会对后续的数据管理带来很大影响。如何将孤立的各试验设备有效整合，如何避免文件系统存在数据冗余问题，如何避免数据文件访问时的写入操作互相影响，都需要在软件设计中予以充分考虑。数据的高效性也会对软件系统的运行造成影响，在金属材料试验中，金属的高温蠕变试验通常会进行几个月甚至更长，当试验数据量较大时，数据存储和访问所耗费的资源会相应增加。

5 金属材料试验软件优化设计方法

5.1 不同设备软件兼容性问题对策

针对不同试验设备软件接口问题，必须逐台设备进行改造，在原试验设备通讯协议和接口的基础上，按统一的标准增加通讯接口，同时对试验设备的程序做相应修改。由于采取相同的通讯协议和统一的标准通讯接口，各试验设备相当于实验室软件系统的子模块，实验室软件系统的主程序可以控制、访问各子模块，从而实现对全部试验设备的统一管理。实验室软件系统还需要预留一部分扩展功能，当后续再追加试验设备时，无需修改软件的源程序，只设置相应的参数即可。

5.2 软件数据采集实时性问题对策

对于试验设备较多的实验室，软件规划时需要采用多个子线程分别控制的方式。多个子线程控制方式将数据的采集、存储等功能划分给独立的线程，与单线程方式比采集数据速度最高，可避免对数据存储造成影响。由于每台设备均由独立的线程进行处理，为了避免同时开启的线程数过多，在软件设计时可以采取设立线程池的方式，避免浪费系统资源，大幅度提高程序的响应速度，在对试验设备进行数据采集时主程序可正常运行，从而使用户层界面始终处于可响应状态。线程池可以自动设定试验设备的状态，当试验结束时线程池自动释放CPU资源。

5.3 试验数据存储问题对策

单机试验设备通常采用文件系统存储试验数据，实验室软件系统采取数据库系统的方式存储试验数据，用户无需关注数据文件存储的路径，直接通过数据库系统即可访问所需数据，当数据量越大时，数据库比文件系统访问速度低延时的优点会越明显。数据库具有应对并发访问的能力，具有以数据为单元的共享性，在并发访问时数据可保持一致性。数据库支持用户高频次的修改等操作，应用数据库系统对试验数据进行操作，对硬件资源的消耗明显少于文件系统。

6 结束语

金属材料力学性能试验控制系统软件解决了实验室各设备软件存在的问题和缺陷，实现了对各试验设备控制系统的整合，通过网络联接打通了各设备数据信息的孤岛。对系统软件的优化设计确保了整个系统的稳定性、安全性、可扩展性，从而减少试验员工作量，并使试验效率明显提升，应用系统软件后实验室智能化水平得以大幅度提升。

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