學術干貨丨金屬材料靜態力學性能及測試標準
【前言】
2010年4月，應美國Science雜志邀請，我國金屬材料研究領域的代表性人物、中科院金屬所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室主任、中國科學院院士盧柯研究員撰寫了一篇題為“The Future of Metals”的展望性文章。文中認為（參照圖1），雖然由于比強度和比剛度較低，金屬在工程材料中所占的份額日益減少，在重量作為主要考慮因素的應用領域（如航空及運動器材等）正逐步被其他材料所替代，但是，由于金屬材料自身所具有的一些獨特性質，如高強度、高斷裂韌性、性能各向一致性、失效強度可預測性、獨特的電磁學性能、在中高溫度范圍內良好的綜合力學性能以及可回收性等，金屬在很多工業領域，尤其是高可靠性和高持久性要求的應用領域仍是不可替代的材料[1]。而靜態力學性能的表現是評價一種金屬材料能否獲得工程應用的重要參考因素之一，材料人網整理出了幾種常見的金屬材料靜態力學性能的相關知識及測試標準，希望能對研究金屬材料力學性能的你有所幫助。
圖1 常見材料的斷裂韌性-比強度關系圖[1]
【金屬材料的靜態力學性能】
材料的力學性能是指材料構件在一定環境條件下，承受載荷或應力作用時狀態的變化，變化總體上有三種基本類型，即彈性變形（elastic deformation）、塑性變形（plastic deformation）和斷裂（fracture or rupture）[2]。下面根據靜態載荷的變形方式來分別介紹金屬材料拉伸、壓縮、扭轉、彎曲和硬度性能的相關知識。
（1）拉伸?
拉伸試驗是工業上廣泛應用的力學性能試驗方法之一，其特點是試驗溫度、應力狀態及應變速率是恒定的。試驗過程中通過試驗機記錄載荷及位移信號，根據樣品的尺寸經過換算就可以得到工程應力應變曲線以及真應力應變曲線。
圖2給出了一種典型的結構鋼的拉伸應力應變曲線[3]，其中紅色線條A表示的是工程應力應變曲線，藍色線條B表示的是真應力應變曲線。我們可以看出，在拉伸過程的開始階段，材料的應力應變保持線性關系同步提高，材料處于彈性變形階段（卸載后變形可完全恢復），直到應力達到點2，材料發生屈服，此時的應力值就是材料的屈服強度（yield strength），接著材料進入了塑性變形階段（卸載后變形不可完全恢復），隨著應變的增加應力緩慢提高，表現出一定程度的加工硬化現象（區域4），當工程應力達到最大值點1（抗拉強度ultimate strength）之后開始下降，材料出現頸縮現象（區域5），直至最后發生斷裂（點3）。
根據材料的拉伸應力應變曲線，可以得到材料的一些基本力學性能指標，其中比較常用的指標及其定義如下：
（1）彈性模量（elastic modulus）：工程應力應變曲線彈性階段的斜率；
（2）屈服強度（yield strength）：反映材料抵抗塑性變形的抗力，是材料由彈性變形進入塑性變形的標志，對于在拉伸過程中有明顯屈服效應的材料，將其工程應力應變曲線上明顯屈服效應的下屈服應力作為它的屈服強度（如退火低碳鋼），對于在拉伸過程中沒有明顯屈服效應的材料，屈服強度一般用名義屈服強度代替，即工程應力應變曲線上對應一定參與應變量（一般為0.2%）時的應力；
（3）抗拉強度（ultimate strength）:代表材料的最大塑性變形抗力，是拉伸試驗中達到的最大工程應力；
（4）塑性（plasticity）：指材料發生塑性變形的能力，由均勻塑性變形和非均勻塑性變形兩大部分構成，塑性指標一般可用總延伸率和斷面收縮率來表示。
圖2 一種典型結構鋼的拉伸應力應變曲線[3]
（2）壓縮
金屬拉伸試驗中定義的力學性能指標和相應的計算公式，在壓縮試驗中基本上都適用。但是，對試樣施加單軸壓縮載荷時，其應力狀態軟性系數明顯大于拉伸狀態，使得有些在拉伸試驗中顯示脆性斷裂的材料（如灰鑄鐵、陶瓷、非晶合金等），在壓縮試驗中有可能會顯示一定的塑性變形，或顯示較高的強度。因此，在研究脆性材料的變形和斷裂行為時往往采用壓縮試驗，同時測量其強度和塑性。壓縮試樣橫截面一般為圓形或正方形。
（3）彎曲
彎曲試驗一般用于比較脆且難以加工成拉伸棒的材料，如陶瓷、玻璃等，它具有試樣形狀簡單、操作方便等特點。另外，彎曲試驗時試樣表面應力最大，可以靈敏地反應材料表面缺陷，常用于研究表面強化工藝及表面性能。圖3給出了常見的三點彎曲試驗的加載及記錄的載荷撓度曲線示意圖[4]，圖中虛線對應的應力值即為材料的抗彎強度（flexural strength or bend strength）。
圖3 彎曲試驗加載及記錄的載荷撓度曲線示意圖[4]
（4）扭轉
扭轉試驗可以實現高的應變，易于顯示金屬的塑性行為，特別是那些在拉伸時呈現脆性的金屬材料的塑性性能，它還能比較敏感地反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能。它采用的試樣為圓柱形試樣，實驗過程中整個試樣長度上的塑性變形是均勻的，沒有頸縮。圖4給出了常見的扭轉試驗及扭轉應力應變曲線示意圖[5]，通過對試樣施加扭轉載荷，記錄扭矩及扭轉角，從而得到扭轉應力應變曲線，從中還可以得到材料的剪切模量（shear modulus）。
?圖4 扭轉試驗加載及扭轉應力應變曲線示意圖[5]
（5）硬度
硬度表征的是固體材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，反映了金屬材料的軟硬程度。由于硬度測定比較方便快捷，又能敏感地反映出材料組織結構的差異，因而被廣泛用于檢查熱處理工藝質量或研究熱處理相變過程，它也常用于檢查金屬表面組織結構的變化和表面性能等。硬度的測試方法可以分為壓入法、彈性回跳法和劃痕法，下面分別進行簡單介紹[6]：
（1）壓入法
生產中最常用的就是靜載壓入法硬度試驗，因為這種試驗方法的應力狀態軟性系數比單向壓縮的還要大，幾乎所有的金屬材料都能產生局部塑性變形，壓入法測量的硬度主要分為三種類型，即布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和維氏硬度（HV）。其中，布氏硬度以試驗力除以壓痕球形面積所得的數值來作為衡量標準，一般用于較軟的材料，如有色金屬及熱處理之前或退火后的鋼鐵等；洛氏硬度以壓痕深度來測量硬度，廣泛應用于熱處理的質量檢驗；維氏硬度試驗測量范圍較寬，幾乎涵蓋各種材料。
（2）彈性回跳法
這種方法測量的硬度稱為肖氏硬度（HS），它是一種動載荷試驗法，其原理是將一定重量的帶有金剛石圓頭或鋼球的錘，從一定高度落于金屬試樣表面，根據重錘回跳的高度來表征金屬硬度值大小。因而也稱為回跳硬度。
（3）劃痕法
這種方法測量的硬度稱為莫氏硬度，它應用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所試樣品的表面而產生劃痕，用測得的劃痕深度分十級來表示硬度的大小，一般用于衡量礦物或寶石等材料的硬度。
圖5給出了幾種常見的硬度測量裝置。需要指出的是，硬度的物理意義隨硬度測試方法類型的變化而變化，因此，針對不同材料、形狀、尺寸及所要研究的問題，需要搞清試驗原理，掌握應用范圍及試驗特點，從而才能選擇正確的硬度測試方法進行試驗。
圖5 幾種常見的硬度測量裝置
【相關測試標準匯總】
無規矩不成方圓，因此，要想對以上提到的金屬材料的靜態力學性能進行測試，就需要遵守相應的試驗標準。小編整理了國標中與金屬材料靜態力學性能測試相關的一些測試標準，其中包括：
《GB-T 228-2002_金屬材料室溫拉伸試驗方法》
《GB-T 4338-2006_金屬材料高溫拉伸試驗方法》
《GB-T 13239-2006_金屬材料低溫拉伸試驗方法》
《GB-T 2039-1997_金屬拉伸蠕變及持久試驗方法》
《GB-T 7314-2005_金屬材料室溫壓縮試驗方法》
《GB-T 232-1999_金屬材料彎曲試驗方法》
《GB-T 244-2008_金屬管彎曲試驗方法》
《GB-T 14452-1993_金屬彎曲力學性能試驗方法》
《GB-T 10128-2007_金屬材料室溫扭轉試驗方法》
《GB-T 239-1999_金屬線材扭轉試驗方法》
《GB-T 6400-2007_金屬材料線材和鉚釘剪切試驗方法》
《GB-T 4341-2001_金屬肖氏硬度試驗方法》
《GB-T 230.1-2009_金屬材料洛氏硬度試驗_第1部分-試驗方法》
《GB-T 231.1-2009_金屬材料布氏硬度試驗-第1部分-試驗方法》
《GB-T 4340.1-2009_金屬材料維氏硬度試驗_第1部分-試驗方法》
有需要的讀者可以點擊進行下載。（鏈接:https://pan.baidu.com/s/1eRDBO9W 密碼:bhm5）
【參考文獻】
[1] K. Lu, The future of metals, Science, 2010.
[2] 楊王玥, 強文江等, 材料力學行為, 化學工業出版社, 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] 張哲峰, 中科院金屬所《材料力學性質》課程講義, 2014.
本文由材料人編輯部學術干貨組張金睿供稿，材料牛編輯整理。
材料人網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。
材料人網向各大團隊誠心約稿，課題組最新成果、方向總結、團隊訪談、實驗技能等皆可投稿，優秀稿件一經錄用，我們會奉上稿酬，請聯系：郵箱tougao@cailiaoren.com 或 QQ：97482208。
文章評論(0)