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GB/T 32498-金属基复合材料力学拉伸试验解析


一、标准概述


GB/T 32498-2016《金属基复合材料 拉伸试验 室温试验方法》的发布具有重要的现实意义。随着科技的不断发展,对高性能材料的需求日益增长。金属基复合材料结合了金属的强度和复合材料的特性,在航空航天、汽车制造等领域具有广泛的应用前景。
该标准的制定,为颗粒增强金属基复合材料及短纤维增强金属基复合材料的室温拉伸试验提供了规范和指导。它明确了试验方法的术语和定义、符号和说明、原理等,使得不同实验室和生产企业在进行拉伸试验时能够有统一的标准可循,确保了试验结果的准确性和可比性。
例如,在航空航天领域,对材料的性能要求极高。金属基复合材料的拉伸性能直接关系到飞行器的结构强度和安全性。GB/T 32498-2016 的实施,有助于提高金属基复合材料在航空航天领域的应用可靠性。

此外,该标准的适用范围明确,为颗粒和短纤维增强金属基复合材料的性能评估提供了科学的方法。这对于推动金属基复合材料的研发和应用具有重要的促进作用。


二、标准内容


(一)范围规定

GB/T 32498-2016 标准对金属基复合材料拉伸试验的各个方面进行了明确规定。在术语定义方面,清晰地界定了金属基复合材料、标距等关键概念,为试验操作和结果解读提供了准确的语言基础。符号说明则使试验过程中的数据表达更加简洁明了,便于不同人员之间的交流与理解。原理部分阐述了拉伸试验的基本原理,为试验的科学性提供了理论支撑。
在设备方面,标准对试验所需的各种设备进行了规范,确保试验结果的准确性和可靠性。试样的规定包括试样的形状、尺寸、制备方法等,为试验提供了统一的样本标准。同时,标准还对试验要求和报告内容进行了详细说明,使试验过程更加规范,结果更加具有可追溯性。

(二)试验项目

室温拉伸试验是该标准的核心项目。通过对金属基复合材料在室温下进行拉伸试验,可以获得材料的拉伸性能参数,如抗拉强度、屈服强度、延伸率等。这些参数对于评估材料的力学性能和适用范围至关重要。室温拉伸试验能够模拟材料在实际使用环境中的受力情况,为材料的设计和应用提供可靠的数据支持。

(三)试验设备

金属拉伸试验机是进行金属基复合材料拉伸试验的关键设备。它能够提供精确的拉力和位移测量,确保试验结果的准确性。环仪仪器作为设备厂商,在金属拉伸试验机的研发和生产方面具有丰富的经验和技术实力。其生产的金属拉伸试验机具有高精度、高稳定性和可靠性等特点,能够满足 GB/T 32498-2016 标准对试验设备的要求。

(四)试验程序

规定塑性延伸强度的测定是通过力 - 延伸曲线图来进行的。在曲线图上作一条与曲线的弹性直线段部分平行,且在延伸轴上与此直线段的距离等效于规定塑性延伸率的平行线。此平行线与曲线的交截点给出相应于所求规定塑性延伸强度的力,此力除以试样原始横截面积 S0,得到规定的塑性延伸强度。例如,在实际操作中,根据不同材料的特性和要求,规定塑性延伸率可能会有所不同。一般来说,对于颗粒增强金属基复合材料,规定塑性延伸率可能在 1% - 5% 之间;而对于短纤维增强金属基复合材料,规定塑性延伸率可能在 2% - 6% 之间。

规定总延伸强度的测定在力 - 延伸曲线图上,作一条平行于力轴并与该轴的距离等效于规定总延伸率的平行线,此平行线与曲线的交截点给出相应于规定总延伸强度的力,此力除以试样横截面积 S,得到规定总延伸强度 R0。也可不绘制力 - 延伸曲线图而使用自动处理装置或自动测试系统测定规定总延伸强度,按照 GB/T 228.1 - 2010 附录 A 进行。规定总延伸强度的测定对于评估材料的整体性能具有重要意义,它能够反映材料在拉伸过程中的最大承载能力。


三、拉伸试验意义


GB/T 32498-2016 标准中的拉伸试验对于评估金属基复合材料性能具有至关重要的作用。
首先,通过拉伸试验可以准确地获取金属基复合材料的力学性能参数,如抗拉强度、屈服强度、延伸率等。这些参数为材料的设计和应用提供了关键的数据支持。例如,在汽车制造领域,了解材料的抗拉强度可以确保汽车零部件在承受各种应力时不会发生断裂,提高汽车的安全性和可靠性。据统计,采用金属基复合材料制造的汽车零部件,相比传统材料能够减轻重量约 30%,同时提高强度约 20%。
其次,拉伸试验能够模拟材料在实际使用环境中的受力情况,帮助工程师更好地了解材料的性能特点。例如,在航空航天领域,飞行器在飞行过程中会受到各种复杂的力的作用,通过拉伸试验可以评估金属基复合材料在这些力的作用下的性能表现,为飞行器的结构设计提供依据。
此外,该标准的实施有助于提高金属基复合材料在不同领域的应用可靠性。由于不同实验室和生产企业在进行拉伸试验时都遵循统一的标准,因此可以确保试验结果的准确性和可比性。这对于推动金属基复合材料的研发和应用具有重要的促进作用。

总之,GB/T 32498-2016 标准中的拉伸试验对于评估金属基复合材料性能具有不可替代的重要作用,通过准确的试验数据和规范的操作流程,为材料的设计、生产和应用提供了有力的保障,便于更好地理解和推广该标准。


四、拉伸试验方法


GB/T 32498-2016《金属基复合材料拉伸试验室温试验方法》在制定过程中引用了一系列标准,为试验的科学性和准确性提供了有力保障。其中包括 GB/T 12160《金属材料单轴试验用引伸计系统的标定》,该标准于 2019 年 10 月 18 日更新;GB/T 16825.1《金属材料静力单轴试验机的检验与校准第 1 部分:拉力和(或)压力试验机测力系统的检验与校准》,2022 年 10 月 14 日更新;GB/T 22066《静力单轴试验机用计算机数据采集系统的评定》;GB/T 22315《金属材料.弹性模量和泊松比试验方法》;GB/T 228.1 - 2010《金属材料.拉伸试验.第 1 部分:室温试验方法》;GB/T 2975《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》,2018 年 5 月 14 日更新。这些引用标准在金属材料的力学性能测试方面具有权威性,确保了金属基复合材料拉伸试验的可靠性。
GB/T 32498-2016 的历代版本情况如下:2016 年发布了该标准的现行版本,规定了金属基复合材料拉伸试验方法的术语和定义、符号和说明、原理、试验设备、试样、试验要求和试验报告。本标准适用于颗粒增强金属基复合材料及短纤维增强金属基复合材料的室温拉伸试验。目前,GB/T 32498-2016 仍然是该标准的最新版本,在金属基复合材料的室温拉伸试验中发挥着重要作用。

在具体的拉伸试验方法中,首先要明确试验的范围和适用对象。该标准适用于颗粒增强金属基复合材料及短纤维增强金属基复合材料的室温拉伸试验,明确了试验的边界条件。其次,在试验设备方面,要求使用符合标准的金属拉伸试验机,确保设备的精度和稳定性。对于试样的制备,也有严格的规定,包括试样的形状、尺寸、制备方法等,以保证试验结果的准确性和可比性。在试验过程中,要严格按照标准规定的试验程序进行操作,包括规定塑性延伸强度和规定总延伸强度的测定方法等。同时,要注意引用标准的更新情况,及时调整试验方法,以确保试验结果的有效性。


五、金属基复合材料特点


(一)金属基复合材料的特点

金属基复合材料具有诸多显著特点。首先是高比强度和高比模量,这意味着在同等重量下,它能承受更大的应力和具有更高的刚度。例如,碳纤维增强铝复合材料其比强度可达 3~4×107mm,比模量为 6~8×109mm。其次,具有良好的导电、导热性能,这使得它在电子、热控等领域有广泛的应用前景。再者,热膨胀系数小、尺寸稳定好,能够在不同温度环境下保持稳定的尺寸,减少因热胀冷缩带来的影响。同时,它还具有良好的高温性能,在高温环境下仍能保持较高的强度和刚度,适合应用于航空航天、发动机等高温工作环境。此外,金属基复合材料耐磨性好,能够减少因摩擦带来的损耗,延长使用寿命。疲劳性能和断裂韧度好,使其在承受反复载荷时表现出更好的可靠性。而且,它具有性能再现性及可加工性好的特点,便于根据不同的需求进行加工和制造。不吸潮、不老化、气密性好,保证了其在各种环境下的稳定性和可靠性。

(二)增强体材料的特性

作为金属基复合材料的增强体应具有以下基本特性:

能明显提高金属基某种所需特性的性能,如高的比强度、比模量、高导热性、耐热性、耐磨性、低热膨胀性等。以高热导率的碳纳米管、金刚石、高定向热解石墨作为增强相,可获得高导热、低膨胀、低密度的理想电子封装材料。例如,在热管理性能方面,金刚石颗粒增强铝复合材料的导热系数可达 550~600W/mK,线膨胀系数为 7.0~7.5ppm/K,密度为 3.1g/cm3。

良好地化学稳定性,在金属基复合材料制备和使用过程中其组织结构和性能不发生明显地变化和退化,与金属基体有良好的化学相容性,不发生严重的界面反应。

与金属有良好地润湿性,通过表面处理能与金属基体良好润湿、复合和分布均匀。

(三)金属基体的选择原则

使用性能要求:金属基复合材料构(零)件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。例如,航天航空领域需要高比强度、高比模量、尺寸稳定性的材料,常选用 Al、Ti 等作为基体;高性能发动机要求高比强度、高比模量、耐高温性能,可选用 Ti、Ni、金属间化合物作为基体。

增强物性质和增强机制:金属基复合材料有连续增强和非连续增强之分。在连续纤维增强金属基复合材料中,基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主,基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性。对于非连续增强(颗粒、晶须、短纤维)金属基复合材料,基体的强度对其具有决定的影响。

界面反应:在金属基复合材料制备过程中,金属基体与增强物在高温复合过程中会发生不同程度的界面反应。基体金属中往往含有不同类型的合金元素,这些合金元素与增强物的反应程度不同,反应后生成的反应产物也不同。因此,需在选用基体合金成分时充分考虑,尽可能选择既有利于金属与增强物浸润复合,又有利于形成合适稳定的界面的合金元素。

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