力学性能

2024年1月10日发(作者：侯友鹤)

力学性能

金属材料的力学性能是指金属在外加载荷（外力或能量）作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速度）联合作用下所表现的行为。力学性能通常表现为金属的变形和断裂，可以理解为金属抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力。

力学性能取决于材料的化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力及表面和内部缺陷等内在因素，但载荷性质、应力状态、温度和环境介质等外在因素对力学性能也有很大影响。

1.

拉伸试验

拉伸实验是材料力学实验中最重要的实验之一。任何一种材料受力后都要产生变形，变形到一定程度就可能发生断裂破坏。材料在受力——变形——断裂的这一破坏过程中，不仅有一定的变形能力，而且对变形和断裂有一定的抵抗能力，这些能力称为材料的力学机械性能。通过拉伸实验，可以确定材料的许多重要而又最基本的力学机械性能。例如：弹性模量E、比例极限Rp、上和下屈服强度ReH和ReL、强度极限Rm、延伸率A、收缩率Z。

弹性阶段oa

应力—应变呈线性关系（虎克定律），变形可逆，无论加力或卸力期间应力与应变之间保持单值线性关系，变形量比较小，一般不超过0.5—1%。弹性直线段最高点的应力称理论比例极限，从理论上讲过此点应力—应变偏离虎克定律。过了比例极限为滞弹性（或非线性弹性）范围，其结束点称为理论弹性极限，超过它微塑性应变发生，或微屈服应变发生。

弹性模量（E）的概念：在弹性变形阶段，应力与应变成正比关系，其比例因子既为弹性模量，它是表征残留弹性变形抗力的力学指标。即弹性直线段的斜率。

工程上，弹性模量是度量残留刚度的指标，其值越大，在相同应力下产生的弹性变形量越小。

塑性变形阶段（ad）：

过了弹性极限段是屈服前的微塑性应变阶段。接下来便是不连续屈服（或连续屈服）阶段，最高点是应变暴发性增长的点，屈服应变突然增加（连续屈服无此现象），致使应变速率高于试验机位移速率，导致应力减小或应力并不增加，保持相对平稳状态，但塑性应变在增加。屈服结束便是均匀塑性变形阶段，也称应变硬化阶段，应力单值增加，应变是均匀和连续的

微观分析屈服显现. 由于间隙原子C、N所形成的柯氏气团对位错有很强的钉扎作用，必须在较大的外加应力下才能使位错挣脱气团的钉扎而移动，这一应力值就是应力应变曲线上的上屈服点，位错一旦挣脱气团的钉扎，就可以在较低的应力下运动，这就是下屈服点，此时试样继续延伸而应力保持定值或作微小波动，这就是屈服齿或屈服平台

失稳断裂阶段（de）： 过了塑性应变硬化阶段，便是非均匀塑性变形阶段，分为分散性失稳和集中性失稳阶段。

拉伸试样的切取与制备试样（取样部位按GB/T2975规定）。

平行长度： 对于圆形横截面试样：Lc≥L0+d/2。对于矩形横截面积试样：Lc≥L0+1.5 。

过渡半径： 圆形横截面试样：r≥0.75d。矩形横截面和弧形横截面试样：r≥12mm。

宽厚比： 标准推荐不超过8:1，但不适于小于3mm的薄板。

表面粗糙度：矩形横截面试样Ra应不大于3.2μm（两面机加工样），对于四面机加工矩形横截面样Ra不大于0.8μm。

试样标距 比例试样A (或A11.3 )

试样原始标距与原始横截面积

L0kS0关系者称为比例试样。

短试样：k＝5.65，长试样： k＝ 11.3

圆形试样：短试样：L0=5d0，长试样：Lo=10d0

非比例试样

试样原始标距与原始横截面积无固定关系者称为非比例试样。A80mm （固定的原始标距）。

拉伸试验参数的定义

屈服点：呈现屈服现象的金属材料，试样在试验过程中力不增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力点。

上屈服强度（Reh）：试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。

下屈服强度（Rel）：在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力。

规定非比例延伸强度（Rp）试样标距部分的非比例延伸达到规定的原始标距百分比时的应力。例如： Rp0.2表示规定非比例延伸率为0.2%时的应力。

规定总延伸强度（Rt） 试样标距部分的总伸长（弹性延伸加塑性延伸）达到规定的原始标距百分比时的应力。例如：Rt0.5表示规定总延伸率为0.5%时的应力。

抗拉强度（Rm） 试样拉断过程中最大力所对应的应力

断面收缩率(Z) 断裂后试样横截面积的最大缩减量(So-SI)与原始横截面积(So)之比的百分率。

断后伸长率（A）断后标距的残余伸长(LI- Lo)与原始标距(Lo)之比的百分率。

应变硬化指数n值

n值的直接物理意义是材料均匀变形的能力，材料应变强化的能力是指把变形从大应变处向小应变处转移的能力，n值大材料不易进入分散失稳，这对拉胀类和拉深类成形都是有利的；n值隐含的物理意义是整个变形区域上应变分布的均匀性。因此在冲压以拉为主的零件时，n值大的材料，厚度分布均匀，表面质量好，不易产生裂纹，成形性能好。

塑性应变比r值

试样拉伸时，长度延伸，宽度和厚度都要收缩（变窄、变薄），实际拉伸时宽度和厚度方向的收缩并不相同，一般以宽度方向的应变量与厚度方向的应变量的比值r来表示这种差异，称为塑性应变比： 其直接物理意义是薄板抵抗厚度变化的能力，因为冲压成形时，一般都希望在板平面方向变形，不希望厚度发生过大的变化，宽向变窄可用毛料的尺寸来补偿，而厚向变薄容易导致破裂的发生，所以r值高则板平面方向容易变形。

试验结果处理

试验出现下列情况之一其试验结果无效，应重做同样数量试样的试验。

a) 试样断在标距外或断在机械刻划的标距标记上，而且断后伸长率小于规定最小值;

b) 试验期间设备发生故障，影响了试验结果

电子万能试验机的使用注意事项

1、由于电气参数初始化的原因，开机、关机时要注意顺序，开机顺序为主机－计算机－打印机，关机顺序为试验机－打印机－计算机。

2、安装试样前要注意将横梁限位调整好，以防止损坏机器。

3、上下移动横梁时，应注意不要超过横梁限位，并且防止夹具与引伸计的碰

撞，使引伸计受到损坏。如果发生应立即按下急停开关。

4、关闭夹具时防止身体被夹具夹伤，如果发生立即张开夹具。

2.冲击试验

金属夏比冲击试验的用途 金属夏比冲击试验是用于测定金属材料韧性应用最广泛的一种传统力学性能试验，也是评定金属材料在冲击载荷作用下人性的重要手段之一。

金属夏比冲击试验方法

实际是试样在三点弯曲受力状态下的简支梁式冲击弯曲试验。

在金属夏比缺口冲击试验方法中，根据试样缺口类型，可分为夏比V型缺口冲击验和夏比U型缺口冲击试验；根据试验温度，可分为室温、低温和高温夏比冲击试验。现执行GB/T229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》。

影响试样结果的主要因素

1.试样 2.试验装置 3 .试验技术

冲击试验的适用范围

对于试验温度有规定的，应在规定温度2℃范围内进行。如果没有规定，室温冲击试验应在23℃5℃范围进行，低于10℃为低温冲击试验；高于35℃为高温冲击试验，温度范围包括从-192℃的低温至1000℃的高温。这个范围适用于目前各种金属材料的试验

金属夏比冲击试验原理

用扬起一定高度的摆锤一次性打击处于简支梁状态的缺口试样，测定试样折断时所吸收的功。

如不考虑空气阻力及摩擦力等能量损失，冲击吸收功则为：

这里应注意，AK值指示的只是试样打断时所吸收的功，故反映不出在冲击过程中试样弹性、塑性及断裂特性。冲击吸收功主要消耗于产生两个新生自由表面和一部分体积塑性变形的能量。

冲击样坯的切取

为了客观反映材料的冲击性能，获得可比较的试验结果，应对冶金产品的取样位置做明确规定。

对于特殊产品或用途，在冶金产品标准或协议中有时规定了冲击样坯的切取位置和方向，但对于大多数冶金产品，例如碳钢和合金钢加工的钢板、条钢等，在这些产品标准中均规定按GB/T2975执行

1.加工余量

在取样时，应防止在加工中发热、加工硬化，以免影响冲击性能。通常，加工余量一般应不小于钢产品厚度或直径，但最小加工余量不应小于20mm，试验研究表明，当厚度或直径大于60mm时，热影响区范围对于产品尺寸的增大相对要减小，此时经协商后加工余量可适当减小。

表1-1 冷剪样坯的加工余量

产品直径或厚度

≤4

＞410

＞1020

＞2035

＞35

加工余量

4

厚度或直径

10

15

20

试样取样部位GB/T2975-1998

应在钢板宽度的1/4位置切取冲击样坯。对于纵轧钢板，当产品没有规定取样方向时，应取横向样坯，如果宽度不够，样坯中心可以内移。

标准冲击试样

根据缺口的形状及尺寸，标准中规定了三种标准夏比冲击试样：深度2mm的V型缺口试样、深度2mm的U型缺口试样和深度5mm的U型缺口试样。

冲击试样表面粗糙度应优于5μm，端部除外。

试样长度：是与缺口方向垂直的最大尺寸。对于标准试样长度为55mm，公差为±0.60ｍｍ。

试样宽度：是与缺口平行且垂直于高度方向的尺寸，标准试样宽度为10mm。允许公差为±0.10mm。

试样高度：是带有缺口的面和与之相对的面之间的距离，标准试样高度为10mm。允许公差规定为±0.05mm。

试样的缺口

夏比V型缺口冲击标准试样

缺口根部曲率半径为0.25mm，公差±0.025mm；

缺口深度2mm，缺口深度允许偏差实际为0.1mm；

缺口角度为45°，公差±2°。为了保证缺口与中心面的对称，还规定相对于中心面两侧的缺口角度为22.5°±1°

（2）缺口深度2mm的夏比U型缺口冲击标准试样

缺口根部曲率半径为1mm，公差±0.07mm；

缺口深度2mm，公差±0.1mm

缺口两边平行，宽度为2mm。

（3）缺口深度5mm的夏比U型缺口冲击标准试样

缺口深度5mm，其他尺寸均与缺口深度2mm的U型缺口冲击标准试样相同。

冲击实验操作技术

冲击试验之前，应对试验材料的韧性有所了解，以便选择适当的冲击试验机能量。实验前也应检查一下试样的尺寸，检查尺寸的两具最小分度值应不大于0.02mm。

温度的控制 对于试验温度有规定的，应在规定温度2℃范围内进行。如果没有规定，室温冲击试验应在23℃5℃范围进行，在低温冲击试验操作中，选择的冷却介质应安全、无毒性、凝固温度低、导热性能好、对金属无腐蚀作用。实践表明，较适合的冷却介质为冰、干冰、乙醇、液氮等。也可以用半导体制冷方法，制冷温度可达-60 ℃。

试样的放置与对中

试验时试样应紧贴支座和砧座放置，这点对于试验结果的准确和稳定性十分重要。

试验方法标准中规定，试样缺口对称面应位于两支座对称面上。其偏差不应大于0.5mm。

试样的保温时间

为保证试验结果的准确度，要求液体介质有适当的体积，试样距容器底部大于25mm；试样浸于液体中的深度至少25mm，试样在均匀搅拌的液体中要保持5min以上。

打击瞬间的温度保持

冲击瞬间温度偏离规定温度时，会使冲击吸收功发生明显变化。

比较合理的方法是尽量缩短转移试样的时间。

韧脆转变温度的测定

对于很多中低强度钢，当在低于某一温度下使用时，材料会产生脆化现象，断裂时由韧性状态转变为脆性状态，主要反映在冲击吸收功和断口形貌上，当温度降低时，在转变区，冲击吸收功明显下降，断口由纤维状变为结晶状，由微孔聚集型断裂转变为穿晶解理型断裂。

韧脆转变温度定义为：“在一系列不同温度的冲击试验中，冲击吸收功急剧变化或断口韧性急剧转变的温度”。

测定方法如下：

1.能量法 2.断面法 3.侧膨胀值法

试验结果的有效位数

冲击吸收功至少应保留两位有效数字，修约方法按GB/T 8170执行。

对于冲击吸收功为10J以下的试验结果,修约后应至少保留小数点后一位数字,例如8.5J;对于(10~100)J的试验结果,修约后至少两位整数,例如85J;对于100J以上的试验结果,则保留整数,例如147J。

试验结果报告

试验报告中必须给出试样的尺寸及缺口形状。对于标准试样，在报告中的冲击试验结果表示如下：

AKV —V型缺口试样的冲击吸收功；

AKU2—深度2mm的U型缺口试样冲击吸收功；

AKU5—深度5mm的U型缺口试样冲击吸收功。

3.硬度试验

硬度概念：硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能指标，其定义为在给定的载荷条件下，材料对形成表面压痕（刻痕）的抵抗能力。

硬度分类：维氏硬度 布氏硬度 洛氏硬度

影响试验结果的主要因素如下：

试验装置 试样 操作方法 试验结果

3.1布氏硬度的测定原理

对一定直径的硬质合金球施加试验力压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕的直径。

布氏硬度与 试验力除以压痕表面积的商成正比。

试样表面质量

在制备布氏硬度试样时，如果进行机加工，应注意加工时不应使试样过热，同时对加工速度应作适当控制，避免冷加工硬化对表面的影响。

试样表面应光滑、平坦，标准中要求试样表面粗糙度Ra通常应不大于1.6m。

布氏硬度试验范围和条件

试验有效范围（压痕直径）：

保证压痕直径0.24D~0.6D之间。(HBW653~95.5)

试验温度：

一般在10~35℃室温进行。对于温度要求严格的试验，温度为（23±5℃）。

试样厚度：

至少应为压痕深度的8倍。

试验点距要求：

压痕中心距试样边缘的距离至少为压痕平均直径的2.5 倍；两相邻压痕中心间距离至少为压痕平均直径的3倍。

布氏硬度值的表示方法：布氏硬度用符号HBW表示。符号HBW前面为硬度值，符号后面依次是：1）球直径；2）试验力数字；3）与规定时间（10s-15s）不同的试验力保持时间。

例1：350HBW5/750 表示用直径5mm的硬质合金在7.355kN（750kgf）试验力下保持10s-15s测定的布氏硬度值为350。

例2：600HBW1/30 /20 表示用直径1mm的硬质合金在294.2N（30kgf）试验力下保持20s测定的布氏硬度值为600。

试验方法要求

试样应稳固地放置在刚性的支台上，放置试样前对试样支承面及试样表面进行清洁.

试验时，使压头与试样表面接触，施加试验力，在加力过程中，应平稳的进行，从加力开始至全部试验力施加完毕的时间应在2s~8s之间，试验力保持时间一般在10s~15s。

布氏硬度压痕直径的测量

对压痕的测量作了原则规定，即：应在两相互垂直方向测量压痕直径，用两读数的平均值代入公式计算布氏硬度。

布氏硬度压痕间距

任一压痕中心距试样边缘的距离至少为压痕平均直径的2.5倍。两相邻压痕中心间距离至少为压痕平均直径的3倍。

3.2洛氏硬度的测定原理

将压头按下页试验示意图的两个步骤压入试样表面， 经规定保持时间后， 卸除主试验力（F1）， 测量在初试验力（F0））下的残余压痕深度 h，然后按下面公式得出测试结果。

洛氏硬度(HRC)＝100－h

0.002HRC采用金刚石圆锥压头，总试验力为1471N，主要用于测定一般钢材、硬度较高的铸件、珠光体可锻铁、以及淬火+回火的合金钢，是用途最广泛的洛氏硬度标尺。

HRB采用直径1.5875mm的球压头，总试验力为980.7N，常用于测定低碳钢，软金属、铜合金、铝合金及可锻铁等中、低硬度材料。

洛氏硬度计的质量是影响洛氏硬度试验结果准确度的主要因素之一。评定硬度计质量的主要指标包括试验力误差及重复性、压头表面质量及形位公差、压痕深度测量装置误差以及硬度计结果的稳定性。

硬度计主要由机架、加卸力机构、深度测量指示机构及试样升降支承机构组成

洛氏硬度试样的要求

对洛氏硬度试样表面的规定有两点，一点是尽可能保证试样面是平面，另一点要求表面粗糙度，过于粗糙的试样表面会使测定的洛氏硬度值偏低和数据分散度加大，因此标准中规定为Ra不大于0.8μm，尤其对于进行机加工的试样。

洛氏硬度试样厚度的要求

在洛氏硬度试验中，要求试样具有足够的厚度，否则试样压痕底部区域的应变硬化会传递到支承物上，是试验结果不准确。

试验后，试样背面不得有肉眼可见变形痕迹。对于用金刚石圆锥压头进行的试验，试样或试验层厚度应不小于残余压痕深度的10倍。

试样的支承

由于洛氏硬度试验采用测深方法得到硬度值，所以试验全过程中试样的稳固状态十分重要，试验中防止试样位移。

薄材料的试验：由于薄板有时有轻微挠曲，在试验时一定要注意试样挠曲的凹面应朝向压头，挠曲部分应于试台紧密接触。

洛氏硬度试验方法

使压头与试样表面接触，无冲击和振动地施加初试验力F0，初试验力保持时间不应超过3s；

无冲击和振动地将测量装置调整至基准位置，从初试验力施加到主试验力的时间在1s~8s之内；

总试验力保持时间为4s±2s。

两相邻压痕中心间距至少应为压痕直径的4倍，但不得小于2mm。任一压痕中心距试样边缘距离至少应为压痕直径的2.5倍，但不得小于1mm。

洛氏硬度试验结果的表示：

C和D标尺洛氏硬度用硬度数、符号HR和使用的标尺字母表示。

示例：59HRC表示用C标尺测得的洛氏硬度值为59.

3.3维氏硬度试验原理

维氏硬度试验测定目前所使用的绝大部分金属材料的硬度。维氏硬度的压痕为正方形，轮廓清晰，用测量对角线长度方法计算的硬度值精确度高、重复性好。维氏硬度压头采用相对面夹角为136°的金刚石正四棱锥体。维氏硬度试验方法标准中规定：“仅在试验力相同的条件下，才可以精确地比较维氏硬度值”。

试样表面应平坦光滑，试验面上应无氧化皮及外来污物，尤其不应有油脂，除非在产品标准中另有规定。维氏硬度试样表面粗糙度参数最大值为0.4μm。试样或试验层厚度至少应为压痕对角线长度的1.5倍，试验后试样背面不应有可见变形痕迹。试样应稳固地放置于刚性支承台上以保证试验中试样不产生位移。从加力开始到全部试验力施加完毕的时间应在2s~10s之间。试验力保持时间为10s~15s.对于特殊材料试验力保持时间可以延长，但误差应在±2s之内。两相邻压痕中心之间距离，对于钢、铜及铜合金至少应为压痕对角线长度的3倍。

维氏硬度表示方法:

维氏硬度用HV表示，在HV前面标示硬度数值，HV后面按顺序标出试验力和试验力保持时间，当试验力保持时间在10s~15s时不标注。

示例：650HV10表示在试验力为98.07N下保持10s~15s测定的维氏硬度值为650。