金属材料抗拉强度检测

在包装行业中，包装膜袋的抗拉强度、伸长率及弹性模量作为衡量材料性能的重要指标，一直是研发与生产过程中的关键关注点。包装膜袋拉力机作为检测这些性能的重要工具，其准确性与可靠性对于评估材料质量至关重要。本文将从抗拉强度、伸长率与弹性模量之间的关系入手，深入探讨包装膜袋拉力机的工作原理及其在包装行业中的应用价值。1. 抗拉强度：抗拉强度是指材料在拉伸过程中能够承受的最大应力，通常以单位面积上的力（如N/mm² ）来表示。它是衡量材料抵抗拉伸破坏能力的重要指标。2. 伸长率：伸长率是指材料在断裂前能够拉伸的百分比，用来衡量材料的延展性。伸长率越高，说明材料的延展性越好，能够承受更大的变形而不破裂。3. 弹性模量：弹性模量是材料在弹性变形阶段应力与应变的比值，反映了材料抵抗形变的能力。弹性模量越高，材料的刚性越大，形变越小。它们之间的关系：抗拉强度与伸长率：一般来说，抗拉强度高的材料，其伸长率可能较低，因为高强度的材料往往具有较强的内部结构，不容易发生形变。相反，伸长率高的材料，其抗拉强度可能较低，因为它们能够承受更大的形变。抗拉强度与弹性模量：抗拉强度高的材料通常具有较大的弹性模量，因为它们能够抵抗更大的应力而不发生塑性变形。弹性模量高的材料也往往具有较大的抗拉强度。伸长率与弹性模量：伸长率高的材料通常具有较低的弹性模量，因为它们能够承受更大的形变。弹性模量高的材料通常具有较低的伸长率，因为它们不容易发生形变。综上所述，包装膜袋拉力机的抗拉强度、伸长率和弹性模量之间存在着一定的相互关系。了解这些关系有助于更好地评估和选择适合特定应用的包装材料。例如，对于需要较高抗拉强度的应用，可以选择抗拉强度高、弹性模量大的材料；而对于需要较好延展性的应用，可以选择伸长率高的材料。

文天精策原位拉伸试验机冷热台助力超低温金属材料研究随着现代各行业的飞速发展，越来越多的金属材料需要在低温环境中使用，如低温压力容器、桥梁、建筑材料等，因此对于这些材料的各项力学性能的准确测量也就显得至关重要，尤其是试样的屈服强度、抗拉强度、延伸率和面缩率等拉伸性能指标。如：液体火箭发动机的结构材料除了承受高温冲击外，由于液氢（沸点-253℃）、液氧（沸点-183℃）等低温贮存推进剂的存在，还有超低温（-100℃以下）环境要求，故液体火箭发动机理想的结构材料需要具备优良的低温力学性能；用于低温手术的医疗器械，使用液氮对患者的局部肉体进行低温瞬时低温冷冻，使得肉体固化后进行快速和无痛手术。文天精策仪器科技原位拉伸试验机冷热台，作为可适配多数拉伸试验机的低温试验平台，通过准确控温，实现不同环境温度下材料的力学性能测试，从而准确的考察不同变形温度下材料的力学性能，为其在复杂环境温度下的服役，提供数据支撑。原位拉伸试验机冷热台降温过程超低温单向拉伸试验对金属材料而言，其服役温度显著影响其力学性能。部分金属在超低温(77 K)条件下时，其断裂强度、延伸率等会显著提升。并且相比高温成形工艺会造成材料的氧化的缺点，低温下的成形工艺则不存在这样的问题，这为金属材料成形工艺的成形能力提升，提供了新的途径。Ÿ 材料的硬化、脆化Ÿ 材料的塑性变形能力改变Ÿ 材料的应变分布演化更加均匀Ÿ 材料的塑性变形机制发生变化超低温单向拉伸试验检测试样在单向应力状态下，温度对其力学性能与变形机制的影响。降温程序控制过程295 K与77 K下纯铜的单向拉伸应力-应变曲线研究内容及关键点：Ÿ 原位拉伸试验机冷热台的温控算法可准确控制变形所需温度；Ÿ 原位拉伸试验机冷热台可适配大多数万*能试验机实现低温拉伸试验，准确测试材料的低温力学性能；Ÿ 原位拉伸试验机冷热台的氮气回流除雾技术与可视窗口，可结合DIC测试技术实现超低温变形过程中应变的实时监测；Ÿ 通过设置拉伸试验机参数，可实现变温单向拉伸试验，测试复杂温度环境下材料的力学性能。试验表明：文天精策仪器科技研发的原位拉伸试验机冷热台，可与各种万*能试验机适配，在试验过程中通过文天精策原位拉伸试验机冷热台中的温控程序，实现实时控温，进行不同变形温度下的单向拉伸试验力学性能测试。并且，通过设置拉伸过程中的实验参数，完成试样在复杂变温环境下的力学性能测试，指导在复杂温况下材料的服役。

拉伸性能与疲劳性能是金属材料工程应用的关键指标，建立二者之间定量关系，实现金属材料不同力学性能之间关系的定量预测是金属结构材料领域重要研究目标之一。由于目前相关理论不够完善，基于微观变形与损伤机制的拉伸性能与疲劳性能定量预测模型并未建立起来。因此，虽有大量实验数据表明金属材料拉伸强度与塑性之间存在明确的倒置关系，拉伸强度与疲劳强度之间存在特定的关系，但至今仍缺乏定量模型来描述上述定量关系。因此，建立金属材料拉伸性能与疲劳性能定量预测具有重要科学意义。金属研究所张哲峰团队长期坚持材料疲劳与断裂基础理论研究，团队成员张振军项目研究员前期在缺陷与金属材料加工硬化关系方面进行了系统性研究，包括四类典型缺陷：1）零维缺陷：发现过饱和空位可提升合金的加工硬化能力；2）一维缺陷：在位错主导塑性形变的合金中实现了加工硬化能力回升；3）二维缺陷：在FeMnCAl系TWIP钢中实现随孪晶密度增加应变速率敏感性由负到正的转变；4）三维缺陷：在TWIP钢等强加工硬化材料中建立了微孔致颈缩判据。近来，在加工硬化微观机制研究基础上，张振军项目研究员提出了新的位错湮灭模型，并通过考虑初始组织状态与合金成分对加工硬化的影响，建立了单相金属材料普适性硬化模型-指数硬化（ESH：Exponential Strain-Hardening）模型，并据此首次推导出单相金属材料拉伸应力(σ)-应变(ε)定量关系：其中硬化指数n为位错湮灭距离(ye)的表达式反映合金成分的影响。η为初始缺陷对屈服强度(σy)非位错性贡献的比例，反映微观组织的影响；ΘⅡ为第二阶段硬化率，对同一金属合金体系为常数。该ESH模型得到了6种合金成分、100余种不同微观组织状态单相铜铝合金的实验验证，如图1所示。该ESH模型阐明了单相金属材料形变过程中一些重要规律：1）用一个参数(n)统一了五阶段加工硬化规律；2）揭示了极限强度、临界强度、真抗拉强度与成分及变形机制之间关系；3）首次推导出"屈服强度-抗拉强度-均匀延伸率"之间定量关系（公式(2-4)，图2a-2c）；4）定量揭示了拉伸强度-塑性同步提升的两个基本原则，即成分优化（提升位错滑移平面性）与组织优化（降低初始高能缺陷），在铜合金、镍基合金、TWIP钢、高氮钢、316L不锈钢等单相合金中均得到了系统性实验验证；5）实现了单相铜铝合金拉伸强度、塑性及拉伸应力-应变曲线的定量预测，如图2d-2f所示：　上述研究成果最近以2篇论文连载方式发表在Acta Mater 231 (2022) 117866和231 (2022) 117877上。基于该ESH模型，博士生曲展在张振军项目研究员的指导下，进一步揭示了三类变形铝合金（2xxx、6xxx、7xxx）拉伸强度和塑性随时效时间变化的共性转变规律与机制，建立了三类铝合金加工硬化指数与时效过程中析出相性质及几何特征之间的定量关系，提出了变形铝合金时效过程对加工硬化能力提升的析出相控制原理（J Mater Sci Technol 122 (2022) 54-67）。为了建立金属结构材料拉伸性能与疲劳性能之间定量关系，该团队成员刘睿博士在对铜铝单相合金拉伸性能与高周疲劳强度系统性研究的基础上，从疲劳损伤过程弹性变形与应变局部化两方面入手，通过引入合金成分、微观组织与宏观缺陷参数，建立了金属结构材料高周疲劳强度预测模型：其中参数C代表合金成分（或弹性模量）对疲劳强度的影响，强度σy和σb为微观组织对疲劳强度的影响，参数ω反映了宏观缺陷对疲劳强度的影响，如图3(a)所示；该高周疲劳强度预测模型得到了钢铁材料、铝合金、铜合金、钛合金、镁合金等20余种典型工程结构材料系统性疲劳实验验证，如图3(b)所示。该研究成果也以2篇论文连载方式发表在J Mater Sci Technol 70 (2021) 233-249和70 (2021) 250-267上。在疲劳裂纹扩展预测模型方面，最近李鹤飞博士在团队成员张鹏研究员的指导下，针对高强钢强度-韧性匹配关系，通过断裂力学理论分析，建立了以静态力学性能预测其疲劳裂纹扩展速率模型：其中σb为拉伸强度，KIC为断裂韧性，E为弹性模量，R为应力比，α为扩展速率常数。同时，为了指导关键构件材料强度-韧性优化提高疲劳裂纹扩展阻力，建立了高强度金属材料等效疲劳裂纹扩展速率模型（如图4(a)所示）。通过选择高强度金属材料强度-韧性之间匹配关系，可快速预测和降低其疲劳裂纹扩展寿命（如图4(b)所示），进而可以指导关键构件材料抗疲劳损伤容限设计。上述关于疲劳裂纹扩展速率预测模型在多种高强铝合金、钛合金及高强钢材料中得到了验证。该研究成果发表在J Mater Sci Technol 100 (2022) 46-50上。将上述金属材料拉伸性能和疲劳性能定量预测模型联合起来，可以实现通过测试金属结构材料少数组织状态的拉伸性能快速预测和优化其疲劳性能的功能，为金属结构材料疲劳性能预测与优化软件研发奠定理论基础，也为金属结构材料及工程构件抗疲劳设计与制造提供理论支撑。上述研究工作得到了国家自然科学基金重大项目（51790482）、重点项目（51331007、52130002）、面上项目（51771208、51871223）项目、中国科学院王宽诚率先人才计划"卢嘉锡国际合作团队"（GJTD-2020-09）、"青年促进会"项目（2018182、2021192）及辽宁省"兴辽计划"创新团队项目（XLYC1808027）的资助。相关成果列表及链接：1. Zhang ZJ*, Qu Z, Xu L, Liu R, Zhang P, Zhang ZF*, Langdon TG. A general physics-based hardening law for single phase metals. Acta Mater 231 (2022) 117877https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422002531#sec00202. Zhang ZJ*, Qu Z, Xu L, Liu R, Zhang P, Zhang ZF*, Langdon TG. Relationship between strength and uniform elongation of metals based on an exponential hardening law. Acta Mater 231 (2022) 117866.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542200252X3. Qu Z, Zhang ZJ*, Yan JX, Gong BS, Lu SL, Zhang ZF*, Langdon TG. Examining the effect of the aging state on strength and plasticity of wrought aluminum alloys. J Mater Sci Technol 122 (2022) 54-67.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030222001967?via%3Dihub4. Liu R, Zhang P*, Zhang ZJ, Wang B, Zhang ZF*. A practical model for efficient anti-fatigue design and selection of metallic materials: I. Model building and fatigue strength prediction. J Mater Sci Technol 70 (2021) 233-249.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030220307441?via%3Dihub5. Liu R, Zhang P*, Zhang ZJ, Wang B, Zhang ZF*. A practical model for efficient anti-fatigue design and selection of metallic materials: II. Parameter analysis and fatigue strength improvement. J Mater Sci Technol 70 (2021) 250-267.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S100503022030743X?via%3Dihub6. Li HF, Zhang P*, Wang B, Zhang ZF*. Predictive fatigue crack growth law of high-strength steels. J Mater Sci Technol 100 (2022) 46-50.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030221005053?via%3Dihub7. 张振军、张哲峰、张鹏、王强；一种金属材料拉伸性能的预测方法, 2021-7-6, ZL201711234799.0，发明。已授权8. 张哲峰、刘睿、张鹏、张振军、田艳中、王斌、庞建超；一种金属材料疲劳强度的预测方法，2021-8-10，ZL201711235841.0，发明。已授权9. 张鹏、李鹤飞、段启强、张哲峰；一种预测高强钢疲劳裂纹扩展性能的方法，2021-3-26，ZL201910030260.6，发明。已授权图1 ESH模型的建立与实验验证：(a-b) 模型推导过程；(c-d) 强度与塑性验证图2 ESH模型的应用：(a)建立"屈服强度-抗拉强度-均匀延伸率"之间定量关系；(b)实现拉伸性能及拉伸应力-应变曲线定量预测图3 高周疲劳强度预测模型的建立与验证：(a) 模型建立过程；(b,c) 系统性实验验证图4 (a)等疲劳裂纹扩展速率模型图 (b)工程材料强度-韧性与疲劳裂纹扩展速率关系