3. 金屬材料的力學性能

金屬材料的力學性能

學習內(nèi)容:

常用力學性能的定義、測定原理與方法、影響金屬材料拉伸試驗結(jié)果的因素等。知識目標

:

1、熟悉力學性能的基本概念；

2、準確理解靜拉伸曲線；

3、影響金屬材料拉伸試驗結(jié)果的因素。第一節(jié)拉伸試驗基本知識1.金屬拉伸實驗的目的和意義金屬材料受力后會表現(xiàn)出各種不同的行為，呈現(xiàn)出與彈性非彈性反應相關(guān)或涉及應力-應變關(guān)系的力學特性。金屬力學性能正是材料承受外載荷而不發(fā)生失效的能力。力學性能的判據(jù)是表征和判定金屬力學性能所用的指標和依據(jù)，而其高低表征材料抵抗外力作用的能力水平。拉伸試驗是金屬力學試驗中最基本的試驗，是指在承受軸向拉伸載荷下測定材料特性的試驗方法。拉伸試驗評定的拉伸力學性能是材料的基本力學性能，是評定金屬材料質(zhì)量的重要依據(jù)。通過拉伸試驗可以評定金屬材料彈性性能、強度性能、延性性能等方面的多種性能。為金屬材料質(zhì)量檢驗、研制和開發(fā)新材料、改進材料質(zhì)量、最大限度地發(fā)揮材料潛力、迸行金屬制件的失效分析、確定金屬制件的合理設(shè)計、制造、安全使用和維護提供手段，也為選材和質(zhì)量控制提供重要手段。2.拉伸試驗的應用領(lǐng)域拉伸試驗具有廣泛的應用領(lǐng)域，幾乎涵蓋了所有涉及材料力學性能的行業(yè)和研究領(lǐng)域，包括但不限于：制造業(yè)：用于質(zhì)量控制和維護，確保材料性能穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量達標。航空航天：高性能材料的選型和驗證，確保飛行器在極端條件下依然安全可靠。建筑工程：評估鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)等建筑材料的力學性能，保障建筑安全。醫(yī)學工程：用于開發(fā)和驗證新型生物材料，如人造關(guān)節(jié)、骨板等。

GB228.1《金屬材料拉伸試驗方法第1部分：室溫試驗方法》國家標準對拉伸試驗原理敘述為:試驗系用拉力拉伸試樣，一般拉至斷裂，測定一項或多項力學性能。ASTME8/E8M《金屬材料拉伸試驗方法》：拉伸試驗是為了提供在單軸拉伸應力下材料的強度和延性數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)對于材料對比、合金研制、質(zhì)量控制及在某些環(huán)境中的設(shè)計可能是有用的。拉伸力學性能可分為彈性性能，強度性能和塑性性能等三類。彈性性能包括彈性模量(拉伸楊氏模量)和泊松比等；強度性能包括屈服強度、上和下屈服強度、規(guī)定殘余延伸強度、規(guī)定殘余總伸長強度、規(guī)定塑性延伸強度、抗拉強度和斷裂強度等；

延性性能包括屈服點伸長率、最大力下的總伸長率和非比例伸長率，斷后伸長率，斷面收縮率，硬化指數(shù)，塑性應變比等。彈性性能多為彈性特征常數(shù)；強度性能實質(zhì)為拉伸曲線圖上各不同階段的特征應力；延性性能實質(zhì)上為拉伸曲線圖上各不同階段的特征應變或變形極限。例如屈服點伸長率就是屈服階段開始和結(jié)束之間應變的量，而斷面收縮率即為縮頸變形的極限。3.拉伸試驗的原理第一節(jié)拉伸試驗基本知識第二節(jié)術(shù)語與定義

GB/T24182-2009金屬力學性能試驗出版標準中符號和定義

GB/T10623-2008金屬材料力學性能試驗術(shù)語

GB/T228.1-2021金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫拉伸試驗方法

第二節(jié)術(shù)語與定義

GB/T24182-2009金屬力學性能試驗出版標準中符號和定義

GB/T10623-2008金屬材料力學性能試驗術(shù)語

GB/T228.1-2021金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫拉伸試驗方法

第二節(jié)術(shù)語與定義

GB/T24182-2009金屬力學性能試驗出版標準中符號和定義

GB/T10623-2008金屬材料力學性能試驗術(shù)語

GB/T228.1-2021金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫拉伸試驗方法

第二節(jié)術(shù)語與定義

GB/T24182-2009金屬力學性能試驗出版標準中符號和定義

GB/T10623-2008金屬材料力學性能試驗術(shù)語

GB/T228.1-2021金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫拉伸試驗方法第三節(jié)拉伸試驗1.拉伸試樣GB/T228.1金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法比例試樣：ASTM370鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法和定義ASTME8/E8M金屬材料拉伸試驗方法ASTME8/E8M金屬材料拉伸試驗方法第三節(jié)拉伸試驗2.拉伸試驗機清零GB/T228.1金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法ASTME8/E8M金屬材料拉伸試驗方法3.拉伸過程金屬拉伸試驗_嗶哩嗶哩_bilibili第三節(jié)拉伸試驗金屬材料拉伸過程中的四個階段：試驗最終得到的拉伸曲線，實際上是載荷－伸長曲線，在這個曲線中有四個階段：

彈性階段、屈服階段、強化階段、頸縮階段。第三節(jié)拉伸試驗金屬材料拉伸過程中的四個階段：試驗最終得到的拉伸曲線，實際上是載荷－伸長曲線，在這個曲線中有四個階段：

彈性階段、屈服階段、強化階段、頸縮階段。1）彈性階段:隨著荷載的增加，應變隨應力成正比增加。如卸去荷載，試件將恢復原狀，表現(xiàn)為彈性變形，此階段內(nèi)可以測定材料的彈性模量E。2）屈服階段:普碳鋼：超過彈性階段后，載荷幾乎不變，只是在某一小范圍內(nèi)上下波動，試樣的伸長量急劇地增加，這種現(xiàn)象稱為屈服。如果略去這種荷載讀數(shù)的微小波動不計，這一階段在拉伸圖上可用水平線段來表示。塑性變形是突然開始且載荷數(shù)會突然下降，如果全部卸除荷載試樣將不會恢復原長表現(xiàn)為永久形變。而對于鋁合金來說，彈性區(qū)域的結(jié)束點并非伴隨著載荷的突然下降或其他明顯的變化從彈性階段到塑性階段是一條平滑漸變的曲線。3）強化階段：試樣經(jīng)過屈服階段后，曲線呈現(xiàn)上升趨勢，由于材料在塑性變形過程中不斷強化，材料的抗變形能力有增強了，這種現(xiàn)象稱為應變硬化。若在此階段卸載載荷到零時，變形并未完全消失，應力減小至零時殘留的應變稱為塑性應變或殘余應變。4）頸縮階段和斷裂階段，試樣伸長到一定程度后，荷載讀數(shù)反而逐漸降低。第三節(jié)拉伸試驗4.拉伸特征4.拉伸特征第三節(jié)拉伸試驗4.拉伸特征第三節(jié)拉伸試驗5.不同材料應力應變曲線第三節(jié)拉伸試驗退火低碳鋼低、中回火鋼淬火鋼及鑄鐵中碳調(diào)質(zhì)鋼5.不同材料應力應變曲線6.塑性材料和脆性材料力學性能比較第三節(jié)拉伸試驗力學性能常將斷裂分成正斷和切斷。斷裂垂直于最大正應力者叫正斷，而沿著最大切應力方向斷開的叫切斷。上圖(a)所示的斷口即為正斷；圖(e)所示的斷口即為切斷；而圖(d)所示的斷口，中心部分大致為正斷，兩側(cè)部分為切斷，故為混合型斷口。工程上常按斷裂前有無明顯的塑性變形，將斷裂分成脆斷和韌斷。注意：這兩種分類是從不同角度來討論斷裂的，其間并沒有什么必然的聯(lián)系。正斷不一定就是脆斷，正斷也可以有明顯的塑性變形。但切斷是韌斷，反過來韌斷就不一定是切斷了，所以切斷和韌斷也并非是同義語。7.拉伸后試樣斷口形貌7.拉伸后試樣斷口形貌7.拉伸后試樣斷口形貌

對拉伸試樣的宏觀斷口觀察，可看出多數(shù)情況下有三個區(qū)域。第一個區(qū)域在試樣的中心位置，叫做纖維區(qū)(如圖1-10)，裂紋首先在該區(qū)域形成，該區(qū)顏色灰暗，表面有較大的起伏，如山脊狀，這表明裂紋在該區(qū)擴展時伴有較大的塑性變形，裂紋擴展也較慢；第二個區(qū)域為放射區(qū)，表面較光亮平坦，有較細的放射狀條紋，裂紋在該區(qū)擴展較快；第三個區(qū)域剪切唇，接近試樣邊緣時應力狀態(tài)改變了（平面應力狀態(tài)），最后沿著與拉力軸向成40-50°剪切斷裂，表面粗糙發(fā)深灰色。

試樣塑性的好壞，由這三個區(qū)域的比例而定。如放射區(qū)較大，則材料的塑性低，因為這個區(qū)域是裂紋快速擴展部分，伴隨的塑性變形也小。反之對塑性好的材料，必然表現(xiàn)為纖維區(qū)和剪切唇占很大比例，甚至中間的放射區(qū)可以消失。影響這三個區(qū)比例的主要因素是材料強度和試驗溫度。7.拉伸后試樣斷口形貌第四節(jié)影響金屬材料拉伸試驗結(jié)果的因素

拉伸試驗是在對金屬材料產(chǎn)品質(zhì)量進行檢測和評定過程中使用的最廣泛的實驗。但是，有很多因素都可以影響拉伸試驗的結(jié)果，只有明確了具體的影響因素，才能針對這些影響因素進行具體分析。根據(jù)研究分析結(jié)果制定實驗相關(guān)操作規(guī)定和試驗流程，才能保證實驗結(jié)果的真實性和性。1.取樣及試樣制備對實驗結(jié)果的影響

1.1.取樣部位的影響

從金屬材料的不同位置取樣獲得的實驗樣本，其力學性能往往存在一些差異，例如圓鋼40mm其中心處的抗拉強度低于1/4處的抗拉強度，且斷后拉伸率也存在差別，可見取樣部位對實驗結(jié)果有著不可忽視的影響。由于金屬材料在鑄造形成、加工過程中，成分、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷、加工變形分布不均，因此使得同一批，甚至同一產(chǎn)品的不同部位的力學性能出現(xiàn)了差異。因此在取樣時應嚴格按標準進行，以避免實驗結(jié)果出現(xiàn)偏差造成誤判。

1.2.取樣方向的影響

取樣方向的差異會直接影響金屬材料拉伸試驗的斷后伸長率、屈服強度以及抗拉強度等各項性能指標，尤其是斷后伸長率受到的影響更大。若采取橫向取樣，則依照有關(guān)標準，試驗之后的斷后伸長率則不能夠達標。通常垂直于軋制方向，則金屬力學性能則可能不達標；平行于軋制方向，則金屬力學性能良好。

1.3.試樣的形狀、尺寸的影響

同一材料同一狀態(tài)的金屬材料，如果截面形狀不同，測得的結(jié)果對屈服強度中的上屈服強度ReH影響大，對下屈服強度ReH影響小。矩形試樣的工作長度部分的對稱度，圓形試件的工作部分軸線與夾頭部分的軸線不同心，都會在拉伸時產(chǎn)生偏心力，產(chǎn)生附加彎曲應力，使強度和伸長率均降低。

試樣的尺寸的大小對試驗結(jié)果的影響是，同一材料同一狀態(tài)的金屬材料試樣，大橫截面積（大尺寸）的試樣的抗拉強度較小尺寸的低，而且塑性指標也下降。1.4.試樣制備方法的影響

切取樣坯時必須防止因受熱、加工硬化及變形而影響其力學性能。切取樣坯時應留有足夠的機加工余量，一般應不少于鋼材直徑和厚度，但zui小不少于20mm，這樣機加工試樣時，可以把受熱或冷加工硬化的部分完全去除掉，以免影響性能的測定。從樣坯機加工成試樣，一般通過車、銑、刨、磨等機加工，但車削、切削和磨削的深度和走刀速度及潤滑冷卻均應適當，以防止發(fā)生因受熱或冷加工硬化而影響材料的性能。2.實驗設(shè)備和測試儀器對實驗結(jié)果的影響2.1.試驗設(shè)備

試驗機與引伸計是金屬材料拉伸試驗中常用的兩種試驗設(shè)備。其中，前者主要用來向試件施加作用力，同時測量作用力數(shù)值；后者主要用來進行位移或者延伸的測定。以上兩種試驗設(shè)備將會直接影響試驗結(jié)果數(shù)值的準確信和真實性。所以，試驗時必須要確保試驗機與引伸計在檢定合格的有效期之內(nèi)。另外需要注意的是，如果試樣加偏、加歪、試樣彎曲、不平直等都是引起受力不同軸的因素，進而影響測量結(jié)果。2.2.測量儀器方面

尺寸測量儀和量具是在金屬材料拉伸試驗過程當中最為常用的測量儀器，要求這些測量儀器的精度必須符合試驗要求。其中，對測量準確度影響最大的因素主要是量具分辨力;除此之外，測量時的壓力值、量具砧面污染以及量具零點等因素也會試驗時的數(shù)量測量精度產(chǎn)生影響。所以，在進行試驗之前，必須要對各種測量儀器進行校驗，測量時首先進行“零點”校準，同時保持量具的清潔干凈。3.夾持方法對實驗結(jié)果的影響

拉伸試驗檢測中夾持方法非常重要，如果試樣夾不住，試驗則無法進行；如果加持方法不合理，則會實驗結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。在進行拉伸試驗時，常出現(xiàn)試樣常因應力集中而斷在加持部分或標距外的過渡區(qū)，導致實驗失敗的現(xiàn)象。試驗機的加載軸線應與試樣的幾何中心一致，如果不一致，會造成偏心加載而產(chǎn)生彎曲。一般不允許對試樣施加偏心力，因為力的偏心容易使試驗力與試樣軸線產(chǎn)生明顯偏移；拉伸夾具選用不當會使試樣產(chǎn)生附加彎曲應力，從而使結(jié)果產(chǎn)生誤差，同時拉伸夾具選用不當也極易引起拉伸試樣打滑或斷在鉗口內(nèi)，導致實驗數(shù)據(jù)不準確或?qū)嶒灁?shù)據(jù)偏低。總之，加載系統(tǒng)、試樣幾何形狀尺寸以及非均質(zhì)試樣都可能引起偏心加載，要盡量減少這些偏心效應。

4.試驗環(huán)境溫度對實驗結(jié)果的影響

即使是普通的金屬材料，實驗環(huán)境的溫度不同實驗結(jié)果也不盡相同，尤其是一些溫度敏感性較高的金屬材料，受溫度的影響更為明顯。通常情況下，溫度越高，則金屬材料的強度性能指標則越低，同時塑性性能指標越高。所以，如果金屬材料對溫度敏感，則需要利用溫度系數(shù)進行修正。對于常規(guī)試驗而言，試驗時的環(huán)境溫度應該控制在10℃～35℃之間。在該環(huán)境溫度下，如果采用高精度傳感器或者金屬材料特殊，則需要認真考慮溫度因素，如果需要，則應該進行必要的修正。5.人為因素對實驗結(jié)果的影響

在拉伸試驗中試樣的橫截面積非常關(guān)鍵，但是在一些產(chǎn)品的標準說明上會明確規(guī)定其拉伸的試驗橫截面積，并且要按照名義尺寸的橫截面積規(guī)定要求。在產(chǎn)品的標準當中如果沒有特殊的規(guī)定，就必須要遵循國家標準要求，對其實際尺寸進行測量。但是如果都是按照名義的尺寸去計算其橫截面積，所測試的得出的結(jié)果則會受到一定的影響，甚至把合格強度的測為不合格的，存在把不合格測定為合格的情況。6.拉伸速度對實驗結(jié)果的影響拉伸速率對材料強度及塑性根據(jù)材料種類不同,影響也不同，且對拉伸的曲線形貌亦有影響。拉伸試驗彈性階段的變形量小，而拉伸速度的增加，易造成整個彈性階段很快被沖過，導致屈服測量不準確，或屈服結(jié)果偏高的結(jié)果。在實際測試中，金屬材料拉伸速率增加，金屬材料的屈服強度和抗拉強度的測試結(jié)果均會相應的增加，斷后伸長率會相應的減小。而測量奧氏體不銹鋼這類對拉伸速率極為敏感的不銹鋼材料時，速率的影響將會尤為明顯，速率降低會顯著增加斷后伸長率數(shù)值影響金屬材料拉伸測試性能結(jié)果的因素有很多，拉伸速率、樣品加工、測試設(shè)備、引伸計、夾具、環(huán)境溫度及人員等均會對測試結(jié)果造成影響。針對影響因素，我們在實際檢測活動中，應制定正確的測試設(shè)備操作規(guī)定，嚴格控制測試活動過程，對于影響測試結(jié)果的環(huán)節(jié)嚴加把關(guān)，并制定符合標準：GB/T228.1及相應的美標、歐標、日標等要求的指導文件進行規(guī)范，以獲得準確、可靠的測試數(shù)據(jù)。一、拉伸試驗優(yōu)點反映材料基本屬性：拉伸試驗能夠反映材料在彈性變形、塑性變形和斷裂三個階段中的基本力學性能，包括屈服強度、抗拉強度、彈性模量、伸長率和斷面收縮率等關(guān)鍵指標。這些指標是材料固有的基本屬性，對于理解、研究、分析和推斷材料的其他力學性能具有重要意義。簡單快速可靠：拉伸試驗方法相對簡單，試驗設(shè)備和記錄裝置已發(fā)展得很完善。試驗過程能夠快速得出結(jié)果，且由于拉伸試驗是測定材料在一定體積內(nèi)的平均力學應力，所以數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定、可靠。只要保證試驗機及測量工具的精度，拉伸數(shù)據(jù)通常比其他性能（如沖擊、疲勞和斷裂性能）數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定可靠。應用廣泛：拉伸試驗廣泛應用于金屬材料、聚合物材料以及復合材料等多種材料的力學性能測試中。無論是制造業(yè)、航空航天、建筑工程還是醫(yī)學工程等領(lǐng)域，拉伸試驗都扮演著不可或缺的角色。標準規(guī)范：拉伸試驗遵循嚴格的標準與規(guī)范，如GB/T228系列標準，這些標準確保了試驗結(jié)果的可靠性和可比性。第五節(jié)拉伸試驗優(yōu)缺點二、缺點1.設(shè)備應變速率限制：常規(guī)拉伸設(shè)備的應變速率范圍有限,無法模擬材料在高速變形條件下的行為。這限制了拉伸試驗在某些特定應用場景下的適用性。2.試樣縮頸現(xiàn)象：在拉伸試驗過程中，試樣容易出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象?？s頸發(fā)生后，試樣各部分變形不均勻性顯著，平均等效應變速率出現(xiàn)異常升高、流變應力值發(fā)生異常變化，從而難以精確評價應變及流變速率對流變應力、組織性能的影響。3.對試樣有一定破壞性：拉伸試驗