GB/T 32498-金屬基復合材料力學拉伸試驗解析
GB/T 32498-2016《金屬基復合材料 拉伸試驗 室溫試驗方法》的發布具有重要的現實意義。隨著科技的不斷發展,對高性能材料的需求日益增長。金屬基復合材料結合了金屬的強度和復合材料的特性,在航空航天、汽車制造等領域具有廣泛的應用前景。
該標準的制定,為顆粒增強金屬基復合材料及短纖維增強金屬基復合材料的室溫拉伸試驗提供了規范和指導。它明確了試驗方法的術語和定義、符號和說明、原理等,使得不同實驗室和生產企業在進行拉伸試驗時能夠有統一的標準可循,確保了試驗結果的準確性和可比性。
例如,在航空航天領域,對材料的性能要求極高。金屬基復合材料的拉伸性能直接關系到飛行器的結構強度和安全性。GB/T 32498-2016 的實施,有助于提高金屬基復合材料在航空航天領域的應用可靠性。
此外,該標準的適用范圍明確,為顆粒和短纖維增強金屬基復合材料的性能評估提供了科學的方法。這對于推動金屬基復合材料的研發和應用具有重要的促進作用。
(一)范圍規定
GB/T 32498-2016 標準對金屬基復合材料拉伸試驗的各個方面進行了明確規定。在術語定義方面,清晰地界定了金屬基復合材料、標距等關鍵概念,為試驗操作和結果解讀提供了準確的語言基礎。符號說明則使試驗過程中的數據表達更加簡潔明了,便于不同人員之間的交流與理解。原理部分闡述了拉伸試驗的基本原理,為試驗的科學性提供了理論支撐。
在設備方面,標準對試驗所需的各種設備進行了規范,確保試驗結果的準確性和可靠性。試樣的規定包括試樣的形狀、尺寸、制備方法等,為試驗提供了統一的樣本標準。同時,標準還對試驗要求和報告內容進行了詳細說明,使試驗過程更加規范,結果更加具有可追溯性。
(二)試驗項目
室溫拉伸試驗是該標準的核心項目。通過對金屬基復合材料在室溫下進行拉伸試驗,可以獲得材料的拉伸性能參數,如抗拉強度、屈服強度、延伸率等。這些參數對于評估材料的力學性能和適用范圍至關重要。室溫拉伸試驗能夠模擬材料在實際使用環境中的受力情況,為材料的設計和應用提供可靠的數據支持。
(三)試驗設備
金屬拉伸試驗機是進行金屬基復合材料拉伸試驗的關鍵設備。它能夠提供精確的拉力和位移測量,確保試驗結果的準確性。環儀儀器作為設備廠商,在金屬拉伸試驗機的研發和生產方面具有豐富的經驗和技術實力。其生產的金屬拉伸試驗機具有高精度、高穩定性和可靠性等特點,能夠滿足 GB/T 32498-2016 標準對試驗設備的要求。
(四)試驗程序
規定塑性延伸強度的測定是通過力 - 延伸曲線圖來進行的。在曲線圖上作一條與曲線的彈性直線段部分平行,且在延伸軸上與此直線段的距離等效于規定塑性延伸率的平行線。此平行線與曲線的交截點給出相應于所求規定塑性延伸強度的力,此力除以試樣原始橫截面積 S0,得到規定的塑性延伸強度。例如,在實際操作中,根據不同材料的特性和要求,規定塑性延伸率可能會有所不同。一般來說,對于顆粒增強金屬基復合材料,規定塑性延伸率可能在 1% - 5% 之間;而對于短纖維增強金屬基復合材料,規定塑性延伸率可能在 2% - 6% 之間。
規定總延伸強度的測定在力 - 延伸曲線圖上,作一條平行于力軸并與該軸的距離等效于規定總延伸率的平行線,此平行線與曲線的交截點給出相應于規定總延伸強度的力,此力除以試樣橫截面積 S,得到規定總延伸強度 R0。也可不繪制力 - 延伸曲線圖而使用自動處理裝置或自動測試系統測定規定總延伸強度,按照 GB/T 228.1 - 2010 附錄 A 進行。規定總延伸強度的測定對于評估材料的整體性能具有重要意義,它能夠反映材料在拉伸過程中的最大承載能力。
三、拉伸試驗意義
GB/T 32498-2016 標準中的拉伸試驗對于評估金屬基復合材料性能具有至關重要的作用。
首先,通過拉伸試驗可以準確地獲取金屬基復合材料的力學性能參數,如抗拉強度、屈服強度、延伸率等。這些參數為材料的設計和應用提供了關鍵的數據支持。例如,在汽車制造領域,了解材料的抗拉強度可以確保汽車零部件在承受各種應力時不會發生斷裂,提高汽車的安全性和可靠性。據統計,采用金屬基復合材料制造的汽車零部件,相比傳統材料能夠減輕重量約 30%,同時提高強度約 20%。
其次,拉伸試驗能夠模擬材料在實際使用環境中的受力情況,幫助工程師更好地了解材料的性能特點。例如,在航空航天領域,飛行器在飛行過程中會受到各種復雜的力的作用,通過拉伸試驗可以評估金屬基復合材料在這些力的作用下的性能表現,為飛行器的結構設計提供依據。
此外,該標準的實施有助于提高金屬基復合材料在不同領域的應用可靠性。由于不同實驗室和生產企業在進行拉伸試驗時都遵循統一的標準,因此可以確保試驗結果的準確性和可比性。這對于推動金屬基復合材料的研發和應用具有重要的促進作用。
總之,GB/T 32498-2016 標準中的拉伸試驗對于評估金屬基復合材料性能具有不可替代的重要作用,通過準確的試驗數據和規范的操作流程,為材料的設計、生產和應用提供了有力的保障,便于更好地理解和推廣該標準。
四、拉伸試驗方法
GB/T 32498-2016《金屬基復合材料拉伸試驗室溫試驗方法》在制定過程中引用了一系列標準,為試驗的科學性和準確性提供了有力保障。其中包括 GB/T 12160《金屬材料單軸試驗用引伸計系統的標定》,該標準于 2019 年 10 月 18 日更新;GB/T 16825.1《金屬材料靜力單軸試驗機的檢驗與校準第 1 部分:拉力和(或)壓力試驗機測力系統的檢驗與校準》,2022 年 10 月 14 日更新;GB/T 22066《靜力單軸試驗機用計算機數據采集系統的評定》;GB/T 22315《金屬材料.彈性模量和泊松比試驗方法》;GB/T 228.1 - 2010《金屬材料.拉伸試驗.第 1 部分:室溫試驗方法》;GB/T 2975《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》,2018 年 5 月 14 日更新。這些引用標準在金屬材料的力學性能測試方面具有權威性,確保了金屬基復合材料拉伸試驗的可靠性。
GB/T 32498-2016 的歷代版本情況如下:2016 年發布了該標準的現行版本,規定了金屬基復合材料拉伸試驗方法的術語和定義、符號和說明、原理、試驗設備、試樣、試驗要求和試驗報告。本標準適用于顆粒增強金屬基復合材料及短纖維增強金屬基復合材料的室溫拉伸試驗。目前,GB/T 32498-2016 仍然是該標準的最新版本,在金屬基復合材料的室溫拉伸試驗中發揮著重要作用。
在具體的拉伸試驗方法中,首先要明確試驗的范圍和適用對象。該標準適用于顆粒增強金屬基復合材料及短纖維增強金屬基復合材料的室溫拉伸試驗,明確了試驗的邊界條件。其次,在試驗設備方面,要求使用符合標準的金屬拉伸試驗機,確保設備的精度和穩定性。對于試樣的制備,也有嚴格的規定,包括試樣的形狀、尺寸、制備方法等,以保證試驗結果的準確性和可比性。在試驗過程中,要嚴格按照標準規定的試驗程序進行操作,包括規定塑性延伸強度和規定總延伸強度的測定方法等。同時,要注意引用標準的更新情況,及時調整試驗方法,以確保試驗結果的有效性。
五、金屬基復合材料特點
(一)金屬基復合材料的特點
金屬基復合材料具有諸多顯著特點。首先是高比強度和高比模量,這意味著在同等重量下,它能承受更大的應力和具有更高的剛度。例如,碳纖維增強鋁復合材料其比強度可達 3~4×107mm,比模量為 6~8×109mm。其次,具有良好的導電、導熱性能,這使得它在電子、熱控等領域有廣泛的應用前景。再者,熱膨脹系數小、尺寸穩定好,能夠在不同溫度環境下保持穩定的尺寸,減少因熱脹冷縮帶來的影響。同時,它還具有良好的高溫性能,在高溫環境下仍能保持較高的強度和剛度,適合應用于航空航天、發動機等高溫工作環境。此外,金屬基復合材料耐磨性好,能夠減少因摩擦帶來的損耗,延長使用壽命。疲勞性能和斷裂韌度好,使其在承受反復載荷時表現出更好的可靠性。而且,它具有性能再現性及可加工性好的特點,便于根據不同的需求進行加工和制造。不吸潮、不老化、氣密性好,保證了其在各種環境下的穩定性和可靠性。
(二)增強體材料的特性
作為金屬基復合材料的增強體應具有以下基本特性:
能明顯提高金屬基某種所需特性的性能,如高的比強度、比模量、高導熱性、耐熱性、耐磨性、低熱膨脹性等。以高熱導率的碳納米管、金剛石、高定向熱解石墨作為增強相,可獲得高導熱、低膨脹、低密度的理想電子封裝材料。例如,在熱管理性能方面,金剛石顆粒增強鋁復合材料的導熱系數可達 550~600W/mK,線膨脹系數為 7.0~7.5ppm/K,密度為 3.1g/cm3。
良好地化學穩定性,在金屬基復合材料制備和使用過程中其組織結構和性能不發生明顯地變化和退化,與金屬基體有良好的化學相容性,不發生嚴重的界面反應。
與金屬有良好地潤濕性,通過表面處理能與金屬基體良好潤濕、復合和分布均勻。
(三)金屬基體的選擇原則
使用性能要求:金屬基復合材料構(零)件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據。例如,航天航空領域需要高比強度、高比模量、尺寸穩定性的材料,常選用 Al、Ti 等作為基體;高性能發動機要求高比強度、高比模量、耐高溫性能,可選用 Ti、Ni、金屬間化合物作為基體。
增強物性質和增強機制:金屬基復合材料有連續增強和非連續增強之分。在連續纖維增強金屬基復合材料中,基體的主要作用應是以充分發揮增強纖維的性能為主,基體本身應與纖維有良好的相容性和塑性。對于非連續增強(顆粒、晶須、短纖維)金屬基復合材料,基體的強度對其具有決定的影響。
界面反應:在金屬基復合材料制備過程中,金屬基體與增強物在高溫復合過程中會發生不同程度的界面反應。基體金屬中往往含有不同類型的合金元素,這些合金元素與增強物的反應程度不同,反應后生成的反應產物也不同。因此,需在選用基體合金成分時充分考慮,盡可能選擇既有利于金屬與增強物浸潤復合,又有利于形成合適穩定的界面的合金元素。
