金属材料力学性能试样图（高性能金属材料力学性能检测方法）

金属材料广泛应用于建筑、矿山、化工、交通运输等行业，各种机械设备中90%的材料都是由金属制造的，由于金属的选材不当或使用不当会造成材料的过早失效，严重的可能会发生重大事故。金属材料力学性能检测作为质量控制的一个关键环节，产品使用前对原材料、半成品或成品的检测就显得特别重要。

金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。

1、黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。

2、有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等，有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。

3、特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。

金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等）和化学性能。工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺应具备的性能。

金属材料的力学性能是指金属材料在载荷作用时所表现的性能。这些性能是材料检验检测、机械设计、材料选择及工艺评定的主要依据。

1、强度

金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的强度。根据外力的作用方式，材料的强度分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。在使用中一般多以抗拉强度作为基本的强度指标，常简称为强度。强度单位为MPa(N/mm²)。

拉伸试验主要用来测试金属材料的性能，其检测结果不仅可以反映金属的强度和塑性，还可以反映强度的极限、弹性极限以及屈服极限等。

试验时,将试样两端夹装在试验机的上下夹头上,按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》要求的试验速率进行加载,随着载荷的增加，试样逐步变形而伸长,直到被拉断为止。在试验过程中，试验机自动记录了每一瞬间负荷F和变形量ΔL，并给出了它们之间的关系曲线，故称为拉伸曲线（或拉伸图）。拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力学特性。

低碳钢试样在拉伸过程中，可分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段四个阶段。

屈服强度是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。应区分为上屈服强度和下屈服强度。

生产中使用的某些金属材料，在拉伸试验中不出现明显的屈服现象，无法确定其屈服点Rp。所以国标中规定，以试样塑性变形量为试样标距长度的0.2%时,材料承受的应力称为“塑性延伸强度”,并以符号Rp0.2表示。Rp0.2的确定方法如图2所示：在拉伸曲线横坐标上截取C点，使OC=0.2%L0，过C点作OP斜线的平行线，交曲线于S点，则可找出相应的载荷F0.2,从而计算出Rp0.2。

当试验出现下列情况之一时，试验结果无效：

（1）试样断在标距外或断在夹具内时。

（2）试验期间设备发生故障，影响了试验结果。

2、塑性

金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。常用的塑性指标有断后伸长率（A）和断面收缩率（Z）。

（1）断后伸长率

试样拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称为伸长率，。

（2）断面收缩率

试样拉断后，标距内横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。

强度指标和塑性指标是判断金属材料性能优劣的重要依据。金属材料的塑性好坏，对零件的加工和使用都具有重要的实际意义。塑性好的材料不仅能顺利地进行锻压、轧制等成型工艺，而且在使用时遇到突发状况，由于塑性变形，能避免突然断裂。

3、硬度

金属材料抵抗硬的物体压入其表面的能力，称为硬度。根据试验方法和适用范围不同，硬度又可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度、显微硬度和高温硬度等。对于一般常用的金属材料硬度有布氏、洛氏、维氏硬度三种。

（1）布氏硬度

Ⅰ试验原理

对一定直径D的碳化钨合金球施加试验力F压人试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕的直径do。

布氏硬度与试验力除以压痕表面积的商成正比。

Ⅱ检测方法

试样应放置在刚性试台上。试样背面和试台之间应无污物（氧化皮、油、灰尘等）。将试样稳固地放置在试台上，确保在试验过程中不发生位移。

使压头与试样表面接触，垂直于试验面施加试验力，直至达到规定试验力值，确保加载过程中无冲击、振动和过载。从加力开始至全部试验力施加完毕的时间应在2s～8s之间。试验力保持时间为10s～15s。对于要求试验力保持时间较长的材料，试验力保持时间公差为±2s。在整个试验期间，硬度计应避免受到冲击和振动。

（2）洛氏硬度

Ⅰ试验原理

将特定尺寸、形状和材料的压头分两级试验力压入试样表面，初试验力加载后，测量初始压痕深度。随后施加主试验力，在卸除主试验力后保持初试验力时测量最终压痕深度，洛氏硬度根据最终压痕深度和初始压痕深度的差值h及常数N和S计算得出。

Ⅱ洛氏硬度的标尺

洛氏硬度的标尺有：A、B、C、D、E、F、G、H、K，符号单位分别为HRA、HRBW、HRC、HRD、HREW、HRFW、HRGW、HRHW、HRKW。表面洛氏硬度标尺有：15N、30N、45N、15T、30T、45T，符号单位分别为HR15N、HR30N、HR45N、HR15TW、HR30TW、HR45TW。

Ⅲ检测方法

试样应放置在刚性支承物上，并使压头轴线和加载方向与试样表面垂直，同时应避免试样产生位移。使压头与试样表面接触，无冲击、振动、摆动和过载地施加初试验力F0,初试验力的加载时间不超过2s，施加主试验力F1，使试验力从初试验力F0增加至总试验力F，洛氏硬度主试验力的加载时间为1s〜8s。

总试验力F的保持时间为5±1s，卸除主试验力F1，初试验力F。保持1s〜5s后，进行最终读数。对于在总试验力施加期间有压痕蠕变的试验材料，由于压头可能会持续压人，所以应特别注意。若材料要求的总试验力保持时间超过标准所允许的6s时，实际的总试验力保持时间应在试验结果中注明（例如65HRF/10s）。在整个试验期间，硬度计应避免受到冲击和振动。

实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。但各种材料的换算关系并不一致。

在金属材料普遍应用的今天，金属材料的质量是保证产品质量的关键，金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。随着金属材料牌号不断更新，力学性能相关指标不断提高，国家标准中有关金属材料力学性能检测方法也在不断更新，所以在金属材料产品使用前，需要对金属材料的力学性能进行检测很有必要。