金屬力學(xué)性能的表征

金屬力學(xué)性能的表征characterizationofmechanicalpropertiesofmetals表征金屬在力的作用下的行為的衡量指標(biāo)，都屬于金屬力學(xué)性能所研究的范疇。諸如不同載荷所造成的可逆變形（彈性）、不可逆變形（塑性）、斷裂（脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂等）以及金屬抵抗形變和斷裂能力的衡量指標(biāo)，如強(qiáng)度、塑性、韌度（脆性）、硬度等（見(jiàn)金屬力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)）。金屬的力學(xué)性能是零件或結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是選擇、評(píng)價(jià)材料和制訂工藝規(guī)程的重要參量；在金屬研究上，它們是合金成分設(shè)計(jì)、顯微業(yè)結(jié)構(gòu)控制所要達(dá)到的目標(biāo)之一，也是反映金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化的重要表征參量。金屬力學(xué)性能隨受載方式、應(yīng)力狀態(tài)、溫度及接觸介質(zhì)的不同而異。受載方式可以是靜載荷沖擊載荷循環(huán)載荷等。應(yīng)力狀態(tài)可以是拉、壓、剪、彎、扭及它們的復(fù)合，以及集中應(yīng)力和多軸應(yīng)力等。溫度可以是室溫、低溫與高溫。接觸介質(zhì)可以是空氣、其他氣體、水、鹽水或腐蝕介質(zhì)。在不同使用條件下，材料具有不同的力學(xué)行為和失效現(xiàn)象，因而必須有相應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)表征。下面便是描述金屬材料力學(xué)性能的表征參量，對(duì)其中已設(shè)專條的，在本條中就從略了。強(qiáng)度金屬抵抗永久變形和斷裂的能力的總稱。以光滑拉伸試樣為例，在漸增載荷作用下，材料的典型拉伸應(yīng)力一應(yīng)變曲線如圖1［金屬材料的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線］IWL.FC-MWm%)—-b沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)隼的材料〈銅、不銹鋼）a具有明顯屈服現(xiàn)象的材料（低碳銅｝IWL.FC-MWm%)—-b沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)隼的材料〈銅、不銹鋼）a具有明顯屈服現(xiàn)象的材料（低碳銅｝2E』溜m圖1金屬材料的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲踐所示。反映金屬材料強(qiáng)度的性能指標(biāo)有如下幾項(xiàng)。比例極限（）開(kāi)始加載時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變呈直線關(guān)系，比例極限則是代表金屬應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系（即遵守胡克定律）的最大應(yīng)力。生產(chǎn)中有許多在彈性狀態(tài)下工作的零件，要求應(yīng)力與應(yīng)變間有嚴(yán)格的線性關(guān)系，如炮筒和測(cè)定載荷、位移的傳感器中的彈性元件等，就要根據(jù)比例極限來(lái)設(shè)計(jì)。但是，不偏離應(yīng)力-應(yīng)變線性關(guān)系的最大應(yīng)力是隨測(cè)量?jī)x器的精度而變化的，采用不同的測(cè)試方法，對(duì)同一材料可以得出不同的值。因此，在工程上就采用了條件規(guī)定的方法，中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)載荷和伸長(zhǎng)之間的線性關(guān)系發(fā)生偏離時(shí)，若該點(diǎn)的切線與載荷軸間夾角的正切值已較其彈性直線部分之值增加50%，則該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力便稱為“規(guī)定比例極限”。實(shí)際上，“規(guī)定比例極限''是產(chǎn)生極微量塑性變形（0.001?0.01%）時(shí)的應(yīng)力值。彈性極限（）見(jiàn)彈性和滯彈性。屈服強(qiáng)度（）當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性極限后繼續(xù)加載，有的金屬便會(huì)發(fā)生“物理屈服〃現(xiàn)象，即在應(yīng)力不增大的情況下，塑性應(yīng)變不斷增長(zhǎng)到一定值（圖1a［金屬材料的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線］S具有明星屈服現(xiàn)I ,象的材辯（低碳銅）0?―以％）—圖1金屬材料的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲踐曲線上的s點(diǎn)）以后應(yīng)力應(yīng)變才同時(shí)以非常數(shù)比例繼續(xù)增長(zhǎng)。這個(gè)保持基本恒定的應(yīng)力（屈服平臺(tái)應(yīng)力）稱為屈服點(diǎn)，有時(shí)也通稱為屈服強(qiáng)度。對(duì)于無(wú)明顯物理屈服現(xiàn)象的金屬，則以產(chǎn)生限量的小量塑性應(yīng)變時(shí)

0.2%0.2%殘余應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力（圖1b［金屬材料的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線］—CELE』霎)a具有明顯屈服現(xiàn)象的材料（低碳銅）誑%)—b沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)象的材料（銅、不銹鋼）—CELE』霎)a具有明顯屈服現(xiàn)象的材料（低碳銅）誑%)—b沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)象的材料（銅、不銹鋼）■—("EE』JMXJn圖1金周材料的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲埃）。它和上述規(guī)定比例極限以及彈性極限況只是塑性變形量上不同而已，并無(wú)本質(zhì)的差別，均是金屬對(duì)微量或小量塑性變形抗力的表征。因此，有一種根據(jù)不同的需要，選用不同的塑性應(yīng)變量來(lái)表征微量塑性變形階段材料強(qiáng)度的趨勢(shì)，如[hj9]y、、和等。屈服強(qiáng)度是設(shè)計(jì)承受靜載機(jī)件或構(gòu)件的主要依據(jù)。抗拉強(qiáng)度（）超過(guò)屈服強(qiáng)度以后應(yīng)力繼續(xù)增加時(shí)應(yīng)變也不斷增長(zhǎng)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，對(duì)于韌性金屬而言，會(huì)在拉伸試樣上發(fā)生局部“縮頸”，而使橫截面積減小，因而承載能力開(kāi)始下降。我們把最高名義應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度（）。對(duì)于脆性材料，例如灰口鑄鐵，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，試棒即斷裂，此最高應(yīng)力也稱抗拉強(qiáng)度?？梢?jiàn)抗拉強(qiáng)度對(duì)于韌性金屬是表征其極限均勻塑性變形的抗力，即塑性失穩(wěn)的起始應(yīng)力。對(duì)于脆性金屬，抗拉強(qiáng)度則表征其斷裂抗力。不論對(duì)韌性金屬還是脆性金屬，由于與所對(duì)應(yīng)的載荷是金屬在單向靜拉伸時(shí)試樣（或工件）所能承受的最大載荷，因此習(xí)慣上也把稱為強(qiáng)度極限（UTS）抗拉強(qiáng)度常作為評(píng)定金屬的依據(jù)，對(duì)于脆性金屬也是設(shè)計(jì)的依據(jù)。斷裂強(qiáng)度（或）通常，金屬的實(shí)際斷裂強(qiáng)度（或）是由試樣斷裂時(shí)的載荷除以試樣斷裂處實(shí)際橫截面積而求得的。只有根據(jù)試樣的實(shí)際斷裂情況才能確定它的意義。對(duì)于在彈性階段脆斷的金屬，相當(dāng)于，也相當(dāng)于；對(duì)于均勻塑變后即斷裂的金屬，則相當(dāng)于真實(shí)抗拉強(qiáng)度；對(duì)于頸縮后斷裂的金屬，則實(shí)際上主要反映金屬對(duì)剪切斷裂抗力的大小。袂的數(shù)值要受試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)剛性的影響，同一金屬，在不同試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)，可得到不同的值。塑性金屬的塑性又稱范性，為其在斷裂前可以承受的塑性變形的總量。常用的塑性指標(biāo)是光滑試樣拉伸試驗(yàn)所得到的伸長(zhǎng)率，即拉斷后試棒伸長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)=[374-1]廣轉(zhuǎn)）和斷面收縮率，即拉斷后試棒最小斷面積對(duì)原始斷面積縮小的百分?jǐn)?shù)[327-02]。在技術(shù)意義上，材料具有一定的塑性容量，可以使工件受載時(shí)通過(guò)局部發(fā)生的塑性變形，而使應(yīng)力重新分布，從而減少應(yīng)力集中的程度，減少金屬脆斷的傾向。又如金屬的塑性較大，則該金屬的塑性變形與形變強(qiáng)化相結(jié)合，使金屬冷變形成型工藝成為可能。超塑性一般工業(yè)用金屬的室溫塑性大都在百分之幾到百分之幾十的范圍。而某些金屬在特定的組織狀態(tài)下（主要是超細(xì)晶粒）、特定的溫度范圍內(nèi)和一定的變形速度下表現(xiàn)出極高的塑性，伸長(zhǎng)率可達(dá)百分之幾百甚至百分之幾千，這種現(xiàn)象稱為“超塑性”。它顯然有利于塑性加工。超塑性首先在Al-Zn合金中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用也較廣泛。近年來(lái)在鐵基、鐵鎳基合金以及鈦合金等方面也開(kāi)展了大量研究，在工業(yè)中已得到應(yīng)用。真應(yīng)力一真應(yīng)變曲線和形變強(qiáng)化大多數(shù)金屬（尤其是韌性金屬），當(dāng)外加應(yīng)力達(dá)到屈服極限后，欲使變形繼續(xù)，必須繼續(xù)增加外力，即金屬的塑性變形抗力隨塑性變形量的增加而增加，如圖1[金屬材料的典型拉伸應(yīng)力一應(yīng)變曲線]

a具有明顯屈服現(xiàn)象的材料（低碳銅｝(5(%)—b沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)果的材料（銅、不銹鋼）a具有明顯屈服現(xiàn)象的材料（低碳銅｝(5(%)—b沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)果的材料（銅、不銹鋼）圖1金屬材料的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲踐所示。這種現(xiàn)象稱為形變強(qiáng)化或加工硬化。金屬的形變強(qiáng)化從屈服極限開(kāi)始直至斷裂為止的過(guò)程中都存在，但是在圖1［金屬材料的典型拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線］

a具有明顯屈服現(xiàn)

象的材料（低碳銅｝b沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)果的材料（銅、不銹鋼）a具有明顯屈服現(xiàn)

象的材料（低碳銅｝b沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)果的材料（銅、不銹鋼）圖1金屬材料的典型拉伸放力-應(yīng)變曲踐所示的條件應(yīng)力應(yīng)變曲線上，并不能真實(shí)反映金屬的形變強(qiáng)化，這是由于在這種曲線上，各點(diǎn)應(yīng)力均是以該點(diǎn)的載荷除以試樣的原始截面積來(lái)表示的，未考慮截面收縮；因此，塑性變形量越大，條件應(yīng)力和試樣上所承受的真實(shí)應(yīng)力的偏差也越大；“縮頸”后，由于局部區(qū)域截面積的急劇減少，這種偏差更大，出現(xiàn)應(yīng)力超過(guò)后,強(qiáng)度隨應(yīng)變的增加而降低的情況。真實(shí)力-真應(yīng)變曲線能全面描述金屬?gòu)膹椥宰冃伍_(kāi)始直至斷裂的全過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，如圖2［工業(yè)純鐵的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線］其中真應(yīng)力是由曲線上各點(diǎn)的瞬時(shí)載荷除以試樣相應(yīng)截面積求得，真應(yīng)變是由瞬時(shí)試樣伸長(zhǎng)的微分值d與瞬時(shí)試樣長(zhǎng)度之比的積分求得，即［328-01F=l：半。這種-曲線也稱流變強(qiáng)化曲線或硬化曲線,Hollomon公式=止寸是這條曲線的最簡(jiǎn)單的擬合表達(dá)式。式中的稱為形變強(qiáng)化指數(shù)，稱為形變強(qiáng)化系數(shù)，和均為表征形變強(qiáng)化的材料常數(shù)形變強(qiáng)化是金屬的可貴性質(zhì)之一，對(duì)金屬壓力加工以及確保機(jī)件在偶爾超載時(shí)的安全有重要作用。形變強(qiáng)化也是金屬材料的一種有效強(qiáng)化手段，與合金化、熱處理處于同等地位（見(jiàn)金屬的強(qiáng)化）。韌性又名韌度。金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。在靜載情況下可用應(yīng)力一應(yīng)變曲線下的面積來(lái)衡量，即以斷裂前單位體積吸收的變形功作為韌性的定量指標(biāo)，稱為靜力韌度。金屬的韌性隨加載速度的提高、溫度的降低、應(yīng)力集中程度的加劇而下降。沖擊韌性試驗(yàn)，就是綜合應(yīng)用較高沖擊速度和缺口試棒的應(yīng)力集中，來(lái)測(cè)定金屬?gòu)淖冃蔚綌嗔阉牡臎_擊能量的大小，即韌性的高低。中國(guó)常用的沖擊韌性試驗(yàn)是用一個(gè)U型缺口方試棒，將其置于支座上，然后用擺錘落下將其一次沖斷。用沖斷試棒所消耗的沖擊功除以試棒缺口根部截面積所得商值（單位為kgfm/cm）,定義為沖擊韌度（）有些國(guó)家則常用帶V型缺口的試棒，直接以沖斷試棒所消耗的沖擊功作為夏氏沖擊韌度（CVN值），而不將此沖擊功除以試棒缺口截面積。不論或CVN都是在特定條件下測(cè)得的沖擊值。應(yīng)該注意的是，沖擊韌性試驗(yàn)和某些承受反復(fù)沖擊載荷的零件服役條件不同，對(duì)于這些零件，它們的服役性能應(yīng)用小能量多次沖擊（或沖擊疲勞）試驗(yàn)來(lái)衡量。一次沖擊試驗(yàn)也常用于評(píng)定材料的冷脆傾向。即將金屬在一系列不同的試驗(yàn)溫度下進(jìn)行一次沖擊試驗(yàn)（即所謂“系列沖擊試驗(yàn)”）,而后確定反映材料冷脆傾向的冷脆轉(zhuǎn)化溫度對(duì)于如試驗(yàn)一般采用能量法即[328-02]^=京皿所對(duì)應(yīng)