帶你了解材料力學性能及試驗
文/德瑞儀器
目錄
材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能
材料在其他靜載荷下的力學性能
材料在沖擊載荷下的力學性能
材料在變動載荷下的力學性能
材料在環境條件下的力學性能
材料在高溫條件下的力學性能
材料的磨損性能
01
材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能
1.1 拉伸試驗
1.1.1 概述
拉伸試驗是標準拉伸試樣在靜態軸向拉伸力不斷作用下以規定的拉伸速度拉至斷裂，并在拉伸過程中連續記錄力與伸長量，從而求出其強度判據和塑性判據的力學性能試驗。
強度指標：彈性極限、屈服強度、抗拉強度；
塑性指標：斷后伸長率、斷面收縮率。
1.1.2 概念
應力：應力是在它所作用面積上的力，用N/mm2表示，在米制單位中，用千帕（kPa）或兆帕（MPa）表示。
應變：是被測試材料尺寸的變化率，它是加載后應力引起的尺寸變化。由于應變是一個變化率，所以它沒有單位。
原始標距(Lo)：施力前的試樣標距。
斷后標距(Lu)：試樣斷裂后的標距。
平行長度(Lc)：試樣兩頭部或兩夾持部分(不帶頭試樣)之間平行部分的長度。
斷后伸長率(A)：是斷后標距的殘余伸長(Lu-Lo)與原始標距(Lo)之比的百分率。
斷面收縮率(Z)：斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量(So-Su)與原始橫截面積(So)之比的百分率。
最大力(Fm)：試樣在屈服階段之后所能抵抗的最大力。
屈服強度：當金屬材料呈現屈服現象時，在試驗期間達到塑性變形發生而力不增加的應力點。
上屈服強度：試樣發生屈服而力首次下降前的最高應力。
下屈服強度：在屈服期間，不計初始瞬時效應時的最低應力。
1.1.3 拉伸應力-應變曲線
以低碳鋼的拉伸應力—應變曲線為例。
OB—彈性階段，BC—屈服階段
CD—強化階段，DE—頸縮階段
試樣在各階段變化的示意圖
金屬材料在彈性變形階段，其應力和應變成正比例關系，符合胡克定律，即 σ= E·ε，其比例系數E稱為彈性模量。
彈性極限σp與比例極限σe非常接近，工程實際中近似地用比例極限代替彈性極限。
屈服強度：當金屬材料呈現屈服現象時，在試驗期間達到塑性變形發生而力不增加的應力點，應區分上屈服強度和下屈服強度。通常把下屈服點對應的應力值稱為屈服強度。
經過屈服階段后，曲線從C點又開始逐漸上升，說明要使應變增加，必須增加應力，材料又恢復了抵抗變形的能力，這種現象稱作強化，CD段稱為強化階段（加工硬化）。
曲線最高點所對應的應力值記作，稱為材料的抗拉強度(或強度極限)，它是衡量材料強度的又一個重要指標。 強度極限是材料在整個拉伸過程中所能承受的最大拉力。
曲線到達D點，在試件比較薄弱的某一局部(材質不均勻或有缺陷處)，變形顯著增加，有效橫截面急劇減小，出現了縮頸現象。此后，試件的軸向變形主要集中在頸縮處，試件最后在頸縮處被拉斷。
a是低碳鋼的應力-應變曲線，它有鋸齒狀的屈服階段，分上下屈服，均勻塑性變形后產生縮頸，然后試樣斷裂；
b是中碳鋼的應力-應變曲線，它有屈服階段，但波動微小，幾乎成一條直線，均勻塑性變形后產生縮頸，然后試樣斷裂。
c是淬火后低、中溫回火鋼的應力-應變曲線，它無可見的屈服階段，均勻塑性變形后產生縮頸，然后試樣斷裂；
d是鑄鐵、淬火鋼等較脆材料的應力-應變曲線，它不僅無屈服階段，而且在產生少量均勻塑性變形后就突然斷裂。
1.1.4 拉伸試樣形狀及尺寸
拉伸試樣的一般形狀
需要加工制樣：壓制坯、鑄錠、無恒定截面的產品；
不需加工制樣：有恒定橫截面的型材、棒材、線材、鑄造試樣；
橫截面的形狀：圓形、矩形、多邊形、環形，其他形狀；
試樣的原始標距：
比例試樣 Lo=kSo1/2 (短比例試樣：k=5.65;長比例試樣：k=11.3)
非比例試樣 Lo與So1/2 無關
圓形橫截面拉伸試樣的形狀和尺寸符號
比例試樣尺寸
原始直徑d0：3、5、6、8、10、15、20、25，優先采用5、10、20mm
原始標距L0≥15mm，短試樣（優先） L0=5d0 ，長試樣L0=10d0
平行長度LC ≥ L0+d0/2 ，仲裁試驗： LC=Lo+2d0
試樣總長度 Lt 取決于夾持方法，原則上Lt>Lc+4d0
過渡圓半徑r≥0.75d0
矩形橫截面拉伸試樣的形狀和尺寸符號
矩形截面非比例試樣
原始厚度b0>3mm
原始標距L0：短試樣(優先) L0=5.65s01/2 ,長試樣L0=11.3s01/2 ；若L0<15mm，采用非比例試樣
平行長度LC≥Lo+ 1.5s01/2 ，仲裁試驗：LC=Lo+2s01/2
過渡圓半徑r≥12mm.
薄板非比例試樣
原始寬度b0=12.5、20、25mm
頭部寬度≥1.2b0
過渡弧半徑r≥20mm
b0=12.5mm，L0=50mm，帶頭LC=75mm，不帶頭LC=87.5mm
b0=20.0mm，L0=80mm，帶頭LC=120mm，不帶頭LC=140mm
b0=25.0mm，L0=50mm，帶頭LC=100mm，不帶頭LC=120mm
經過機加工試樣
不經機加工試樣
1.1.5 拉伸試驗前的準備
（1）取樣與制樣
取樣部位、取樣方向、取樣數量是對材料性能試驗結果影響較大的3個因素，被稱為取樣三要素。
樣坯的切取部位、方向和數量應按照相關產品標準GB/T2975-2018《鋼及鋼產品力學性能取樣位置及試樣制備》或協議的規定。
取樣方法
從原材料（型材、棒材、板材、管材、絲材、帶材等）上直接取樣試驗；
從產品上的重要部位（最薄弱、最危險的部位）取樣試驗；
以實物零件直接試驗，如、鋼筋、螺栓、螺釘或鏈條等；
以澆注的鑄件試樣直接試驗或經加工成試樣進行試驗。
（2）試樣加工
防止冷變形或受熱而影響其力學性能。通常以切削加工為宜。
平行段應光滑，無加工硬化，無缺口、刀痕、毛刺等缺陷；
脆性材料夾持部分與平行段應有較大半徑的圓弧過渡；
不經機加工鑄件試樣表面上的夾砂、夾渣、毛刺、飛邊等必須加以清除。
（3）試樣檢查、標記
試驗前應先檢查試樣外觀是否符合要求。
試樣原始標距一般采用細劃線或墨線進行標定，所采用的方法不能影響試樣過早斷裂。
對于特薄或脆性材料，可在試樣平行段內涂上快干著色涂料，再輕輕劃上標線。
（4）尺寸測量（試樣的原始橫截面積）
圓形截面試樣：圓形在標距兩端及中間三處橫截面上相互垂直兩個方向測量直徑，以各處兩個方向測量的直徑的算術平均值計算橫截面積;取三處測得橫截面積平均值作為試樣原始橫截面積。（S0=1/4πd02）
矩形截面試樣：在標距兩端及中間三處橫截面上測量寬度和厚度，取三處測得橫截面積平均值作為試樣原始橫截面積。（S0=a0×b0）
1.1.6 拉伸試驗設備
拉力試驗機又名萬能材料試驗機。
萬能試驗機是用來針對各種材料進行儀器設備靜載、拉伸、壓縮、彎曲、剪切、撕裂、剝離等力學性能試驗用的機械加力的試驗機。萬能試驗機組成：加載機構、夾樣機構、記錄機構、測力機構。標準：《GB/T 16491-2008 電子萬能試驗機》
夾持裝置用于對不同形狀、尺寸和材質的試樣能順利進行試驗。引伸計用于測定微小塑性變形的長度測量儀。
試驗設備校驗：
電子萬能試驗機：《GB/T 16825.1-2008 靜力單軸試驗機的檢驗 第1部分：拉力和壓力試驗機測力系統的檢驗與校準》、《GB/T 16825.2-2005靜力單軸試驗機的檢驗 第2部分：拉力蠕變試驗機 施加力的檢驗》
引伸計：《GB/T 12160-2002 單軸試驗用引伸計的標定》
電子萬能試驗機及其構造
氣動夾具（左）、液壓夾具（右）
CSS2210 電子萬能試驗機引伸計（左）、WDW-100 電子萬能試驗機引伸計（右）
1.1.7 拉伸試驗步驟
1.2 性能指標
1.2.1 彈性
彈性模量E（E=σ/ε）表征材料抵抗正應變的能力。工程上彈性模量被稱為材料的剛度，表征金屬材料對彈性變形的抗力，其值越大，則在相同的應力狀態下產生的彈性變形量越小。
比彈性模量為彈性模量與密度的比值。
1.2.2 強度
材料強度的大小通常用單位面積上所承受的力來表示。（單位：Pa、MPa、N/m2）
抗拉強度（或強度極限）是指試件斷裂前所能承受的最大工程應力，用來表征材料對最大均勻塑性變形的抗力。
上屈服強度：ReH=FeH/S0
下屈服強度：ReL=FeL/S0
抗拉強度：Rm=Fm/S0
oa——總變形；ba—彈性變形99.8%；塑性變形0.2%
（條件屈服強度： Rp0.2表示規定塑性延伸率為0.2%時對應的應力）
硬鋼（高碳鋼）強度高，塑性差，拉伸過程無明顯屈服階段，無法直接測定屈服強度，用條件屈服強度來代替屈服強度。
1.2.3 塑性
金屬材料斷裂前所產生的塑性變形由均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分組成。試樣拉伸至頸縮前的塑性變形是均勻塑性變形，頸縮后頸縮區的塑性變形是集中塑性變形。
試件拉斷后，彈性變形消失，但塑性變形仍保留下來。工程上用試件拉斷后遺留下來的變形表示材料的塑性指標。
常用的塑性指標有兩個：斷后伸長率A=[(Lu-L0)/L0]×100%，斷面收縮率Z=[(S0-Su)/S0] ×100%。
1.2.4 應變硬化
在真應力-真應變曲線中，應力與應變之間符合Hollomon關系，即S=Ken（n為加工硬化指數或應變硬化指數）。
應變硬化指數n反映了材料開始屈服后，繼續變形時材料的應變硬化情況，它決定了材料開始發生緊縮時的最大應力σb。形變硬化是提高材料強度的重要手段。
工程應力-應變曲線與真應力應變曲線對比
1.2.5 韌性
韌性是指材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。
韌度是度量材料韌性的力學性能指標，分為靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度。
靜力韌度是指金屬材料在靜拉伸時單位體積材料斷裂前所吸收的功，是強度和塑性的綜合指標。韌度為應力-應變曲線下的面積。
1.3 相關標準
02
材料在其他靜載荷下的力學性能
2.1 壓縮試驗
2.1.1 概述
壓縮試驗是測定材料在軸向靜壓力作用下的力學性能的試驗，是材料機械性能試驗的基本方法之一。主要用于測定金屬材料在室溫下單向壓縮的屈服點和脆性材料的抗壓強度。
壓縮性能是指材料在壓應力作用下抗變形和抗破壞的能力。
工程實際中有很多承受壓縮載荷的構件，如大型廠房的立柱、起重機的支架、軋鋼機的壓緊螺栓等。這就需要對其原材料進行壓縮試驗評定。
2.1.2 概念
壓縮屈服強度：當金屬材料呈現屈服現象時，試樣在試驗過程中達到力不在增加而繼續變形時所對應的壓縮應力。
上壓縮屈服強度：試樣發生屈服而力首次下降前的最高壓縮應力。
下壓縮屈服強度：屈服期間不計瞬時效應時的最低壓縮應力。
抗拉強度：對于脆性材料，試樣壓至破壞過程中的最大壓縮應力。
壓縮彈性模量：試驗過程中，軸向壓應力與軸向應變呈線性比例關系范圍內的軸向壓應力與軸向應變的比值。
2.1.3 試驗設備儀器及試樣
設備儀器：（1）材料萬能試驗機；（2）游標卡尺。
壓縮試樣通常為柱狀，橫截面有圓形和方形兩種。
試樣受壓時，兩端面與試驗機壓頭間的摩擦力會約束試樣的橫向變形，且試樣越短，影響越大；但試樣太長容易產生縱向彎曲而失穩。
2.1.4 壓縮試驗的力學分析
低碳鋼試樣裝在試驗機上，受到軸向壓力F作用，試樣產生變形量△l兩者之間的關系如圖。
低碳鋼壓縮時也有彈性階段、屈服階段和強化階段。低碳鋼壓縮變形，不會斷裂，由于受到上下兩端摩擦力影響，形成“鼓形”。
試樣直徑相同時，低碳鋼壓縮曲線和拉伸曲線的彈性階段幾乎重合，屈服點也基本一致。
低碳鋼是塑性材料，試樣屈服后，塑性變形迅速增長，其橫截面積也隨之增大，增加的面積又能承受更大的載荷，所以只能測得屈服極限，無法測得強度極限。
鑄鐵試樣裝在試驗機上，受到軸向壓力F作用，試樣產生變形量△l兩者之間的關系如圖。
灰鑄鐵的抗壓強度是其抗拉強度的3-4倍。
鑄鐵在較小變形下出現斷裂，略成“鼓形”，斷面的法線與軸線成45—55度；
試樣直徑相同時，鑄鐵壓縮曲線和拉伸曲線差異較大，其抗壓強度遠大于抗拉強度。
2.2 彎曲試驗
2.2.1 概述
彎曲性能指材料承受彎曲載荷時的力學性能。
彎曲試驗檢驗材料在受彎曲載荷作用下的性能，許多機器零件（如脆性材料制作的刀具、橫梁、車軸等）是在彎曲載荷下工作的，主要用于測定脆性和低塑性材料(如鑄鐵、高碳鋼、工具鋼等)的抗彎強度并能反映塑性指標的撓度；彎曲試驗還可用來檢查材料的表面質量。
試驗一般在室溫下進行，所以也稱為冷彎試驗。
2.2.2 概念
撓度：彎曲變形時橫截面形心沿與軸線垂直方向的線位移；
彎曲應力：彎曲時產生的應力；
彎曲應變：試樣跨度中心外表面上單元長度的微量變化；
彎曲彈性模量：彎曲應力與彎曲應變呈線性比例關系范圍內的彎曲應力與應變之比。
彎曲強度：在達到規定撓度值時或之前，負荷達到最大值時的彎曲應力；
2.2.3 彎曲試驗原理
將一定形狀和尺寸的試樣放置于一定跨距L的支座上，并施加一集中載荷，使試樣產生彎曲應力和變形。
彎曲試驗分為三點彎曲和四點彎曲，三點彎曲是最常用的試驗方法。
2.2.4 彎曲試樣及試驗裝置
彎曲試驗試樣的橫截面形狀可以為圓形、方形、矩形和多邊形，但應參照相關產品標準或技術協議的規定；
室溫下可用鋸、銑、刨等加工方法截取，試樣受試部位不允許有任何壓痕和傷痕，棱邊必須銼圓，其半徑不應大于試樣厚度的1/10；
彎曲試驗通常在萬能材料試驗機或壓力機上進行；常用的彎曲裝置有支輥式、V型模具式、虎鉗式、板式等。
2.2.5 彎曲試驗的力學分析
彎曲曲線是通過彎曲試驗得到的彎曲載荷和試樣彎曲撓度的關系曲線。
試樣彎曲時，受拉側表面的最大正應力：σ=M/W。（M—最大彎矩，三點彎曲：M=FLs/4；四點彎曲：M=Fa/2；W—抗彎截面系數，對于直徑為d的圓形試樣：W=πd3/32；對于寬帶為b，高為h的矩形試樣：W=bh2/6。
2.2.6 性能指標
抗彎強度——試樣彎曲至斷裂前達到的，按彈性彎曲應力公式計算得到的最大彎曲應力，用符號σbb表示：σbb=Mb/W（Mb—斷裂時的彎矩）
灰鑄鐵的抗彎性能優于抗拉性能。
斷裂撓度fbb——將試樣對稱地安放在彎曲試驗裝置上，撓度計裝在試樣中間的測量位置上，對試樣連續施加彎曲力，直至試樣斷裂，測量試樣斷裂瞬間跨距中點的撓度。
2.3 剪切試驗
2.3.1 概述
剪切試驗用于測試材料的剪切強度，剪切試驗實際上就是測定試樣剪切破壞時的最大錯動力。
受剪切力作用的工程結構件有螺栓、銷釘、鉚釘等。
作用在試樣兩個側面的載荷，其合力為大小相等、方向相反、作用線相距很近的一對力，如圖所示：
2.3.2 剪切試驗分類
一般分為單剪試驗、雙剪試驗、沖孔試驗、開縫剪切試驗和復合鋼板剪切試驗等。
2.3.4 試樣及試驗裝置
剪切試樣根據剪切試驗方法和夾具確定。
圓柱形試樣：試樣直徑和長度根據夾具確定，一般取直徑為5，10，15mm。沖孔板狀試樣：薄板不能做成圓柱形試樣時，可用沖孔剪切試樣，板狀試樣厚度一般小于5mm。實際零件剪切試樣：用實際零件如鉚釘、螺栓等。
2.3.5 剪切性能的測定
室溫剪切試驗應在10~35℃下進行；
對不同的試樣，選擇合適的裝置，裝置安裝時，與試驗機的壓頭中心線一致，不 得偏心；
剪切試驗速度≯15mm/min，高溫≯5mm/min；
高溫剪切試驗：試驗升溫時間≯1h，保溫時間為15～30min。
2.3.6 剪切試驗數據處理
試樣剪斷后，記下剪切試驗過程的最大試驗力F。按以下公式計算抗剪強度τb，MPa。
單剪抗剪強度：τb=F/S0（S0—試樣原始橫截面積，mm2）
雙剪抗剪強度：τb=F/2S0=2F/(πd2)（S0—試樣原始橫截面積，mm2）
雙剪抗剪強度：τb=F/(πd0t)（d0—沖孔直徑，mm2；t——試樣厚度，mm）
抗剪強度的計算精確到3位有效數。
剪斷后發生彎曲、斷口出現鍥形、橢圓形等剪切截面，結果無效，應重做。
2.4 扭轉試驗
2.4.1 概述
扭轉試驗是測定材料抵抗扭矩作用的一種試驗，是材料機械性能試驗的基本試驗方法之一。扭轉試驗是對試樣施加扭矩T，測量扭矩T及相應的扭角φ ，繪制出扭轉曲線圖，一般扭至斷裂，以便測定金屬材料的各項扭轉力學性能指標。
在機械、石油、冶金等工程中有許多機械零部件承受扭轉載荷作用的實例，如如軸、彈簧等需進行扭轉試驗。
扭轉時應力狀態的柔度系數較大，因而可用于測定那些在拉伸時表現為脆性的材料。如：淬火低溫回火工具鋼的塑性。
圓柱試件在扭轉試驗時，整個長度上的塑性變形始終是均勻的。試件截面及標距長度基本保持不變，不會出現靜拉伸時試件上發生的頸縮現象。
扭轉試驗可以明確地區分材料的斷裂方式，正斷或切斷。對于塑性材料，斷口與試件的軸線垂直，斷口平整并有回旋狀塑性變形痕跡。
扭轉試驗時，試件截面上的應力應變分布表明，該試驗對金屬表面缺陷顯示很大的敏感性。因此，可利用扭轉試驗研究或檢驗工件熱處理的表面質量和各種表面強化工藝的效果。
扭轉試驗時，試件受到較大的切應力，因而還被廣泛地應用于研究有關初始塑性變形的非同時性的問題。如彈性后效、彈性滯后以及內耗等。
2.4.2 扭轉試驗的應用
扭轉試驗可用于測定塑性材料和脆性材料的剪切變形和斷裂的全部力學性能指標，并且還有著其他力學性能試驗方法所無法比擬的優點。
扭轉斷口形態
（a—切斷斷口，b—正斷斷口，c—層狀斷口）
塑性材料斷口與試件的軸線垂直，斷口平整并有回旋狀塑性變形痕跡（圖a），這是由切應力造成的切斷；
脆性材料斷口約與試件軸線成45度成螺旋狀（圖b）；
如果材料的軸向切斷抗力比橫向的低，扭轉斷裂時可能出現層狀或木片狀斷口（圖c）。
可以根據斷口特征，判斷產生斷裂的原因以及材料的抗扭強度和抗拉（壓）強度相對大小。
2.4.3 扭轉試驗的原理
在試驗過程中，隨著扭矩的增大，試件標距兩端截面不斷產生相對轉動，使扭轉角的增大，利用試驗機的繪圖裝置繪出曲線，即Mn—φ曲線（又稱扭轉圖）來描述。
根據材料性能的不同，扭轉曲線可以分為兩種典型——低碳鋼和鑄鐵。
扭轉圖與拉伸試驗測定的應力—應變曲線相似，這是因為在扭轉時試件的形狀不變，其變形始終是均勻的，即使進入塑性變形階段，扭矩仍隨變形的增大而增加，直至試件斷裂。
