带你了解材料力学性能及试验

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/mm2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(Lo)：施力前的试样标距。

断后标距(Lu)：试样断裂后的标距。

平行长度(Lc)：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(Lu-Lo)与原始标距(Lo)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(So-Su)与原始横截面积(So)之比的百分率。

最大力(Fm)：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

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

圆形横截面拉伸试样的形状和尺寸符号

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

薄板非比例试样

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。（S0=1/4πd02）

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。（S0=a0×b0）

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/m2）

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：ReH=FeH/S0

下屈服强度：ReL=FeL/S0

抗拉强度：Rm=Fm/S0

oa——总变形；ba—弹性变形99.8%；塑性变形0.2%

（条件屈服强度： Rp0.2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=[(Lu-L0)/L0]×100%，断面收缩率Z=[(S0-Su)/S0] ×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=Ken（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σb。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

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进行；常用的弯曲装置有支辊式、V型模具式、虎钳式、板式等。

2.2.5 弯曲试验的力学分析

弯曲曲线是通过弯曲试验得到的弯曲载荷和试样弯曲挠度的关系曲线。

试样弯曲时，受拉侧表面的最大正应力：σ=M/W。（M—最大弯矩，三点弯曲：M=FLs/4；四点弯曲：M=Fa/2；W—抗弯截面系数，对于直径为d的圆形试样：W=πd3/32；对于宽带为b，高为h的矩形试样：W=bh2/6。

2.2.6 性能指标

抗弯强度——试样弯曲至断裂前达到的，按弹性弯曲应力公式计算得到的最大弯曲应力，用符号σbb表示：σbb=Mb/W（Mb—断裂时的弯矩）

灰铸铁的抗弯性能优于抗拉性能。

断裂挠度fbb——将试样对称地安放在弯曲试验装置上，挠度计装在试样中间的测量位置上，对试样连续施加弯曲力，直至试样断裂，测量试样断裂瞬间跨距中点的挠度。

2.3 剪切试验

2.3.1 概述

剪切试验用于测试材料的剪切强度，剪切试验实际上就是测定试样剪切破坏时的最大错动力。

受剪切力作用的工程结构件有螺栓、销钉、铆钉等。

作用在试样两个侧面的载荷，其合力为大小相等、方向相反、作用线相距很近的一对力，如图所示：

2.3.2 剪切试验分类

一般分为单剪试验、双剪试验、冲孔试验、开缝剪切试验和复合钢板剪切试验等。

2.3.4 试样及试验装置

剪切试样根据剪切试验方法和夹具确定。

圆柱形试样：试样直径和长度根据夹具确定，一般取直径为5，10，15mm。冲孔板状试样：薄板不能做成圆柱形试样时，可用冲孔剪切试样，板状试样厚度一般小于5mm。实际零件剪切试样：用实际零件如铆钉、螺栓等。

2.3.5 剪切性能的测定

室温剪切试验应在10~35℃下进行；

对不同的试样，选择合适的装置，装置安装时，与试验机的压头中心线一致，不   得偏心；

剪切试验速度≯15mm/min，高温≯5mm/min；

高温剪切试验：试验升温时间≯1h，保温时间为15～30min。

2.3.6 剪切试验数据处理

试样剪断后，记下剪切试验过程的最大试验力F。按以下公式计算抗剪强度τb，MPa。

单剪抗剪强度：τb=F/S0（S0—试样原始横截面积，mm2）

双剪抗剪强度：τb=F/2S0=2F/(πd2)（S0—试样原始横截面积，mm2）

双剪抗剪强度：τb=F/(πd0t)（d0—冲孔直径，mm2；t——试样厚度，mm）

抗剪强度的计算精确到3位有效数。

剪断后发生弯曲、断口出现锲形、椭圆形等剪切截面，结果无效，应重做。

2.4    扭转试验

2.4.1 概述

扭转试验是测定材料抵抗扭矩作用的一种试验，是材料机械性能试验的基本试验方法之一。扭转试验是对试样施加扭矩T，测量扭矩T及相应的扭角φ ，绘制出扭转曲线图，一般扭至断裂，以便测定金属材料的各项扭转力学性能指标。

在机械、石油、冶金等工程中有许多机械零部件承受扭转载荷作用的实例，如如轴、弹簧等需进行扭转试验。

扭转时应力状态的柔度系数较大，因而可用于测定那些在拉伸时表现为脆性的材料。如：淬火低温回火工具钢的塑性。

圆柱试件在扭转试验时，整个长度上的塑性变形始终是均匀的。试件截面及标距长度基本保持不变，不会出现静拉伸时试件上发生的颈缩现象。

扭转试验可以明确地区分材料的断裂方式，正断或切断。对于塑性材料，断口与试件的轴线垂直，断口平整并有回旋状塑性变形痕迹。

扭转试验时，试件截面上的应力应变分布表明，该试验对金属表面缺陷显示很大的敏感性。因此，可利用扭转试验研究或检验工件热处理的表面质量和各种表面强化工艺的效果。

扭转试验时，试件受到较大的切应力，因而还被广泛地应用于研究有关初始塑性变形的非同时性的问题。如弹性后效、弹性滞后以及内耗等。

2.4.2 扭转试验的应用

扭转试验可用于测定塑性材料和脆性材料的剪切变形和断裂的全部力学性能指标，并且还有着其他力学性能试验方法所无法比拟的优点。

扭转断口形态

（a—切断断口，b—正断断口，c—层状断口）

塑性材料断口与试件的轴线垂直，断口平整并有回旋状塑性变形痕迹（图a），这是由切应力造成的切断；

脆性材料断口约与试件轴线成45度成螺旋状（图b）；
如果材料的轴向切断抗力比横向的低，扭转断裂时可能出现层状或木片状断口（图c）。

可以根据断口特征，判断产生断裂的原因以及材料的抗扭强度和抗拉（压）强度相对大小。

2.4.3 扭转试验的原理

在试验过程中，随着扭矩的增大，试件标距两端截面不断产生相对转动，使扭转角的增大，利用试验机的绘图装置绘出曲线，即Mn—φ曲线（又称扭转图）来描述。

根据材料性能的不同，扭转曲线可以分为两种典型——低碳钢和铸铁。

扭转图与拉伸试验测定的应力—应变曲线相似，这是因为在扭转时试件的形状不变，其变形始终是均匀的，即使进入塑性变形阶段，扭矩仍随变形的增大而增加，直至试件断裂。