金属材料静态力学性能及测试标准

【前言】

2010年4月，应美国Science杂志邀请，我国金属材料研究领域的代表性人物、中科院金属所沈阳材料科学国家(联合)实验室主任、中国科学院院士卢柯研究员撰写了一篇题为“The Future of Metals”的展望性文章。文中认为(参照图1)，虽然由于比强度和比刚度较低，金属在工程材料中所占的份额日益减少，在重量作为主要考虑因素的应用领域(如航空及运动器材等)正逐步被其他材料所替代，但是，由于金属材料自身所具有的一些独特性质，如高强度、高断裂韧性、性能各向一致性、失效强度可预测性、独特的电磁学性能、在中高温度范围内良好的综合力学性能以及可回收性等，金属在很多工业领域，尤其是高可靠性和高持久性要求的应用领域仍是不可替代的材料[1]。而静态力学性能的表现是评价一种金属材料能否获得工程应用的重要参考因素之一，材料人网整理出了几种常见的金属材料静态力学性能的相关知识及测试标准，希望能对研究金属材料力学性能的你有所帮助。

图1 常见材料的断裂韧性-比强度关系图[1]

【金属材料的静态力学性能】

材料的力学性能是指材料构件在一定环境条件下，承受载荷或应力作用时状态的变化，变化总体上有三种基本类型，即弹性变形(elastic deformation)、塑性变形(plastic deformation)和断裂(fracture or rupture)[2]。下面根据静态载荷的变形方式来分别介绍金属材料拉伸、压缩、扭转、弯曲和硬度性能的相关知识。

(1)拉伸

拉伸试验是工业上广泛应用的力学性能试验方法之一，其特点是试验温度、应力状态及应变速率是恒定的。试验过程中通过试验机记录载荷及位移信号，根据样品的尺寸经过换算就可以得到工程应力应变曲线以及真应力应变曲线。

图2给出了一种典型的结构钢的拉伸应力应变曲线[3]，其中红色线条A表示的是工程应力应变曲线，蓝色线条B表示的是真应力应变曲线。我们可以看出，在拉伸过程的开始阶段，材料的应力应变保持线性关系同步提高，材料处于弹性变形阶段(卸载后变形可完全恢复)，直到应力达到点2，材料发生屈服，此时的应力值就是材料的屈服强度(yield strength)，接着材料进入了塑性变形阶段(卸载后变形不可完全恢复)，随着应变的增加应力缓慢提高，表现出一定程度的加工硬化现象(区域4)，当工程应力达到最大值点1(抗拉强度ultimate strength)之后开始下降，材料出现颈缩现象(区域5)，直至最后发生断裂(点3)。

根据材料的拉伸应力应变曲线，可以得到材料的一些基本力学性能指标，其中比较常用的指标及其定义如下：

(1)弹性模量(elastic modulus)：工程应力应变曲线弹性阶段的斜率;

(2)屈服强度(yield strength)：反映材料抵抗塑性变形的抗力，是材料由弹性变形进入塑性变形的标志，对于在拉伸过程中有明显屈服效应的材料，将其工程应力应变曲线上明显屈服效应的下屈服应力作为它的屈服强度(如退火低碳钢)，对于在拉伸过程中没有明显屈服效应的材料，屈服强度一般用名义屈服强度代替，即工程应力应变曲线上对应一定参与应变量(一般为0.2%)时的应力;

(3)抗拉强度(ultimate strength):代表材料的最大塑性变形抗力，是拉伸试验中达到的最大工程应力;

(4)塑性(plasticity)：指材料发生塑性变形的能力，由均匀塑性变形和非均匀塑性变形两大部分构成，塑性指标一般可用总延伸率和断面收缩率来表示。

图2 一种典型结构钢的拉伸应力应变曲线[3]

(2)压缩

金属拉伸试验中定义的力学性能指标和相应的计算公式，在压缩试验中基本上都适用。但是，对试样施加单轴压缩载荷时，其应力状态软性系数明显大于拉伸状态，使得有些在拉伸试验中显示脆性断裂的材料(如灰铸铁、陶瓷、非晶合金等)，在压缩试验中有可能会显示一定的塑性变形，或显示较高的强度。因此，在研究脆性材料的变形和断裂行为时往往采用压缩试验，同时测量其强度和塑性。压缩试样横截面一般为圆形或正方形。

(3)弯曲

弯曲试验一般用于比较脆且难以加工成拉伸棒的材料，如陶瓷、玻璃等，它具有试样形状简单、操作方便等特点。另外，弯曲试验时试样表面应力最大，可以灵敏地反应材料表面缺陷，常用于研究表面强化工艺及表面性能。图3给出了常见的三点弯曲试验的加载及记录的载荷挠度曲线示意图[4]，图中虚线对应的应力值即为材料的抗弯强度(flexural strength or bend strength)。

图3 弯曲试验加载及记录的载荷挠度曲线示意图[4]

(4)扭转

扭转试验可以实现高的应变，易于显示金属的塑性行为，特别是那些在拉伸时呈现脆性的金属材料的塑性性能，它还能比较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。它采用的试样为圆柱形试样，实验过程中整个试样长度上的塑性变形是均匀的，没有颈缩。图4给出了常见的扭转试验及扭转应力应变曲线示意图[5]，通过对试样施加扭转载荷，记录扭矩及扭转角，从而得到扭转应力应变曲线，从中还可以得到材料的剪切模量(shear modulus)。

图4 扭转试验加载及扭转应力应变曲线示意图[5]

(5)硬度

硬度表征的是固体材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，反映了金属材料的软硬程度。由于硬度测定比较方便快捷，又能敏感地反映出材料组织结构的差异，因而被广泛用于检查热处理工艺质量或研究热处理相变过程，它也常用于检查金属表面组织结构的变化和表面性能等。硬度的测试方法可以分为压入法、弹性回跳法和划痕法，下面分别进行简单介绍[6]：

(1)压入法生产中最常用的就是静载压入法硬度试验，因为这种试验方法的应力状态软性系数比单向压缩的还要大，几乎所有的金属材料都能产生局部塑性变形，压入法测量的硬度主要分为三种类型，即布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和维氏硬度(HV)。其中，布氏硬度以试验力除以压痕球形面积所得的数值来作为衡量标准，一般用于较软的材料，如有色金属及热处理之前或退火后的钢铁等;洛氏硬度以压痕深度来测量硬度，广泛应用于热处理的质量检验;维氏硬度试验测量范围较宽，几乎涵盖各种材料。

(2)弹性回跳法这种方法测量的硬度称为肖氏硬度(HS)，它是一种动载荷试验法，其原理是将一定重量的带有金刚石圆头或钢球的锤，从一定高度落于金属试样表面，根据重锤回跳的高度来表征金属硬度值大小。因而也称为回跳硬度。

(3)划痕法这种方法测量的硬度称为莫氏硬度，它应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试样品的表面而产生划痕，用测得的划痕深度分十级来表示硬度的大小，一般用于衡量矿物或宝石等材料的硬度。

图5给出了几种常见的硬度测量装置。需要指出的是，硬度的物理意义随硬度测试方法类型的变化而变化，因此，针对不同材料、形状、尺寸及所要研究的问题，需要搞清试验原理，掌握应用范围及试验特点，从而才能选择正确的硬度测试方法进行试验。

图5 几种常见的硬度测量装置

【相关测试标准汇总】

无规矩不成方圆，因此，要想对以上提到的金属材料的静态力学性能进行测试，就需要遵守相应的试验标准。小编整理了国标中与金属材料静态力学性能测试相关的一些测试标准，其中包括：《GB-T 228-2002_金属材料室温拉伸试验方法》《GB-T 4338-2006_金属材料高温拉伸试验方法》《GB-T 13239-2006_金属材料低温拉伸试验方法》《GB-T 2039-1997_金属拉伸蠕变及持久试验方法》《GB-T 7314-2005_金属材料室温压缩试验方法》《GB-T 232-1999_金属材料弯曲试验方法》《GB-T 244-2008_金属管弯曲试验方法》《GB-T 14452-1993_金属弯曲力学性能试验方法》《GB-T 10128-2007_金属材料室温扭转试验方法》《GB-T 239-1999_金属线材扭转试验方法》《GB-T 6400-2007_金属材料线材和铆钉剪切试验方法》《GB-T 4341-2001_金属肖氏硬度试验方法》《GB-T 230.1-2009_金属材料洛氏硬度试验_第1部分-试验方法》《GB-T 231.1-2009_金属材料布氏硬度试验-第1部分-试验方法》《GB-T 4340.1-2009_金属材料维氏硬度试验_第1部分-试验方法》

【参考文献】

[1] K. Lu, The future of metals, Science, 2010.

[2] 杨王玥, 强文江等, 材料力学行为, 化学工业出版社, 2009.

[3] Beer F., Johnston R., Dewolf J., Mazurek D., Mechanics of materials, McGraw-Hill companies, 2009.

[4] Michael Ashby, Materials selection in mechanical design, Butterworth-Heinemann, 2011.

[5] Case John, Ross Carl, Chilver Lord, Strength of Materials and Structures, Elsevier, 1999.

[6] 张哲峰, 中科院金属所《材料力学性质》课程讲义, 2014.

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