金属材料常见的力学性能包括（金属材料力学性能）

3. 冲击韧性

冲击就是以很大的速度将负荷(冲击负荷)作用到机器零件上去的一种加载方式，在机械设计中必须考虑冲击问题，尽可能地使它们不受冲击负荷的作用。当然，生产上有时要利用冲击负荷来实现静负荷难以实现的效果，如冲床、锻锤、凿岩机、铆钉枪等都是利用冲击负荷进行工作的。材料的韧性同其屈服应力和塑性有一定的关系。而材料的屈服应力与塑性值则又同应力状态、加载速度、温度因素等有密切的关系。因此，通过对韧性的测定不仅能灵敏地反映出组织的特征，而且还能反映出变形速度及温度对韧性的影响。

冲击负荷和静负荷的主要差别在于负荷速度不同。负荷速度指单位时间内单位面积下载荷增加的数值，其单位为MN/m2 .s（MPa/S）。由于负荷速度增加，形变速度也随之增加。形变速度指单位时间的变形量，有两种表示方法：

①变形速度v=dl/dt，l是试样长度，t是时间，单位为m/s；

②应变速度ε=dε/dt，ε为试样的真应变，单位是s-1。由于dε=dl/t，故两种变形速度的关系为ε=v/t。

一般都将试样制成带缺口的形式，图 1.18 为夏比冲击试样(charpy specimen)，以增加韧性材料的脆断倾向，因为缺口部分的材料在受冲击力的作用而变形时，处于三轴拉应力状态，更不易于发生塑性变形之故。

式中 Ak ——试样击断时所消耗之冲击功(J)；

F——缺口处的截面积(m2 )。

生产上习惯地把αk 看成是材料韧脆程度的度量及材料承受冲击负荷抗力的指标。其实，αk 本身并没有明确的物理意义，以αk 值的大小作为材料韧脆程度的度量是不确切的。

所谓脆性断裂是指骤然发生传播很快的断裂，断裂前(裂纹产生)及伴随着断裂过程(裂纹扩展)都缺乏明显的塑性形变。可见只有与裂纹产生过程的塑性形变相联系的能量(塑性功)以及与裂纹扩展过程的塑性形变相联系的能量(裂纹扩展功)才是材料韧脆程度的度量。

冲击韧性试验还经常用于测定材料的韧脆转变温度。韧脆转变温度是材料在用缺口试样进行冲击试验时，其断口形态(由韧性断口转变为脆性断口)以及断裂时所需之能量发生明显变化的温度。这一温度值的高低对于评价钢的脆性倾向(尤其低温脆性)非常重要。一般低强度的以铁素体为基的钢，其韧性随温度的降低在某一温度附近有突变，因而韧脆转变温度比较明显。而对于高强度钢及面心立方晶格的金属(如铝)等，则曲线随温度的变化很平缓，看不出明显的转变温度。这时往往人为地规定一定的能量值作为韧脆之间的界限，而与此数值相对应的温度就认为是该项材料的韧脆转变温度。

断裂韧性

材料的断裂是由于裂纹在应力作用下失稳而扩展的结果，因此，材料的实际断裂应力应与原始的裂纹长度有关，并与材料抵抗裂纹迅速扩展的能力有关。

对于一个内部没有宏观裂纹的均匀试样，在拉伸时，应力分布是均匀的，如图 1.20(a)所示。即试样中每一点的应力都等于外力除以试样截面积 F。也可以用应力线的概念来描述应力。规定每一点的应力值等于穿过该点单位面积应力线的条数。某一点的应力线密集，则该点的力就大，对于无裂纹试样，由于每一点应力相同，应力线分布是均匀的。

如果试样中有长 2a 的宏观裂纹，受同样的载荷 P，这时试样中各点的应力就不再是均匀的了。这是因为裂纹的内表面是空腔，不受应力作用，没有应力就没有应力线。但应力线的特点是不能中断在试样的内部，故应力线就被迫绕过裂纹尖端，上下相连，如图 1.20(b)所示。这样，长为 2a 的裂纹上的应力线就全部被排挤在裂纹尖端，则裂纹尖端应力线密度增大，即裂纹尖端的应力比平均应力要大。而远离裂纹尖端，则应力线逐渐趋于均匀，等于平均应力。也就是说，在裂纹尖端附近，其应力远大于无裂纹时的平均应力，即存在应力集中。在外加的应力(断裂应力)甚至低于材料的屈服应力时，含裂纹试样裂纹尖端区的应力集中就可能使尖端附近的应力达到材料的断裂强度，从而使裂纹快速扩展而脆断。一般含裂纹试样的实际断裂应力明显低于无裂纹试样，甚至低于材料的屈服强度。

图 1.20 无裂纹和含裂纹试样的应力线

由于整个裂纹长度 2a 上的应力线都被排挤在裂纹尖端，故如果裂纹越长，就有更多的应力线被排挤在裂纹尖端，应力集中就更大，试样就可以在更低的外加应力下断裂，即断裂应力更低。对不含裂纹的脆性材料试样，当外加应力大于抗拉强度时，试样就会发生断裂。材料的抗拉强度越高，无裂纹试样就越不容易断裂。对含有宏观裂纹的构件来说，其裂纹越长(a 越大)，则裂纹前端应力集中就越大，裂纹失稳扩展的应力(断裂应力)就越小。此外，断裂应力还和裂纹的形状、加载方式有关。

疲劳强度

所谓疲劳是指零件在远离该材料屈服极限为低的交变应力较长时间作用下，在没有明显的塑性变形征兆下所发生的一种破坏形式。疲劳断口的宏观特征通常呈现为两个断裂区：即平滑区和粗粒状区。由于疲劳破坏的突然性，无论是脆性材料还是韧性材料，在破坏前都不出现明显的材料的"疲劳极限"。影响材料的疲劳应力的因素是非常多的，除了材料本身的材质外，零件的尺寸和形状、零件表面的粗糙度、零件表层中的内应力的性质和分布状态、零件所处的环境、介质以及交变应力的幅度、性质及频率等都对疲劳应力有影响。材料的疲劳问题是目前研究材料力学性能方面的一个极为重要的领域。

疲劳应力的大小及方向均随时间而变化，而且其变化也常常是很不规则的，在进行疲劳试验时，往往使疲劳应力作规则性变化，因此，在此只涉及规则性的循环应力。图 1.21 是几种常见的循环应力。所有应力值均采用代数值，正号代表拉应力，负号为压应力。图 1.21中σmax 表示最大应力；σmin 表示最小应力；σa=（σmax-σmin）/2表示应力幅值；σm=（σmax σmin）/2表示平均应力； R=σmin/σmax表示应力比。

σm = 0，R=-1，为拉压对称；

σm= σa，R = 0, σmin=0 ，为周期拉伸循环；

σmin >0 , R>0，为周期拉伸循环；

σmin <0 ，R< 0，为不对称拉压循环。

当应力比 R 一定时，材料所受的应力幅值σ a 越大，导致破坏的循环周数就越小。试验材料的抗疲劳能力试验时，按规定的形状加工试样，然后在 R 固定情况下施以各种不同应力幅值的交变应力，测定其破断所需的循环数。以应力幅值σ a 为纵坐标，以破断循环数 N为横坐标，即可画出 S-N 曲线(见图 1.22)。因为 N 通常都很大，所以横坐标都采取对数坐标。疲劳寿命对各种因素很敏感，所以 N 的数据很分散。

N 曲线上是若干数量的试样数据的平均值，就是说，有 50%的试样能达到或超过曲线上所指明的寿命，有 50%达不到此寿命。S-N 曲线有两种典型。碳钢和一些有色合金(Ti 合金和一些 Al-Mg 合金)的 S-N 曲线在高σ a 和低寿命 N 的部分是一条倾斜的直线；而在低σ a 和高寿命 N 的部分则是一条水平线，这表明当所施的应力幅σ a 足够低时，材料可以经历无限循环而不发生破断。实际上此水平线的应力幅是代表材料抵抗无限应力循环破坏程度达 50%的最大应力，这个应力称为材料的疲劳极限σ −1 。钢的 S-N 曲线的拐点寿命约在 106 周～107周之间。另外，许多金属以及在介质腐蚀或高温试验条件下的钢，S-N 曲线无明显的拐点，而只有单调下降的趋势。这时以规定的疲劳寿命(一般材料为 107周，有色金属为108周)的断裂应力幅值为疲劳强度(σ N )。通常用弯曲疲劳试验机测定疲劳循环数及应力，试样中除中心轴线以外，其他各部分均受对称交变拉-压应力。