金属力学性能的表征

金属力学性能的表征characterization of mechanical properties of metals表征金属在力的作用下的行为的衡量指标，都属于金属力学性能所研究的范畴。 诸如不同载荷所造成的可逆变形（弹性）、不可逆变形（塑性）、断裂（脆性断 裂、韧性断裂、疲劳断裂等）以及金属抵抗形变和断裂能力的衡量指标，如强度、 塑性、韧度（脆性）、硬度等（见金属力学性能测试技术）。金属的力学性能是零件或结构件设计的依据，也是选择、评价材料和制订工 艺规程的重要参量；在金属研究上，它们是合金成分设计、显微组织结构控制所 要达到的目标之一，也是反映金属内部组织结构变化的重要表征参量。金属力学性能随受载方式、应力状态、温度及接触介质的不同而异。受载方 式可以是静载荷冲击载荷循环载荷等。应力状态可以是拉、压、剪、弯、扭 及它们的复合，以及集中应力和多轴应力等。温度可以是室温、低温与高温。接 触介质可以是空气、其他气体、水、盐水或腐蚀介质。在不同使用条件下，材料 具有不同的力学行为和失效现象，因而必须有相应的力学性能指标表征。下面便 是描述金属材料力学性能的表征参量，对其中已设专条的，在本条中就从略了。强度 金属抵抗永久变形和断裂的能力的总称。以光滑拉伸试样为例，在渐 增载荷作用下，材料的典型拉伸应力一应变曲线如图1金属材料的典型拉伸应 力-应变曲线a具有明显屈服现 V象的材料（低碳铜）J/ .二图1金属材料的典型拉仲应力-应变曲践所示。反映金属材料强度的性能指标有如下几项。比例极限（半）开始加载时，应力与应变呈直线关系，比例极限半则是代 表金属应力与应变成正比关系（即遵守胡克定律）的最大应力。生产中有许多在 弹性状态下工作的零件，要求应力与应变间有严格的线性关系，如炮筒和测定载 荷、位移的传感器中的弹性元件等，就要根据比例极限来设计。但是，不偏离应 力-应变线性关系的最大应力是随测量仪器的精度而变化的，采用不同的测试方 法，对同一材料可以得出不同的顷?值。因此，在工程上就采用了条件规定的方 法，中国的国家标准规定，当载荷和伸长之间的线性关系发生偏离时，若该点的 切线与载荷轴间夹角的正切值已较其弹性直线部分之值增加50%，则该点所对 应的应力便称为“规定比例极限”。实际上，“规定比例极限”是产生极微 量塑性变形（0.0010.01 %）时的应力值。弹性极限（日一）见弹性和滞弹性。屈服强度（兴）当应力超过弹性极限后继续加载，有的金属便会发生“物 理屈服”现象，即在应力不增大的情况下塑性应变不断增长到一定值（图1a金 属材料的典型拉伸应力-应变曲线a具有明星屈服现(公eE3 j b没有明显屈服现年 的材料铜、不锈钢）图1金属材料的典型拉仲应力-应变曲线曲线上的s点）以后应力-应变才同时以非常数比例继续增长。这个保持基本恒定 的应力（屈服平台应力）称为屈服点牛，有时也通称为屈服强度。对于无明显 物理屈服现象的金属，则以产生限量的小量塑性应变时的应力作为条件屈服强度。 如经常采用的条件屈服强度一即为产生0.2%残余应变时的应力（图1b金属 材料的典型拉伸应力-应变曲线a具有明星屈服现LeUJ皿土 j寄b没有明显屈服现年 的材料（铜、不锈钢）图1金属材料的典型拉伸应力-应变曲践）。它和上述规定比例极限七以及弹性极限七只是塑性变形量上不同而已，并无 本质的差别，均是金属对微量或小量塑性变形抗力的表征。因此，有一种根据不 同的需要，选用不同的塑性应变量来表征微量塑性变形阶段材料强度的趋势，如 口窟9口.颠、- 、口-和-等。屈服强度是设计承受静载机件或构件的主要依 据。抗拉强度（牛）超过屈服强度以后应力继续增加时应变也不断增长。当应 力达到最高点时，对于韧性金属而言，会在拉伸试样上发生局部“缩颈”，而使 横截面积减小，因而承载能力开始下降。我们把最高名义应力。一称为抗拉强度3一 b）。对于脆性材料，例如灰口铸铁，当应力达到最高点时，试棒即断裂，此最 高应力也称抗拉强度。可见抗拉强度对于韧性金属是表征其极限均匀塑性变形的 抗力，即塑性失稳的起始应力。对于脆性金属，抗拉强度则表征其断裂抗力。不 论对韧性金属还是脆性金属，由于与顼b所对应的载荷是金属在单向静拉伸时试 样（或工件）所能承受的最大载荷，因此习惯上也把顼b称为强度极限（UTS），抗 拉强度常作为评定金属的依据，对于脆性金属也是设计的依据。断裂强度小（或） 通常，金属的实际断裂强度小（或）是由试样断 裂时的载荷除以试样断裂处实际横截面积而求得的。只有根据试样的实际断裂情 况才能确定它的意义。对于在弹性阶段脆断的金属，5k相当于口上，也相当于口忑； 对于均匀塑变后即断裂的金属，则即相当于真实抗拉强度驻；对于颈缩后断裂 的金属，则即实际上主要反映金属对剪切断裂抗力的大小。d的数值要受试验 机系统刚性的影响，同一金属，在不同试验机上试验,可得到不同的小值。塑性金属的塑性又称范性，为其在断裂前可以承受的塑性变形的总量。常 用的塑性指标是光滑试样拉伸试验所得到的伸长率，即拉断后试棒伸长的百分数3= 374-1办 刃和断面收缩率，即拉断后试棒最小断面积对原始断面积缩小的百分数327-02俨 &。在技术意义上，材料具有一定的塑性容量，可以使工件受载时通过局部发生的塑性变形，而使应力重新分布，从而减少 应力集中的程度，减少金属脆断的倾向。又如金属的塑性较大，则该金属的塑性 变形与形变强化相结合，使金属冷变形成型工艺成为可能。超塑性一般工业用金属的室温塑性大都在百分之几到百分之几十的范围。 而某些金属在特定的组织状态下（主要是超细品粒）、特定的温度范围内和一定 的变形速度下表现出极高的塑性，伸长率可达百分之几百甚至百分之几千，这种 现象称为“超塑性”。它显然有利于塑性加工。超塑性首先在Al-Zn合金中发现， 应用也较广泛。近年来在铁基、铁竦基合金以及钛合金等方面也开展了大量研究， 在工业中已得到应用。真应力一真应变曲线和形变强化 大多数金属（尤其是韧性金属），当外加 应力达到屈服极限后，欲使变形继续，必须继续增加外力，即金属的塑性变形抗 力随塑性变形量的增加而增加，如图1金属材料的典型拉伸应力一应变曲线a具有明星屈服现J公tE -萱J乏b没有明显屈服现象 的材料铜、不锈钢）图I金属材料的典型拉仲应力-位变曲践所示。这种现象称为形变强化或加工硬化。金属的形变强化从屈服极限开始直至 断裂为止的过程中都存在，但是在图1金属材料的典型拉伸应力-应变曲线a具有明星屈服现J GEE3)乏b没有明显屈服现年 的材料铜、不锈钢）图1金属材料的典型拉仲应力-应变曲缱所示的条件应力-应变曲线上，并不能真实反映金属的形变强化，这是由于在这种 曲线上，各点应力均是以该点的载荷除以试样的原始截面积来表示的，未考虑截 面收缩；因此，塑性变形量越大，条件应力和试样上所承受的真实应力的偏差也 越大；“缩颈”后，由于局部区域截面积的急剧减少，这种偏差更大，出现应力 超过口上后，强度随应变的增加而降低的情况。真实力-真应变曲线能全面描述金 属从弹性变形开始直至断裂的全过程的应力-应变关系，如图2工业纯铁的真应力-真应变曲线所示，其中真应力5是由曲线上各点的瞬时载荷除以试样相应截面积求得,真应变E是由瞬时试样伸长的微分值腥与瞬时试样长度J之比的积分求得，即328-01如了。这种5-E曲线也称流变强化曲线或硬化曲线,Hollomon公式 = 仃是这条曲线 的最简单的拟合表达式。式中的丹称为形变强化指数，上称为形变强化系数，行和化 均为表征形变强化的材料常数，形变强化是金属的可贵性质之一,对金属压力加 工以及确保机件在偶尔超载时的安全有重要作用。形变强化也是金属材料的一种 有效强化手段，与合金化、热处理处于同等地位（见金属的强化）。韧性又名韧度。金属在断裂前吸收变形能量的能力。在静载情况下可用应 力一应变曲线下的面积来衡量，即以断裂前单位体积吸收的变形功作为韧性的定 量指标，称为静力韧度。金属的韧性随加载速度的提高、温度的降低、应力集中程度的加剧而下降。 冲击韧性试验，就是综合应用较高冲击速度和缺口试棒的应力集中，来测定金属 从变形到断裂所消耗的冲击能量的大小，即韧性的高低。中国常用的冲击韧性试验是用一个U型缺口方试棒，将其置于支座上，然 后用摆锤落下将其一次冲断。用冲断试棒所消耗的冲击功除以试棒缺口根部截面 积所得商值（单位为kgf m/cm ），定义为冲击韧度（】;），有些国家则常用带V型 缺口的试棒，直接以冲断试棒所消耗的冲击功作为夏氏冲击韧度（CVN值），而不 将此冲击功除以试棒缺口截面积。不论k或CVN都是在特定条件下测得的冲击 值。应该注意的是，冲击韧性试验和某些承受反复冲击载荷的零件服役条件不同， 对于这些零件，它们的服役性能应用小能量多次冲击（或冲击疲劳）试验来衡量。一次冲击试验也常用于评定材料的冷脆倾向。即将金属在一系列不同的试验 温度下进行一次冲击试验（即所谓“系列冲击试验”），而后确定反映材料冷脆倾 向的冷脆转化温度。对于h】;试验一般采用能量法即328-02气二。4电:呻所对应的温度表示。对于CVN试样，一般根据宏观断口形貌确定，当断口上脆性断口 占50%时所对应的温度称为断口形貌转化温度FATT50O用系列冲击试验测定的 冷脆转化温度k和FATT50等都是条件性的，只能作为材料脆性倾向的评定。低 温断裂韧度距试验可对金属的冷脆性作出更合理的评价（见断裂力学）。此外， 还有表征材料在高温条件下的高温力学性能的指标（见蠕变）；材料在循环或反 复加载条件下表征其力学性能的指标（见疲劳）。