前言
2010年4月，應(yīng)美國Science雜志邀請，我國金屬材料研究領(lǐng)域的代表性人物、中科院金屬所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室主任、中國科學(xué)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(rèn)為（參照圖1），雖然由于比強(qiáng)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(yīng)用領(lǐng)域（如航空及運(yùn)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(dú)特性質(zhì)，如高強(qiáng)度、高斷裂韌性、性能各向一致性、失效強(qiáng)度可預(yù)測性、獨(dú)特的電磁學(xué)性能、在中高溫度范圍內(nèi)良好的綜合力學(xué)性能以及可回收性等，金屬在很多工業(yè)領(lǐng)域，尤其是高可靠性和高持久性要求的應(yīng)用領(lǐng)域仍是不可替代的材料。
而靜態(tài)力學(xué)性能的表現(xiàn)是評價一種金屬材料能否獲得工程應(yīng)用的重要參考因素之一，材料人網(wǎng)整理出了幾種常見的金屬材料靜態(tài)力學(xué)性能的相關(guān)知識及測試標(biāo)準(zhǔn)，希望能對研究金屬材料力學(xué)性能的你有所幫助。
圖1 常見材料的斷裂韌性-比強(qiáng)度關(guān)系圖
【金屬材料的靜態(tài)力學(xué)性能】
材料的力學(xué)性能是指材料構(gòu)件在一定環(huán)境條件下，承受載荷或應(yīng)力作用時狀態(tài)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）。
下面根據(jù)靜態(tài)載荷的變形方式來分別介紹金屬材料拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲和硬度性能的相關(guān)知識。
（1）拉伸
拉伸試驗是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的力學(xué)性能試驗方法之一，其特點(diǎn)是試驗溫度、應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)變速率是恒定的。試驗過程中通過試驗機(jī)記錄載荷及位移信號，根據(jù)樣品的尺寸經(jīng)過換算就可以得到工程應(yīng)力應(yīng)變曲線以及真應(yīng)力應(yīng)變曲線。
圖2給出了一種典型的結(jié)構(gòu)鋼的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，其中紅色線條A表示的是工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，藍(lán)色線條B表示的是真應(yīng)力應(yīng)變曲線。
我們可以看出，在拉伸過程的開始階段，材料的應(yīng)力應(yīng)變保持線性關(guān)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(fù)），直到應(yīng)力達(dá)到點(diǎn)2，材料發(fā)生屈服，此時的應(yīng)力值就是材料的屈服強(qiáng)度（yield strength），接著材料進(jìn)入了塑性變形階段（卸載后變形不可完全恢復(fù)），隨著應(yīng)變的增加應(yīng)力緩慢提高，表現(xiàn)出一定程度的加工硬化現(xiàn)象（區(qū)域4），當(dāng)工程應(yīng)力達(dá)到最大值點(diǎn)1（抗拉強(qiáng)度ultimate strength）之后開始下降，材料出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象（區(qū)域5），直至最后發(fā)生斷裂（點(diǎn)3）。
根據(jù)材料的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以得到材料的一些基本力學(xué)性能指標(biāo)，其中比較常用的指標(biāo)及其定義如下：
（1）彈性模量（elastic modulus）：工程應(yīng)力應(yīng)變曲線彈性階段的斜率；
（2）屈服強(qiáng)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(jìn)入塑性變形的標(biāo)志，對于在拉伸過程中有明顯屈服效應(yīng)的材料，將其工程應(yīng)力應(yīng)變曲線上明顯屈服效應(yīng)的下屈服應(yīng)力作為它的屈服強(qiáng)度（如退火低碳鋼），對于在拉伸過程中沒有明顯屈服效應(yīng)的材料，屈服強(qiáng)度一般用名義屈服強(qiáng)度代替，即工程應(yīng)力應(yīng)變曲線上對應(yīng)一定參與應(yīng)變量（一般為0.2%）時的應(yīng)力；
（3）抗拉強(qiáng)度（ultimate strength）:代表材料的最大塑性變形抗力，是拉伸試驗中達(dá)到的最大工程應(yīng)力；
（4）塑性（plasticity）：指材料發(fā)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(gòu)成，塑性指標(biāo)一般可用總延伸率和斷面收縮率來表示。
圖2 一種典型結(jié)構(gòu)鋼的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線[3]
（2）壓縮
金屬拉伸試驗中定義的力學(xué)性能指標(biāo)和相應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)明顯大于拉伸狀態(tài)，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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)。另外，彎曲試驗時試樣表面應(yīng)力最大，可以靈敏地反應(yīng)材料表面缺陷，常用于研究表面強(qiáng)化工藝及表面性能。
圖3給出了常見的三點(diǎn)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(yīng)的應(yīng)力值即為材料的抗彎強(qiáng)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(zhuǎn)
扭轉(zhuǎn)試驗可以實現(xiàn)高的應(yīng)變，易于顯示金屬的塑性行為，特別是那些在拉伸時呈現(xiàn)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(zhuǎn)試驗及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖5，通過對試樣施加扭轉(zhuǎn)載荷，記錄扭矩及扭轉(zhuǎn)角，從而得到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)變曲線，從中還可以得到材料的剪切模量（shear modulus）。
圖4 扭轉(zhuǎn)試驗加載及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)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(jié)構(gòu)的差異，因而被廣泛用于檢查熱處理工藝質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jìn)行簡單介紹：
（1）壓入法
生產(chǎn)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(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)比單向壓縮的還要大，幾乎所有的金屬材料都能產(chǎn)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(shù)值來作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)用于熱處理的質(zhì)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(jù)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(yīng)用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所試樣品的表面而產(chǎn)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?qū)毷炔牧系挠捕取?br />
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(yīng)用范圍及試驗特點(diǎn)，從而才能選擇正確的硬度測試方法進(jìn)行試驗。
圖5 幾種常見的硬度測量裝置
【相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)匯總】
無規(guī)矩不成方圓，因此，要想對以上提到的金屬材料的靜態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行測試，就需要遵守相應(yīng)的試驗標(biāo)準(zhǔn)。
小編整理了國標(biāo)中與金屬材料靜態(tài)力學(xué)性能測試相關(guān)的一些測試標(biāo)準(zhǔn)，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(xué)性能試驗方法》
《GB-T 10128-2007_金屬材料室溫扭轉(zhuǎn)試驗方法》
《GB-T 239-1999_金屬線材扭轉(zhuǎn)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》
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