金属材料的力学属性有哪些 金属材料基础知识

导读：金属材料在各行各业的应用特别广泛，在制造业中，以金属材料作为主要加工用原材料，特别是模具行业，但金属材料具有哪些力学性能？（强度、硬度、弹性、塑性）？如何进行测试（拉伸测试、洛氏硬度？布氏硬度？维氏硬度？冲击测试？）？有很多地方不是很了解，现将个人收集整理的一些资料分享给大家，以便对金属材料有一个基础了解？

泰坦尼克号

导致泰坦尼克号沉没的真正原因是什么？20世纪80年代科学家对打捞出来的泰坦尼克号船体材料进行测试发现：使用的材料力学性能“低温脆性”，抗冲击力弱！船体与水下冰上相撞时，发生大面积断裂，船体大量进水导致沉没！

金属材料具有哪些力学性能？

力学性能是指：金属在力的作用下所显示出的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力 - 应变关系的性能。一般来说，如：强度、塑性、硬度、弹性、韧性等。

一. 强度

强度是指：金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。一般钢材的屈服强度在 200 ～ 1000Mpa之间。通过拉伸试验测得大小。强度的大小通常用应力来表示。

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。

应力公式转换

拉伸试验是应力

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。

按载荷的作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。注意：一般多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标！

拉伸试验（参照GB/T228.1-2010）测定材料（标准拉伸试样）在材料试验机拉伸载荷作用下的一系列特性的试验。是金属的抗拉强度和塑性测定的试验方式。

拉伸试样必须按照GB6397-86的标准进行取样。如下图：试样的标准

长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0

拉伸试验一般采用万能材料试验机，一般有WE系列液压式（a），WDW系列电子式（b）。如下图：

拉伸试验机

在拉伸试验过程中，依据拉伸试验曲线（如下图），可以将试样拉伸过程分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段等。注：拉伸曲线是指拉伸试验中得出的拉伸力和伸长量之间关系曲线。

拉伸试验曲线

四个阶段具体在拉伸曲线中区分，见下图：

弹性阶段是：OP 屈服阶段: ss' 强化阶段: s‘b 颈缩阶段：bz

拉伸试验曲线

强度指标：

1. 屈服点σs材料产生屈服时的最小应力。单位为 Mpa. 公式 σs=Fs/A0
2. Fs是屈服时的最小载荷（N）; A0 是试样原始截面积。
3. 对于无明显屈服现象的金属材料（人高碳钢、铸铁），测量屈服点很困难，工程上经常采用残余伸长为 0.2%原长时的应力σ0.2 作为屈服强度指标，称为规定残余伸长应力。 σ0.2 =F0.2/A0
4. 抗拉强度 σb 是材料在拉断前承受的最大应力，单位为Mpa.抗拉强度表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，也是设计机械零件和选材的主要依据！ 公式 σb =Fb /A0 Fb 是试样断裂前所承受的最大载荷（N）

试样在试验中变化过程，如下图：

拉伸试验各阶段试样

a: 试样（初始） b: 伸长 c: 产生颈缩 d: 断裂

试样颈缩现象图片

举例：脆性材料的拉伸曲线：在断裂前没有明显的屈服现象

脆性材料拉伸试验曲线

强度的意义：强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小构件自重。因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题！称之为材料的强化！

二. 塑性

塑性是指：金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的能力。一般是通过拉伸试验测得大小。常用的塑性指标有：断后伸长率 δ 和 端面收缩率 ψ。

塑性对于材料的意义：

1. 是金属材料进行压力加工的必要条件；

2. 提高安全性：因零件在工作时万一超载，也会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂。

强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。但可以通过细化金属材料晶体组织（关于晶体组织请关注补天石企业之友的其他文章），可以同时提高材料的强度和塑性。

三.硬度

硬度是指金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。是材料性能的一个综合的物料量。

硬度的测量方式主要采取压入式。不同材料的硬度，采取不同的测量试验机，因测量试验机的不同，有三种不同硬度：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV），具体见下图：

四.韧性

强度、塑性、硬度等力学性能指标都是材料在静默载荷作用下的表现。材料在工作时还经常受到动态载荷的作用。韧性就是材料在动态载荷作用下抵抗破坏的能力。也称为冲击韧性！

在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如冲床、钻头、 顶块）时，必须考虑所用材料除具有足够的静默载荷作用下的力学性能指标（强度、塑性、硬度）外，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力（韧性）。

冲击载荷与静默载荷的主要区别是：

1. 冲击载荷的加载时间短、加载速率高、应力集中。由于加载速率提高，金属形变速率也随之增加。

2.冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静默载荷。（如玻璃，在冲击载荷作用下非常容易破裂！）

冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定。

冲击试验的方式是：

将带有 U 型 或 V 型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上，将摆锤升至高度 H1 ,使其具有势能 mgH1; 然后，使摆锤由此高度自由下落将试样冲断并向另一个方向升高至 H2，这时摆锤的势能为mgH2.摆锤用于冲端试样的能量：

Ak =mg（H1 - H2）即为冲击功率（焦耳 J）

冲击试样： U 型 或 V 型缺口 见下图

备注1：如果不能制作标准试样，可以采用宽度 7.5mm 或 5mm等小尺寸试样。试样的其他尺寸及公差与相应 缺口的标准试样相同。缺口应开在试样的窄面上。其中 5mm ×10mm ×55mm试样常用于薄板材料的试验。

备注2：焊接接头冲击试样的形状和尺寸与 相应的标准试样相同，但其缺口轴线应当垂直焊缝表面。具体见下图：

冲击试验机 和冲击试验是试样的摆放。如下图

按照GB/T229 -2007,U 型 或 V 型缺口试样的冲击能量分别用：KU 和 KV表示。并用下标数字 2 或 8 表示摆锤刀刃半径，如KU2.冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出！

冲击吸收能力的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷；一般把材料冲击吸收能量较低的材料称为脆性材料，吸收能量高的材料称为韧性材料！

冲击韧性与温度有密切的关系，温度降低，冲击韧性随之降低，当低于某一温度时材料的韧性急剧下降，材料将由韧性状态转变为脆性状态。这一温度成为转变温度 Tt. 转变温度越低，表明材料的低温韧性越好，对于材料在低温或寒冷地区使用十分重要！

金属材料的成分对脆性转变温度的影响很大，一般的碳素钢，韧性转变温度 Tt 大约为 -20℃，某些合金钢的韧性脆变温度 Tt 可以达到 -40℃。

因材料脆性导致出现重大的事故，屡见不鲜。如：泰坦尼克号的沉没。

1912年4月，号称永不沉没的泰坦尼克号，首航沉没于冰海之中，成为 20世纪令人难以忘怀的悲伤海难，20世纪80年代科学家对打捞出来的泰坦尼克号船体材料进行测试发现：船板使用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温下呈脆性，抗冲击力弱！船体与水下冰上相撞时，发生大面积断裂，船体大量进水导致沉没！下图是取自船体的金属材料：

如何提高冲击韧性？

1. 改变材料的成分，如加入钒、钛、铝、氮等元素，通过细化晶粒来提高其韧性，尤其是低温韧性。（关于晶体组织请关注补天石企业之友的其他文章）
2. 提高材料的冶金质量，减少偏析、夹渣、气泡等缺陷。

五.疲劳强度

金属的疲劳是指：在交变应力作用下，零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后，产生裂纹或突然发生完全断裂的现象。

1988年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故（如上图）：一列高速行驶的列车脱轨，造成 100多人遇难！经过对事故原因的调查：是因为一节车厢的车轮“内部疲劳断裂”引起！

变动载荷是指引起疲劳破坏的外力，是指载荷大小，甚至方向均随时间变化的载荷。其在单位面积上的平均值即为变动应力！变动应力可分为：规则周期变动应力（也称循环应力）和无规则随机变动应力两种。

a: 应力大小变化；b/c:应力大小和方向都变化；d:应力大小和方向无规则变化

疲劳断裂是指零件在循环应力作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经过一定循环次数后突然产生断裂的过程！疲劳断裂由：疲劳裂纹产生 - 扩展 - 瞬间断裂 三个阶段组成！

尽管疲劳失效的最终结果是部件的突然断裂，但实际上，它们是一个逐渐失效的过程，从开始到最后破裂需要经过很长时间。疲劳断裂的宏观断口（主断口面）一般由三个区域组成：疲劳裂纹产生（裂纹源）、裂纹扩展、最后断裂区。如下图:

疲劳断口的图片：案例

疲劳强度是指当应力低于某值时，材料经受无限次循环应力也不发生疲劳断裂，此应力成为材料的抗疲劳强度（材料的疲劳极限）。记作：σR R为应力比。就是 S -N曲线中的平台位置对应的应力。通常，材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件下（R = -1）测定的，对称弯曲疲劳极限记作 σ-1

疲劳曲线：试验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值 σmax 与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命）N 的曲线关系。如下图：

若，疲劳曲线上没有水平部分，常以规定断裂循环次数对应的应力为条件疲劳极限。一般的低、中强度钢： 107周次；高强度钢： 108 周次；铝合金、不锈钢： 107 周次。

如何提高疲劳极限（强度）？

1. 在零件结构设计中尽量避免尖角、缺口、截面突变；
2. 提高零件表面加工质量；
3. 对材料表面进行强化处理。

这些是个人了解并收集到的一些关于金属材料力学性能方面的知识，希望对各位有所帮助。关于更多的信息和资料，将在后续的资料中逐步分享，请关注或

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