材料的力学性能及试验(一)
目
录
材料在单向静拉伸载荷下的力学性能
材料在其他静载荷下的力学性能
材料在冲击载荷下的力学性能
材料在变动载荷下的力学性能
材料在环境条件下的力学性能
材料在高温条件下的力学性能
材料的磨损性能（
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01
材料在单向静拉伸载荷下的力学性能
1.1 拉伸试验
1.1.1 概述
拉伸试验是标准拉伸试样在静态轴向拉伸力不断作用下以规定的拉伸速度拉至断裂，并在拉伸过程中连续记录力与伸长量，从而求出其强度判据和塑性判据的力学性能试验。
强度指标：弹性极限、屈服强度、抗拉强度；
塑性指标：断后伸长率、断面收缩率。
1.1.2 概念
应力：应力是在它所作用面积上的力，用N/mm
2
表示，在米制单位中，用千帕（kPa）或兆帕（MPa）表示。
应变：是被测试材料尺寸的变化率，它是加载后应力引起的尺寸变化。由于应变是一个变化率，所以它没有单位。
原始标距(
L
o
)：施力前的试样标距。
断后标距(
L
u
)：试样断裂后的标距。
平行长度(
L
c
)：试样两头部或两夹持部分(不带头试样)之间平行部分的长度。
断后伸长率(
A
)：是断后标距的残余伸长(
L
u
-L
o
)与原始标距(
L
o
)之比的百分率。
断面收缩率(
Z
)：断裂后试样横截面积的最大缩减量(
S
o
-S
u
)与原始横截面积(
So
)之比的百分率。
最大力(
F
m
)：试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力。
屈服强度：当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。
上屈服强度：试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。
下屈服强度：在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力。
1.1.3 拉伸应力-应变曲线
以低碳钢的拉伸应力—应变曲线为例。
OB—弹性阶段，BC—屈服阶段
CD—强化阶段，DE—颈缩阶段
试样在各阶段变化的示意图
弹性阶段
金属材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系，符合胡克定律，即
σ
=
E·
ε，其比例系数E称为弹性模量。
弹性极限
σ
p
与比例极限
σ
e
非常接近，工程实际中近似地用比例极限代替弹性极限。
屈服阶段
屈服强度：当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点，应区分上屈服强度和下屈服强度。通常把下屈服点对应的应力值称为屈服强度。
强化阶段
经过屈服阶段后，曲线从C点又开始逐渐上升，说明要使应变增加，必须增加应力，材料又恢复了抵抗变形的能力，这种现象称作强化，CD段称为强化阶段（加工硬化）。
曲线最高点所对应的应力值记作，称为材料的抗拉强度(或强度极限)，它是衡量材料强度的又一个重要指标。 强度极限是材料在整个拉伸过程中所能承受的最大拉力。
颈缩阶段
曲线到达D点，在试件比较薄弱的某一局部(材质不均匀或有缺陷处)，变形显著增加，有效横截面急剧减小，出现了缩颈现象。此后，试件的轴向变形主要集中在颈缩处，试件最后在颈缩处被拉断。
a是低碳钢的应力-应变曲线，它有锯齿状的屈服阶段，分上下屈服，均匀塑性变形后产生缩颈，然后试样断裂；
b是中碳钢的应力-应变曲线，它有屈服阶段，但波动微小，几乎成一条直线，均匀塑性变形后产生缩颈，然后试样断裂。
c是淬火后低、中温回火钢的应力-应变曲线，它无可见的屈服阶段，均匀塑性变形后产生缩颈，然后试样断裂；
d是铸铁、淬火钢等较脆材料的应力-应变曲线，它不仅无屈服阶段，而且在产生少量均匀塑性变形后就突然断裂。
1.1.4 拉伸试样形状及尺寸
拉伸试样的一般形状
需要加工制样：压制坯、铸锭、无恒定截面的产品；
不需加工制样：有恒定横截面的型材、棒材、线材、铸造试样；
横截面的形状：圆形、矩形、多边形、环形，其他形状；
试样的原始标距：
比例试样
L
o
=
k
S
o
1/2
(短比例试样：
k
=5.65;长比例试样：
k
=11.3)
非比例试样
L
o
与S
o
1/2
无关
圆形横截面拉伸试样的形状和尺寸符号
比例试样尺寸
原始直径d
0
：3、5、6、8、10、15、20、25，优先采用5、10、20mm
原始标距L
0
≥15mm，短试样（优先） L
0
=5d
0
，长试样L
0
=10d
0
平行长度L
C
≥ L
0
+d
0
/2 ，仲裁试验： L
C
=L
o
+2d
0
试样总长度 L
t
取决于夹持方法，原则上L
t
>L
c
+4d
0
过渡圆半径r≥0.75d
0
矩形横截面拉伸试样的形状和尺寸符号
矩形截面非比例试样
原始厚度b
0
>3mm
原始标距L
0
：短试样(优先) L
0
=5.65s
0
1/2
,长试样L
0
=11.3s
0
1/2
；若L
0
<15mm，采用非比例试样
平行长度L
C
≥L
o
+ 1.5s
0
1/2
，仲裁试验：L
C
=L
o
+2s
0
1/2
过渡圆半径r≥12mm.
薄板非比例试样
原始宽度b
0
=12.5、20、25mm
头部宽度≥1.2b
0
过渡弧半径r≥20mm
b
0
=12.5mm，L
0
=50mm，带头L
C
=75mm，不带头L
C
=87.5mm
b
0
=20.0mm，L
0
=80mm，带头L
C
=120mm，不带头L
C
=140mm
b
0
=25.0mm，L
0
=50mm，带头L
C
=100mm，不带头L
C
=120mm
经过机加工试样
不经机加工试样
1.1.5 拉伸试验前的准备
（1）取样与制样
取样部位、取样方向、取样数量是对材料性能试验结果影响较大的3个因素，被称为取样三要素。
样坯的切取部位、方向和数量应按照相关产品标准GB/T2975-2018《钢及钢产品力学性能取样位置及试样制备》或协议的规定。
取样方法
从原材料（型材、棒材、板材、管材、丝材、带材等）上直接取样试验；
从产品上的重要部位（最薄弱、最危险的部位）取样试验；
以实物零件直接试验，如、钢筋、螺栓、螺钉或链条等；
以浇注的铸件试样直接试验或经加工成试样进行试验。
（2）试样加工
防止冷变形或受热而影响其力学性能。通常以切削加工为宜。
平行段应光滑，无加工硬化，无缺口、刀痕、毛刺等缺陷；
脆性材料夹持部分与平行段应有较大半径的圆弧过渡；
不经机加工铸件试样表面上的夹砂、夹渣、毛刺、飞边等必须加以清除。
（3）试样检查、标记
试验前应先检查试样外观是否符合要求。
试样原始标距一般采用细划线或墨线进行标定，所采用的方法不能影响试样过早断裂。
对于特薄或脆性材料，可在试样平行段内涂上快干着色涂料，再轻轻划上标线。
（4）尺寸测量（试样的原始横截面积）
圆形截面试样：圆形在标距两端及中间三处横截面上相互垂直两个方向测量直径，以各处两个方向测量的直径的算术平均值计算横截面积;取三处测得横截面积平均值作为试样原始横截面积。（
S
0
=1/4
πd
0
2
）
矩形截面试样：在标距两端及中间三处横截面上测量宽度和厚度，取三处测得横截面积平均值作为试样原始横截面积。（
S
0
=
a
0
×
b
0
）
1.1.6 拉伸试验设备
拉力试验机又名万能材料试验机。
万能试验机是用来针对各种材料进行仪器设备静载、拉伸、压缩、弯曲、剪切、撕裂、剥离等力学性能试验用的机械加力的试验机。万能试验机组成：加载机构、夹样机构、记录机构、测力机构。标准：《GB/T 16491-2008 电子万能试验机》
夹持装置用于对不同形状、尺寸和材质的试样能顺利进行试验。引伸计用于测定微小塑性变形的长度测量仪。
试验设备校验：
电子万能试验机：《GB/T 16825.1-2008 静力单轴试验机的检验 第1部分：拉力和压力试验机测力系统的检验与校准》、《GB/T 16825.2-2005静力单轴试验机的检验 第2部分：拉力蠕变试验机 施加力的检验》
引伸计：《GB/T 12160-2002 单轴试验用引伸计的标定》
电子万能试验机及其构造
气动夹具（左）、液压夹具（右）
CSS2210 电子万能试验机引伸计（左）、WDW-100 电子万能试验机引伸计（右）
1.1.7 拉伸试验步骤
1.2 性能指标
1.2.1 弹性
弹性模量E（
E
=
σ
/
ε
）表征材料抵抗正应变的能力。工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同的应力状态下产生的弹性变形量越小。
比弹性模量为弹性模量与密度的比值。
1.2.2 强度
材料强度的大小通常用单位面积上所承受的力来表示。（单位：Pa、MPa、N/m
2
）
抗拉强度（或强度极限）是指试件断裂前所能承受的最大工程应力，用来表征材料对最大均匀塑性变形的抗力。
上屈服强度：
R
eH
=
F
eH
/
S
0
下屈服强度：
R
eL
=
F
eL
/
S
0
抗拉强度：
R
m
=
F
m
/
S
0
oa——总变形；ba—弹性变形99.8%；塑性变形0.2%
（条件屈服强度：
R
p
0.2
表示规定塑性延伸率为0.2%时对应的应力
）
硬钢（高碳钢）强度高，塑性差，拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接测定屈服强度，用条件屈服强度来代替屈服强度。
1.2.3 塑性
金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和集中塑性变形两部分组成。试样拉伸至颈缩前的塑性变形是均匀塑性变形，颈缩后颈缩区的塑性变形是集中塑性变形。
试件拉断后，弹性变形消失，但塑性变形仍保留下来。工程上用试件拉断后遗留下来的变形表示材料的塑性指标。
常用的塑性指标有两个：断后伸长率
A
=[(
L
u
-
L
0
)/
L
0
]×100%，断面收缩率Z=[(
S
0
-
S
u
)/
S
0
] ×100%。
1.2.4 应变硬化
在真应力-真应变曲线中，应力与应变之间符合Hollomon关系，即
S
=
Ke
n
（
n
为加工硬化指数或应变硬化指数）。
应变硬化指数
n
反映了材料开始屈服后，继续变形时材料的应变硬化情况，它决定了材料开始发生紧缩时的最大应力
σ
b
。形变硬化是提高材料强度的重要手段。
工程应力-应变曲线与真应力应变曲线对比
1.2.5 韧性
韧性是指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
韧度是度量材料韧性的力学性能指标，分为静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。
静力韧度是指金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功，是强度和塑性的综合指标。韧度为应力-应变曲线下的面积。
1.3 相关标准
02
材料在其他静载荷下的力学性能
2.1 压缩试验
2.1.1 概述
压缩试验是测定材料在轴向静压力作用下的力学性能的试验，是材料机械性能试验的基本方法之一。主要用于测定金属材料在室温下单向压缩的屈服点和脆性材料的抗压强度。
压缩性能是指材料在压应力作用下抗变形和抗破坏的能力。
工程实际中有很多承受压缩载荷的构件，如大型厂房的立柱、起重机的支架、轧钢机的压紧螺栓等。这就需要对其原材料进行压缩试验评定。
2.1.2 概念
压缩屈服强度：当金属材料呈现屈服现象时，试样在试验过程中达到力不在增加而继续变形时所对应的压缩应力。
上压缩屈服强度：试样发生屈服而力首次下降前的最高压缩应力。
下压缩屈服强度：屈服期间不计瞬时效应时的最低压缩应力。
抗拉强度：对于脆性材料，试样压至破坏过程中的最大压缩应力。
压缩弹性模量：试验过程中，轴向压应力与轴向应变呈线性比例关系范围内的轴向压应力与轴向应变的比值。
2.1.3 试验设备仪器及试样
设备仪器：（1）材料万能试验机；（2）游标卡尺。
压缩试样通常为柱状，横截面有圆形和方形两种。
试样受压时，两端面与试验机压头间的摩擦力会约束试样的横向变形，且试样越短，影响越大；但试样太长容易产生纵向弯曲而失稳。
2.1.4 压缩试验的力学分析
低碳钢
低碳钢试样装在试验机上，受到轴向压力F作用，试样产生变形量△
l
两者之间的关系如图。
低碳钢压缩时也有弹性阶段、屈服阶段和强化阶段。低碳钢压缩变形，不会断裂，由于受到上下两端摩擦力影响，形成“鼓形”。
试样直径相同时，低碳钢压缩曲线和拉伸曲线的弹性阶段几乎重合，屈服点也基本一致。
低碳钢是塑性材料，试样屈服后，塑性变形迅速增长，其横截面积也随之增大，增加的面积又能承受更大的载荷，所以只能测得屈服极限，无法测得强度极限。
铸铁
铸铁试样装在试验机上，受到轴向压力F作用，试样产生变形量△
l
两者之间的关系如图。
灰铸铁的抗压强度是其抗拉强度的3-4倍。
铸铁在较小变形下出现断裂，略成“鼓形”，断面的法线与轴线成45—55度；
试样直径相同时，铸铁压缩曲线和拉伸曲线差异较大，其抗压强度远大于抗拉强度。
2.2 弯曲试验
2.2.1 概述
弯曲性能指材料承受弯曲载荷时的力学性能。
弯曲试验检验材料在受弯曲载荷作用下的性能，许多机器零件（如脆性材料制作的刀具、横梁、车轴等）是在弯曲载荷下工作的，主要用于测定脆性和低塑性材料(如铸铁、高碳钢、工具钢等)的抗弯强度并能反映塑性指标的挠度；弯曲试验还可用来检查材料的表面质量。
试验一般在室温下进行，所以也称为冷弯试验。
2.2.2 概念
挠度：弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的线位移；
弯曲应力：弯曲时产生的应力；
弯曲应变：试样跨度中心外表面上单元长度的微量变化；
弯曲弹性模量：弯曲应力与弯曲应变呈线性比例关系范围内的弯曲应力与应变之比。
弯曲强度：在达到规定挠度值时或之前，负荷达到最大值时的弯曲应力；
2.2.3 弯曲试验原理
将一定形状和尺寸的试样放置于一定跨距
L
的支座上，并施加一集中载荷，使试样产生弯曲应力和变形。
弯曲试验分为三点弯曲和四点弯曲，三点弯曲是最常用的试验方法。
2.2.4 弯曲试样及试验装置
弯曲试验试样的横截面形状可以为圆形、方形、矩形和多边形，但应参照相关产品标准或技术协议的规定；
室温下可用锯、铣、刨等加工方法截取，试样受试部位不允许有任何压痕和伤痕，棱边必须锉圆，其半径不应大于试样厚度的1/10；
弯曲试验通常在万能材料试验机或压力机上....
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