机械自动化制造中的材料力学测量技术分析

朱斌

江苏省南通中等专业学校 江苏省南通市 226011

1 前言

在材料科学的不断发展中，出现了大量新型材料，如光导纤维类材料，有效提升了材料使用性能。在机械自动化制造中，力学测量技术作为其中的重要部分面对机械自动化制造有着较大的影响，测量技术也逐渐受到重视。此外，社会对机械材料力学测量性能的要求不断提高，材料力学性能也发展了多项测量技术，对产品的使用寿命、可靠性提升有着重要作用。

2 材料力学测量技术在机械自动化制造中应用的重要性

在机械自动化制造中，金属材料的应用较为广泛，金属力学性能是在力、能的作用下，在强度、形状等方面表现出相应的特性，强度指标是计算构件刚度、强度的重要依据，通常需要实验测定。同时，材料力学性能也是检查材料质量以及工艺的重要方式，材料科学的不断发展，涌现出大量新型合金材料，而该材料的力学测量是材料研究的重要任务。测量技术是机械自动化制造中的关键环节，能够准确测量每一种材料的力学指标，测量其强度、弹性等极限，根据指标设计零件的强度。在金属材料加工中，材料的良好塑性是加工的重要条件，并且对零件的质量安全有着重要作用，所以，测量材料的冲击韧性、塑性意义重大。硬度是机械自动化制造中的关键指标之一，硬度越高，零件的塑性抗力、耐磨性则越好，所以，硬度也是材料力学测量技术中重要部分。部分零件在工作期间会受到应力影响出现断裂，这种现象为疲劳现象，通过借助力学测量技术能够检测零件的疲劳度。总的来说，在机械自动化制造中，离不开相应的原材料，只有合理应用材料力学测量技术，才能够有效掌握整体生产情况。

3 材料力学测量技术实验方法与特点

3.1 拉伸实验

在机械自动化制造中，想要保证设备具有良好的性能，就需要应用合理的材料，全面了解材料的力学性能以及各种影响因素。材料性能检测是机械自动化制造中的重要部分，也是评定产品质量的重要手段，而检测结果是评定材料力学性能的关键参数。拉伸实验主要是检测材料的塑性、强度指标，但是，在实际检测过程中存在多种影响因素，严重影响检测结果的精准度，因此，通过限定因素，将影响降至最小，以确保实验结果的准确性。在实验过程中，还需要严格按照国家标准，采用矩形、圆形截面试件，并借助实验机的自动绘图装置，将拉伸应力应变曲线绘制出来。由于摩擦力可能出现不足，导致试件两端夹紧部分发生滑动，在计算数据时，应全面思考各种可能影响实验结果的因素，保证测量结果的精准。拉伸实验流程比较简单，能够测量多种材料的力学性能，在实际应用中较为广泛。

3.2 扭转实验

扭转实验是在扭转力作用下，观测试样的受力情况以及变形情况，根据材料破坏形式，测定材料的剪切屈服限度和强度限度。在具体操作过程中，固定机体上的夹头，通过水平移动减速装置，完成转动。实验期间，低碳钢等塑性材料通常会发生较为明显的形变，但试样依然为圆柱形，横截面大小、平行长度尺寸也不会发生较大的变化，并且不会出现颈缩现象。对于铸铁等脆性材料，在扭转时只会出现较小的形变，即突然发生断裂。当试件在承受扭矩时，材料为纯剪切应力状态，这也是拉伸之外的一种应力状态，主要用于研究不同材料在纯剪切应力状态下表现出来的机械性质。

3.3 压缩实验

压缩实验主要是对材料的抗拉强度、压缩屈服极限进行测定，并观察材料在压缩期间表现出来的形变情况，进而对比不同材料的压缩机械性能。压缩实验的原理是将试样放置于实验机压板中间，启动实验机，并慢慢加载，示力指针呈匀速转动，借助实验机绘图装置，绘制出相应的压缩图，根据实验可知，大多数金属材料破坏之前的应力应变关系拉伸实验、压缩实验是一样的。在压缩实验期间，材料会在压力作用下出现较大摩擦力，导致无法均匀变形，所以，在实验过程中通过添加润滑剂，有效减小摩擦，确保获得精准的材料性能。低碳钢是典型的塑性材料，在压缩实验过程中，试样的压缩变形符合胡克定律，变形快速增长时，材料会慢慢屈服，而变形也不会服从胡克定律，属于非线性的，不过与拉伸实验中的屈服阶段有很大的不同，其屈服期间的变形时间较短，在试样长度的不断减小中，其直径明显增大[1]。实验机压板和试样两端间的摩擦力会影响其横向变形，出现鼓形状态，当荷载力不断增加时，塑性变形也会持续，试样横截面也会不断变大，试样会逐渐变扁，但不会破裂。铸铁是典型的脆性材料，在压缩实验过程中，与拉伸有明显的不同，虽然压缩曲线没有出现明显的直线以及屈服阶段，但是曲线明显弯曲，这说明在最大荷载之前，试样便发生了明显的塑性变形。

3.4 硬度实验

硬度实验的受力方式主要有两种，一种为压入法，另一种为刻划法，在实验过程中，比较常用的是压入法，而压入法又分为动力、静力实验法两种，其中，比较常用的为静力实验法。一，布氏硬度实验法。该方法的优点在于硬度比较好，具有极强的稳定性，能够有效反应金属各组成部分的平均值，且不容易受到不均匀度的影响，但是压痕比较大，对于成品检验存在一定的难度，通常用于半成品的检测[2]。二，洛氏硬度实验法。该方法的操作流程比较简单，对材料的压痕、损坏比较小，能够用于成品测量，但是测量结果具有一定的局限性，每个工件测量点数大于三个点。三，维氏硬度实验法。该方法的优点是压痕比较浅，为正方形，对角线测量具有极强的精准性，其测量精度非常高。同时，该方法的测量范围比较广，适合各种金属材料，其不足之处为效率较低，且需要专业技术支撑，对试样光洁度要求较高，操作流程比较繁琐。

3.5 疲劳实验

疲劳实验主要是了解材料的疲劳极限，一般采取旋转弯曲疲劳实验，由于实验不能够对试件无限循环使用，所以，就需要设定一个循环基数，例如，黑色金属循环次数为N=(5-10)×106，有色金属循环次数为N=(50-100)×106，承受值为可以承受N次循环，并且不出现疲劳损坏的最大应力值[3]。在组件运转期间，极易受到各种因素的影响，降低其使用寿命，环境、温度等都会增加试件的疲劳度，所以，在制造过程中应全面考虑这些因素。

3.6 冲击韧度实验

大多数构件会受到冲击荷载的影响，因此，需要对材料冲击韧度进行测量。在具体实验过程中，通常在有缺口槽的矩形试件，并保证室温稳定，通常在10℃-35℃之间，如果需要严格要求温度范围，则将室温控制在20℃±2℃之间。在高温、低温的冲击实验中，保证温度偏差不超出±2℃，以确保试样在要求的温度内。

4 机械自动化制造中的材料力学测量方法

4.1 纳米压入法测量

在纳米压入法测量中，可以将测量期间的荷载位移曲线画出来，结合材料形变相关理论，当材料受到压力时，在压力的不断增加下，材料先发生弹性形变，接着出现塑性形变，由此可见，加载－卸载曲线是非线性的，材料的弹性恢复便是卸载的过程，最后，对于该曲线可测量的材料，分析其纳米硬度、杨氏模量。

4.2 薄膜残余应力测量

薄膜残余应力的测量一般是结合衬底弯曲形状、规律而进行的，对于需要测量的材料，采取整体位移法完成定位，并完成薄膜的释放、旋转等多个步骤。在应力测量中，结合微观结构，对材料的力学性能进行全面分析，从中提出采用率数值，确保测量的准确性[4]。

4.3 衬底弯曲法

在材料测量过程中，衬底弯曲法的应用需要考虑薄膜残余应力是否会使衬底出现弹性弯曲现象，根据薄膜生长前与生长后的挠度差、曲进半径差，还需要对残余应力、挠度的关系进行分析，采用悬臂梁法进行测量，在测量过程中需要观察误差的大小。

4.4 共振频率法

共振频率法指的是根据微梁共振频率测量材料力学性能，微梁可以使用悬臂梁，也可以使用微桥。在测量过程中，在电压的激励作用下，微梁产生振动，激励电机选择正弦电压，便于后续进行观察，将激光束照在微梁上，有效观察微梁的振动情况，振幅最大的地方为微梁的两端、中心点，所以，激光束一般照在这两个位置。利用PSD对反射的激光束及时检测，将输出的信号与示波器连接，边能够观测到相应的振幅，通过更改电压频率，确保微梁在特定频率发生共振，而此时，PSD输出、微梁振幅全部达到最大，便可以获得微梁共振频率[5]。

4.5 荷载位移法

在荷载位移法的应用中，单轴拉伸实验最为重要，通过实验能够测量杨氏模量的形成标准，确定受力面积，进而解释数据的通用性特点。在某多晶硅微拉伸测量中，杨氏模量为170GPa，断裂强度为1.2GPa，薄膜有残余应力，在实际测量中会出现轴弯曲损坏的现象，对测量结果的准确性产生较大的影响[6]。

4.6 尺寸稳定性的测量

在机械自动化制造中，对于材料的力学测量应明确测量的稳定性，结合测量标准，确定测量尺寸。在测量过程中，需要稳定测量因素，并根据温度以及细节变化进行测量，避免受到外界因素的影响。不同材料的测量条件和要求各不相同，并且材料的长度会随着时间而变化，在测量中需要采取补偿测量的技术。大多数固体材料会在测量过程中出现热胀冷缩现象，因此，应准确测量出温度的变化情况。同时，在温度的变化中会使测量出现位移，所以在测量时应保证温度处于稳定状态，并根据相应的测量方法，确定测量的方位。对于热胀冷缩的测量，主要是采用激光干涉仪来测量，对于热膨胀的测量，主要是在支架上使用螺丝固定，确定支架和底板的连接时间，配合好端口的固定工作。在材料的同一位置进行测量时，应保证反射器表面之间的距离符合标准。在同一平台进行测量可以满足测量标准要求，通过测量出因热膨胀而导致的尺寸变化，便能够确保材料测量尺寸的准确性。

4.7 弹性测量

在零部件测量中，应全面考虑材料的弹性，弹性包括动态、静态两种方式，在测量期间根据不同的材料，设置合理的弹性系数，例如，体积模量、刚性模量等系数，在时间和温度的作用下，材料的弹性强弱会发生相应的改变，测量系数应结合测量温度、时间、特性来考虑。在测量过程中，采取杨氏模量法，先明确材料膨胀光学系统，并进行张力测量，确定弯曲的模式与方法。同时，明确测量数据，保证测量时的零件以及负载部件，在正式测量时对于工作台滑轮间的摩擦可以忽略不计。

4.8 强度测量

在材料的强度测量中，应确定测量期间的应力状态，找好测量强度，确定弯曲强度系数。在测量过程中，强度产生的差值并不能够确保测量的准确性，动态参数对测量形式会产生较大的影响，而时间和应力也会产生作用，导致产生曲线偏差，此时应采取新的测量方法，并做好线性回归分析。

5 材料力学测量的具体应用

5.1 反射标准有待完善

在机械自动化制造中，材料力学测量技术的应用能够增强材料性能。在测量塑胶磨钢板时，采取弯曲测量法，对产生的弯曲程度进行测量，明确测量的方法和测量的结果是否符合相应需求。弹簧间的弹性系数有很大的不同，在测量时应明确测量的性能、温度、弹性模型之间的关系，通过系统化测量，形成相应的测量方案。在明确反射标准时，应选择高反射标准，通过测量辐射热能、积分球，确定辐射期间发生的损耗。同时，在测量期间保证测量点的精准性，根据标准确定反射系数。

5.2 系数差值

对于复合材料力学性质的测量，应明确测量指标与信号源之间的差值，由于接收信号存在不同，系统也会产生相应的变化，并且在测量元件、反射标准模型时，也会出现误差。在测量期间，不管信号源开关发生怎样的变化，系数差值都会产生各种变化。结合测量的准确性，确定可用功率，在具体测量过程中，运用信号源开关对反设计源进行测量，明确系数之间的变化。

5.3 系数常数随连接器变化

在材料力学测量期间，原件和反射标准连接至定向耦合器时，会产生不同的系数，并且会在连接器的影响下，导致数据之间出现较大的变化，应确定不同连接器对应的反射标准，对于系数之间存在误差可以忽略不计。反射物质在测量期间会出现差距，在实际测量中会受到连接器的影响，反射标准会造成误差，导致测量准确度各不相同，因此，只有明确反射标准和质量，才能够提升测量的准确度。

6 结语

在机械自动化制造中，材料力学测量技术的应用对设备质量有着重要的保障作用，并且为材料研究提供精准的测量技术。在社会经济的快速发展中，对机械设备以及材料性能指标的要求逐渐增加，为了提升机械设备的质量，就需要借助力学测量技术，对材料各项性能指标进行精准检测，通过采取纳米压入法、共振频率法等多种方法，展开拉伸、压缩、疲劳等实验，以提升测量的精准性。