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材料力学性能及试验简述

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(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

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：R_eH=F_eH/S₀

下屈服强度：R_eL=F_eL/S₀

抗拉强度：R_m=F_m/S₀

oa——总变形；ba—弹性变形99.8%；塑性变形0.2%

（条件屈服强度： R_p0.2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-L₀)/L₀]×100%，断面收缩率Z=[(S₀-S_u)/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

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σ_bb表示：σ_bb=M_b/W（M_b—断裂时的弯矩）

灰铸铁的抗弯性能优于抗拉性能。

断裂挠度f_bb——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τ_b，MPa。

单剪抗剪强度：τ_b=F/S₀（S₀—试样原始横截面积，mm²）

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

双剪抗剪强度：τ_b=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M_n—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。

屈服强度τ_s=(3/4)(M_s/W_n)

抗扭强度极限τ_b=(3/4)(M_b/W_n)

铸铁的M_n—φ 曲线加载到一定程度就较明显地偏离了直线直至断裂。说明铸铁扭断前的塑性变形较拉伸时明显。铸铁断裂时的最大剪应力定义为强度极限记作τ_b。

τ_b=(3/4)(M_b/W_n)

2.4.4 扭转试验的试样

根据现行标准规定，分为圆柱形试样和管形试样两类。

圆柱形试样推荐采用直径为10mm，标距分别为50mm和10mm，平行长度分别为70mm和120mm的试样。如采用其他直径的试样，其平行长度应为标距加上两倍直径。

管形试样的平行长度应为标距加上两倍外直径。

2.3.5 扭转试验的仪器设备

允许使用不同类型的机械式或电子式扭转试验机。试验机扭矩示值相对误差应不大于士1%，应由计量部门定期进行检定；

试验时，试验机两夹头中之一应能沿轴向自由移动，对试样无附加轴向力，两夹头保持同轴；

试验机应能对试样连续施加扭矩，无冲击和震动，在30s内保持扭矩恒定。

允许使用不同类型的扭转计测量扭角，如镜式扭转计、表式扭转计、电子型扭转计等，推荐使用电子型扭转计。

1—试样；2—固定夹块；3—紧定螺母；

4—旋转夹块；5—标距标尺；6—数字百分表

2.3.6 相关力学性能

试验条件：试验应在室温10～35℃下进行；扭转速度:屈服前应在3°～30°/min范围内，屈服后不大于720°/min。速度的改变应无冲击。

（1）剪切模量的测定

用自动记录方法记录扭矩—扭角曲线。在曲线的弹性直线段上读出扭矩增量和扭角增量。

扭矩—扭角曲线

剪切模量：G=(△TL_e)/(△ΦI_p)

L_e—扭转计标距；I_p—极惯性矩

在弹性直线段范围内，用不少于5级等扭矩对试样加载。记录每级扭矩和相应的扭角，计算出平均每级扭角增量，按图解法中公式计算剪切模量G。

（2）规定非比例扭转强度的测定

用自动记录方法记录扭矩—扭角曲线。在曲线上延长弹性直线段交扭角轴于O点，截取OC段，过C点作弹性直线段的平行线CA交曲线于A点，A点对应的扭矩为T_p。

规定非比例扭转强度：τ_b=T_p/W

（3）上、下屈服强度的测定

采用图解法或指针法测定，试验时用自动记录方法记录扭转曲线，或直接观测试验机扭矩度盘指针的指示。

首次下降前的最大扭矩为上屈服扭矩，屈服阶段中不计初始瞬间效应的最小扭矩为下屈服扭矩。

上屈服强度：τ_eH=T_eH/W

下屈服强度：τ_eL=T_eL/W

（4）扭转强度的测定

对试样连续施加扭矩，直至扭断。从记录的扭转曲线或试验机扭矩度盘上读出试样扭断前所承受的最大扭矩，用公式计算抗扭强度。

抗扭强度：τ_m=T_m/W

(τ_m—抗扭强度；T_m—最大扭矩；W—截面系数)

2.3.7 试样断口分析

碳钢破坏断口形状：平面断口

表明断裂是由剪应力引起的。断面上可看出回旋状塑性变形的痕迹，是典型的韧状断口。断裂时的剪应力定义为强度极限记作τ_b 。

铸铁破坏断口形状：45°螺旋断口

表明断裂是由最大拉应力引起的。而最大拉应力先于最大剪应力达到强度极限后发生断裂又说明了铸铁的抗拉能力弱于其抗剪能力。

纯扭转时圆试样的表面处于纯剪应力状态，与杆轴成±45º角的螺旋面上分别作用着两个主应力:  σ₁、σ₃ 并与最大剪应力τmax绝对值数值相等。因此试样的断口角度直接显示材料是拉断还是剪断、材料自身抗拉、抗剪能力的强弱由此得到直接地比较。

纯扭转时圆试样的表面处于纯剪应力状态

2.5 硬度试验

2.5.1 概述

硬度表征的是固体材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，反映了材料的软硬程度。

硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。如刻划法型硬度试验表征金属抵抗破裂的能力，而压入法型硬度试验表征金属抵抗变形的能力。

硬度数据与其他力学性能存在一定关系，如抗拉强度。原因在于硬度和抗拉强度都与大塑性变形抗拉有关。

2.5.2 硬度的测试方法及分类

硬度试验是应用最广泛的力学性能试验，根据受力方式，可分为压人法和划痕法。在压入法中，按照加力速度不同又可分为静态力试验法和动态力试验法。通常所采用的布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等均属于静态力试验法，肖氏硬度、里氏硬度和锤击布氏硬度等属于动态力试验法。

硬度测试方法的分类

硬度测量方法的使用范围

其中肖氏硬度也称为回跳法，所以又可以分为：压入法、弹性回跳法和划痕法。

同一类方式的硬度可以换算；不同类方式则只能采用同一种材料进行标定。

实验方法简单，无须加工试样；

造成的表面损伤小，基本属于“无损”或微损检测范围；

与其他静载荷下的力学性能指标之间存在一定关系，如可以由硬度大致推测强度值；

测量范围大可至多个晶粒，小可测单个晶粒，甚至几个原子范围（纳米压痕仪(NanoIndenter)）。

2.5.3 概念

布氏硬度（HB）：材料抵抗通过硬质合金球压头施加试验力所产生永久压痕变形的度量单位。

努氏硬度（HK）：材料抵抗通过金刚石菱形锥体压头施加试验力所产生永久压痕变形的度量单位。

肖氏硬度（HS）：应用弹性回跳法将撞销（具有尖端的小锥，尖端上镶有金刚钻）从一定高度落到所测试材料的表面上而发生回跳，用测得的撞销回调高度来表示的硬度。

洛氏硬度（HR）：材料抵抗通过硬质合金，或对应某一标尺的金刚石圆锥体压头施加试验力所产生永久压痕变形的度量单位。

维氏硬度（HV）：材料抵抗通过金刚石正四棱锥体压头施加试验力所产生永久压痕变形的度量单位。

里氏硬度（HL）：将规定质量的冲击体，在弹性力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头在距试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值计算的硬度值。

标准块：用于压痕硬度计间接检验、带有检定合格的压痕值得标准块状物质。

硬度测试试验

2.5.4 硬度与材料抗拉强度的关系

金属的压入硬度与抗拉强度成正比例关系：

σ_b=kHB

其中k为比例系数，不同金属材料的k值不同，同一种类的金属经过热处理后，硬度和强度发生变化，但k值基本保持不变；

经过冷变形后，金属材料的k值不再是常数；

钢铁材料的k大约是3.3；

精确的强度数据要靠直接测量得到。

2.5.5 布氏硬度

原理：用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。

压头：淬火钢球或硬质合金钢球。

载荷、压头直径、保持时间是布氏硬度试验三要素。

布氏硬度的表示方法

布氏硬度值单位为公斤力/mm²（N/mm²）；布氏硬度上限值为HB650，不能高于此值。

优点：压痕面积大，反映较大范围内材料的硬度性能；试验数据稳定，重复性好，应用广泛；适用于晶粒粗大、相组成复杂、相尺寸较大的材料。

缺点：属于有损检测，压痕较大，不能在成品表面进行检测；操作复杂，效率低，不能连续检测。

布氏硬度测试设备

2.5.6  洛氏硬度

原理：用金刚石圆锥或淬火钢球压头，在试验压力F的作用下，将压头压入材料表面，保持规定时间后，去除主试验力，保持初始试验力，用残余压痕深度增量计算硬度值，实际测量时，可通过试验机的表盘直接读出洛氏硬度的数值。

洛氏硬度载荷较大，不宜用于测量极薄试样和表面硬化层，采用表面洛氏硬度测量。

优点：操作简单迅速，效率高，可直接读出硬度值；压痕小，可测量成品或较薄工件；可测量软硬不同的材料硬度。

缺点：压痕较小，代表性差；材料有偏析或组织不均匀时，数据重复性差；不同等级的洛氏硬度数据不具可比性。

压头—顶角120°金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球

1-1 —加上初载荷后压头的位置；

2-2 —加上初载荷+主载荷后压头的位置；

3-3 —卸去主载荷后压头的位置；

he —卸去主载荷的弹性恢复；

洛氏硬度标尺

洛氏硬度的表示方法

洛氏硬度试验设备

2.5.7  维氏硬度

原理：在一定的静检测力作用将压头下压入试样的表面，保持规定时间后卸除检测力，试样表面留下四方锥形的压痕。计算出压痕凹印面积，维氏硬度是检测力除以压痕表面积所得的商。

压头——金刚石材质，正四棱锥体，面角为136°

维氏硬度检测时对于硬度均匀的材料可以任意选择检测力，其硬度值不变，这是维氏硬度检测法最大的优点。

选择面角为136°的角锥体，是为了使维氏硬度和布氏硬度有相近的示值以便进行比较。

表示方法：HV前面的数值为硬度值，后面为试验力值。标准的试验保持时间为10 ~ 15s，超出范围需要标注上保持时间。600HV30—表示采用30kgf的试验力，保持10 ~ 15s得到的硬度值为600；600HV30/20—表示采用30kgf的试验力，保持20s得到的硬度值为600。

适用范围：按试验力的大小，分为维氏硬度、小负荷维氏硬度、显微维氏硬度。维氏硬度检测：除特别小和薄试样层的样品外，测量范围可覆盖所有金属。小负荷维氏硬度检测：特别适宜于测量钢表面强化层及化学热处理表面层以及各种渗层、渡层等的表面硬度。显微维氏硬度检测：除用于产品的硬度检验外，在金属学、金相学研究方面也是最常用的试验方法之一。

优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量；测量精度高，可比性强；硬度值与试验力大小无关。

缺点：测量操作较麻烦，测量效率低；不适于大批生产和测量组织不均匀材料。

维氏硬度试验设备

2.5.8 显微硬度

显微硬度是指一般指加载小于0.2kgf的硬度试验，分为显微维氏硬度和显微努氏硬度。

显微硬度测定极小范围内的硬度，几乎不损坏试样，例如某个晶粒、组成相或夹杂物的硬度，显微硬度可测陶瓷、玻璃、玛瑙等脆性材料的硬度，且灵敏度高，适合评定细线材的加工硬化程度。

维氏压头压痕（左）、努氏压头压痕（右）

（1）金属材料和金相的研究：广泛用于测定金属及合金中各组成相的硬度，剖析其对合金性能的供献，为合金的正确设计提供依据。

（2）金属表面层性能的研究：扩散层性能的研究，例如渗碳层，氮化层，金属扩散层等；（表面加工硬化层性能的研究。如金属表层受机械加工，热加工的影响。

（3）晶粒内部不均匀性的研究；

（4）极细薄金属制成品硬度的测量。

2.5.9 肖氏硬度

原理：将规定形状的金刚石冲头从固定的高度h₀落在试样表面上，冲头弹起一定高度h，用h与h₀的比值计算肖氏硬度值（材料的硬度与回调高度成正比）。与前面三种静态压入法硬度不同，肖氏硬度是一种动态力试验法。

肖氏硬度计及结构图

试样要求：试样的质量应至少在0.1kg以上，厚度一般应在10mm以上；试样的试验面积应尽可能大；表面应无氧化皮及外来污物，不应带有磁性。

表示方法：HS前数字表示硬度数值，HS后表示硬度标尺类型。45HSC—表示C型硬度计测定的硬度值为45；45HSD—表示D型硬度计测定的硬度值为45。

优点：操作简单、效率高；试验后几乎不产生压痕，可在成品件上试验

缺点：测量精度低、重复性差，适合精度要求高的测试。

2.6 相关标准

 材料在冲击载荷下的力学性能

3.1 概述

冲击试验是利用能量守恒原理，将具有一定形状和尺寸的带有V型或U型缺口的试样，在冲击载荷作用下冲断，以测定其吸收能量的一种试验方法。冲击试验对材料的缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料的宏观缺陷、显微组织的微小变化和材料质量。

材料抵抗冲击载荷的能力称为材料的冲击性能。冲击载荷是指以较高的速度施加到零件上的载荷，当零件在承受冲击载荷时，瞬间冲击所引起的应力和变形比静载荷时要大的多。

冲击载荷和静载荷的区别在于加载速率不同。加载速率是指载荷施加于试样或机件的速率，用单位时间内应力增加的数值表示。 用形变速率（又分为绝对形变速率和相对形变速率）间接反映加载速率的变化。

工程中，还有许多机件是快速加载即冲击载荷及低温条件下工作的，如：汽车在凸凹不平的道路上行驶；飞机的起飞和降落；材料的压力加工等；其性能将与常温、静载的不同。

3.2 概念

夏比冲击试验：用规定高度的摆锤对处于简支梁状态的缺口试样进行一次性冲击，并测量试样折断时的吸收能量的试验。V形缺口由于应力集中较大，应力分布对缺口附近体积塑性变形的限制较大而使塑性变形更难进行。

不稳定裂纹扩展起始力：力-位移曲线急剧下降开始时的力。

不稳定裂纹扩展终止力：力-位移曲线继续下降终止时的力。

冲击试样断口：冲击试样冲断口的断裂表面及临近表面的区域。其宏观外貌一般呈晶状，纤维状或混合状。

晶状断面：断裂表面一般呈现金属光泽的晶状颗粒，无明显塑性变形的齐平断面。

纤维状断面：断口中纤维区的总面积与缺口下方原始截面面积的百分比。

侧膨胀值：断裂试样缺口侧面每侧宽度较大增加量之和。

3.3 冲击载荷下材料变形断裂特点

冲击载荷下，机件、与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程的时间，从而影响加速度和惯性力的大小。

冲击过程时间短，测量不准确，通常假定冲击能全部转化为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。

金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行。

静载荷作用时：塑性变形比较均匀的分布在各个晶粒中；

冲击载荷作用时：塑性变形则比较集中于某一局部区域，反映了塑性变形不均匀

这种不均匀限制了塑性变形的发展，导致了屈服强度、抗拉强度的提高。

纯铁的应力-应变曲线

1—冲击载荷；2—静载荷

塑性、韧性随应变率的增加而变化的特征与断裂方式有关：如果在一定加载条件及温度下，材料产生正断，则断裂应力变化不大，塑性随着应变率的增加而减小；

如果材料产生切断，则断裂应力随着应变率提高显著增加，塑性的变化不一定，可能不变或提高。

韧性材料冲击试样断口示意图

同样也为纤维区、放射区、剪切唇三个区；

若试验材料具有一定的韧性，可形成两个纤维区即： 纤维区—放射区—纤维区—剪切唇；

裂纹快速扩展形成结晶区，到了压缩区后，应力状态发生变化，裂纹扩展速度再次减小，形成纤维区。

3.4 冲击弯曲与冲击韧性

（1）冲击韧性

冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收（弹性变形功）塑性变形功和断裂功的能力。常用标准试样的冲击吸收功A_K来表示。

作用：揭示冶金缺陷的影响；对σ_s大致相同的材料，评定缺口敏感性；评定低温脆性倾向。

试样尺寸：10mm×10mm×55mm

试样分为缺口试样和无缺口试样。缺口试样又分为夏比V型缺口冲击试样和夏比U型缺口冲击试样。无缺口试样适用于脆性材料（球铁、工具钢、淬火钢等）

冲击试样开缺口的目的：使缺口附近造成应力集中，保证试样一次就被冲断且使断裂发生在缺口处。缺口的深度和尖锐程度对冲击吸收功影响显著。缺口越深、越尖锐，A_k值越小，材料表现的脆性越大。所以，不同类型和尺寸的试样的A_k值不能相互换算和直接比较。

（2）冲击弯曲

试验在摆锤式冲击试验机上进行。

试验过程：将样品水平放在试验机的支座上，缺口位于冲击相背的方向。然后将具有一定质量m的摆锤举至一定高度H1，使其获得一定位能mgH1

释放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为mgH2，则摆锤冲断试样失去的位能为mgH1-mgH2，这就是试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功，以A_K表示，单位为J。

对采用U型缺口和V型缺口的试样，其冲击功分别用A_ku 和A_kv来表示。试验前需对试验机进行校核。

在最新现行标准GB/T229-2007《金属材料  夏比摆锤冲击试验方法》中规定：冲击吸收能量k代替冲击吸收功A_k。

JB-S300数显冲击试验机

(摆锤预扬角：150°；摆轴中心至打击中心的距离：750mm、800mm；冲击速度：5.2m/s~5.4m/s；最大冲击能量：300J/500J、500J/250J)

JB-300/500W微机控制冲击试验机

(冲击能量：300J、150J/500J、250J；摆锤预扬角：150°；冲击速度：5.2m/s~/5.4m/s；试样支座跨距：40mm)

3.5 冲击试验的应用

冲击试验最大的优点就是测量迅速简便。冲击吸收能量K的大小对材料的组织十分敏感，能反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织的微小变化。

冲击试验主要应用在以下两个方面：

（1）控制材料的冶金质量和热加工后的质量

通过测量K值和对样品进行断口分析，可以：检验冶金缺陷——夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级等缺陷；检验热加工后质量——铸造、锻造、焊接及热处理后过热、过烧、回火脆性、淬火和锻造裂纹等缺陷；

（2）评定材料的冷脆倾向

根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得K与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度，可以评定材料的低温脆性倾向。

三种不同冷脆倾向的材料

3.6 低温脆性现象

体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温度t_k时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性，又称为冷脆。这种转变称为韧脆转变。转变温度称为韧脆转变温度，又称为冷脆转变温度。

Titanic号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果

Titanic号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。

断裂强度和屈服强度随时间变化示意图

低温脆性是材料屈服强度随着温度的降低急剧增加的结果；见右图，屈服点随着温度的下降而升高，但材料的断裂强度随着温度的变化很小；两线交点对应的温度就是t_k。

3.7 韧脆转变温度

常用根据能量、塑性变形或断口形貌随温度的变化来定义韧脆转变温度t_k。

低温脆性金属材料的系列冲击结果

冲击功随温度的变化而变化，能量法有三种:(1)以低阶能开始上升的温度定义为t_k，记为NDT（Nil Ductility Temperature）称为无塑性或零塑性转变温度;(2)以高阶能对应的温度定义为t_k，记为FTP(Fracture Transition Plastic)，较为保守的方法;(3)以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义为t_k，记为FTE(Fracture Transition Elastic)。

试验表明，在不同试验温度下，纤维区、放射区与剪切唇三者之间的相对面积（或线尺寸）是不同的。

温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增加，材料由韧变脆。

通常取结晶区面积占整个断口面积的50%时的温度为t_k，记为50%FATT或FATT₅₀、t₅₀。

韧脆转变温度t_k可用于抗脆断设计、保证机件服役安全，但不能直接用来设计计算机件的承载能力或截面尺寸；机件的最低使用温度必须高于t_k，两者相差越大越安全，所以选用的材料应该具有一定的韧性温度储备，也就是说具有一定的△值，△=t₀-t_k。

3.8 落锤试验

50年代初，美国海军研究所派林尼（W.S.Pellini）等人提出了落锤试验方法，用于测定全厚钢板的零塑性转变温度NDT，以作为评定材料的性能标准。

落锤试验示意图

（重锤锤头是一个半径为25mm的钢制圆柱，硬度不小于50HRC。重锤可升到不同高度，以获得340-1650J的能量。）

试样冷却到一定温度后放在砧座上，使有焊肉的轧制面向下处于受拉侧，然后落下重锤进行打击。随着试样温度的下降，其力学行为发生如下变化：

不裂→拉伸侧表面形成裂纹，但未发展到边缘→拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边→断裂。

一般取拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边的最高温度为——NDT。

NDT设计标准：保证承载时钢的NDT＜工作温度，此时高应力区的小裂纹处不会造成脆性断裂；

NDT+33℃设计标准：对结构钢而言，FTE≈NDT+33℃，适用于原子能反应堆压力容器标准；

NDT+67℃设计标准：适用于全塑性断裂，在塑性超载条件下，仍能保证最大限度的抗断能力，也适用于原子能反应堆压力容器标准。

TLC-300落锤冲击试验机

3.9 断裂分析图

断裂分析图通过落锤试验所得NDT可以建立断裂分析图Fracture Analysis Diagram,，表示许用应力、缺陷（裂纹）和温度之间的关系曲线。

断裂分析图

A’BC线，又称为断裂终止线(CAT)，表示不同应力水平下脆性裂纹扩展的终止温度。

3.10 影响韧脆转变温度的因素

材料的脆性倾向本质上是其塑性变形能力对低温和高加载速率的适应性的反映。

材料韧脆转变温度的影响因素主要有：化学成分、晶粒尺寸、显微组织。

合金元素对韧脆转变温度的影响

间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度t_k提高；置换原子只有Ni、Mn降低t_k；S、P、As等偏聚与晶界，降低材料韧性。

韧脆转变温度与铁素体晶粒直径的关系

（细化晶粒，材料的韧性增加，韧脆转变温度t_k降低）

分析：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减小，避免了产生沿晶脆性断裂。

显微组织的韧脆转变温度t_k由高到低：珠光体>上贝氏体>铁素体>下贝氏体>回火马氏体。

球化处理可改善钢的韧性；在某些马氏体钢中存在奥氏体，可以抑制解理断裂；钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，无论第二相位于晶界还是独立于基体中，当尺寸增大时材料韧性下降，t_k升高。

3.11 相关标准

材料在变动载荷下的力学性能

4.1 概述

工程中很多机件和构件都是在变动载荷下工作，如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、辊子、叶片及桥梁等，其失效形式主要是疲劳断裂。

疲劳是指机件和构件在服役过程中，由于承受变动载荷而导致裂纹萌生和扩展以致断裂失效的全过程。变动载荷是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为变动应力。变动应力分为循环应力和无规则随机变动应力。循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角形波等。

疲劳的特点：疲劳是具有寿命的断裂，其断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于屈服强度；疲劳是脆性断裂（突发性）；对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。

在载荷下进行试验以提供材料或零部件的某种疲劳数据的试验称为疲劳试验。疲劳试验按失效循环次数可分为高周疲劳试验和低周疲劳试验。高周疲劳试验以应力为基本控制参数，低周疲劳试验以应变为基本控制参数。疲劳试验按载荷和环境可分为室温疲劳试验、高温疲劳试验、低温疲劳试验、热疲劳试验、腐蚀疲劳试验、接触疲劳试验和冲击疲劳试验。

4.2 疲劳断口

疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较低，因此具有较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成，即疲劳裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区和最后断裂区。

疲劳裂纹扩展速率曲线

I区：裂纹初始扩展阶段，10^-8~10^-6mm/周次，快速提高，但△K变化范围很小所以提高有限；

II区：裂纹扩展主要阶段，10-5~10-2mm/周次，da/dN~△K呈幂函数关系，△K变化范围很大，扩展寿命长。

Ⅲ区：裂纹扩展最后阶段，da/dN很大，并随△K增加而很快地增大，只需扩展很少周次即会导致材料失稳断裂。

该区最光亮（该断面经多次摩擦挤压）；裂纹源位于裂纹扩展区的贝纹弧线凹向一侧的焦点位置；可以有一个或者多个（与应力状态有关）；对于多个裂纹源，一般源区越亮、裂纹扩展区越大、贝纹线越密，则该裂纹源越早产生。

是裂纹亚稳扩展形成的区域；断口比较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶；贝纹线是载荷变动引起的，贝纹线是一簇以裂纹源为圆心的平行弧线，近源处则贝纹线距越密，远离源处则贝纹线距越疏。

是裂纹失稳扩展形成的区域；该断口区比疲劳区粗糙，与静载的断口相似（脆性材料断口呈结晶状，韧性材料断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状，边缘平面应力区则有剪切唇区存在）；位置一般处于裂纹源的对侧；区域大小与材料承受名义应力及材料性质有关，高名义应力或低韧性材料，最后断裂区大，反之，最后断裂区小。

4.3 疲劳曲线与疲劳极限

疲劳曲线是疲劳应力与疲劳寿命的关系曲线，即S-N曲线，用于确定疲劳极限、建立疲劳应力判据的基础。

典型的金属材料疲劳曲线

疲劳极限指材料抵抗无限次应力循环而不断裂的强度指标。条件疲劳极限指材料抵抗有限次应力循环而不断裂的强度指标。二者统称为疲劳强度。

对称循环载荷是一种常规载荷，有对称弯曲、对称扭转及对称拉压等。其对应的疲劳极限称为σ_－1、τ_－1、σ_－1p。其中σ_－1是最常用的对称循环疲劳极限。

抗拉强度越大，疲劳极限越大。

钢的疲劳极限σ_－1与抗拉强度σ_b的关系

4.4 疲劳试验方法

金属材料疲劳极限试验，是通过模拟结构或部件的实际工作情况，在试验室内测定材料的疲劳曲线，用以估计结构或部件的疲劳特性。

一般该类试验周期较长，所需设备比较复杂，但是由于一般的力学试验如静力拉伸、硬度和冲击试验，都不能够提供材料在反复交变载荷作用下的性能，因此对于重要的零构件进行疲劳试验是必须的。

常用试验方法及其特点

单点疲劳试验法适用于金属材料构件在室温、高温或腐蚀空气中旋转弯曲载荷条件下服役的情况。

试验设备：弯曲疲劳试验机、抗压试验机。

试样要求：（1）试样数量为8 ~ 10根；试样尺寸要求最小截面直径d一般取6，7.8，9mm，偏差小于0.005d。

试样形状示意图

试验步骤：（1）安装试样；（2施加载荷P（一般是根据材料的抗拉强计算出应该施加的载荷大小P），第1根试样的最大应力约为σ₁=（0.6 ~0.7）σ_b；(3)试样断裂后记下寿命N1，取下试样描绘疲劳断口的特征；(4)取另一试样使其最大应力σ₂=（0.40 ~0.45）σ_b ，重复步骤①到③测得疲劳寿命N₂，若N₂＜10⁷次，则应降低应力再重复步骤①到③，直至N₂＞10⁷次；(5)在σ₁与σ₂之间插入4个等差应力水平，分别为σ₃，σ₄，σ₅，σ₆，逐级递减进行以上试验，相应的寿命分别为N₃，N₄，N₅，N₆。

数据处理：当N₆＜10⁷次，疲劳极限在σ₂与σ₆之间，这时取σ₇=1/2（σ₂+σ₆）再进行试验；当N₆＞10⁷次，取σ₇=1/2（σ₅+σ₆）再进行试验。

升降法疲劳试验主要用于测定中、长寿命区材料或结构疲劳强度的随机特性。在常规疲劳试验方法测定疲劳强度的基础上或在指定寿命的材料或结构的疲劳强度无法通过试验直接测定的情况下，一般采用升降法疲劳试验间接测定疲劳强度。

试验设备：抗压疲劳试验机。

试样形状示意图

（试样数量：约16根）

升降法示意图

试验方法：（1）试验从高于疲劳强度的应力水平开始，然后逐级降低（如疲劳强度未知，可选用材料的静态拉伸屈服强度R_p0.2或R_eL）；（2）在应力水平下进行第一根试验，如果在指定寿命N=10⁷次之前发生破坏，则下一根试样就要在低一级的应力水平下进行，反之，则要在高一级的应力水平下进行，直至完成全部试样；（3）各级应力水平之差叫做“应力增量”，在整个试验过程中，应力增量应保持不变。

试样步骤：（1）安装试样；（2）参数设置，在电脑界面设置试验参数，如动载荷、频率、循环次数、试样工作部分的直径和横截面积等；（3）施加载荷，所施加的动载荷一般为对称循环应力，波形为正弦波；（4）终止试验，试样在规定循环应力下，通常一直连续试验至试样失效或规定循环次数。

数据处理：将出现第一对相反结果以前的数据舍弃；以V_i表示在第i级应以水平σ_i下进行的试验次数，n表示有效试验总次数，m表示升降应力水平的级数。

高频振动试验利用试验器材产生含有循环载荷频率为1000Hz左右特性的交变惯性力作用于疲劳试样上，可以满足在高频、低幅、高循环环境条件下服役金属材料的疲劳性能研究。高频振动试验主要用于军民机械工程的需要。

高频振动试验装置示意图

试样要求：试样形状同单点疲劳试样相同；试样材料一般选用高强度钢。

试验步骤：（1）安装试样；（2）安装控制与测量的加速度传感器，并进行500~2000Hz的正弦扫频试验，根据扫频结果选取试验频率；（3）以选取的试验频率、控制加速度进行正弦高频振动环境疲劳试验，调整试验应力水平为σ=ma/S。（m为配重质量，a为配重的加速度，S为试样横截面积）

数据处理：将获得的试验数据以试验应力σ为纵坐标，以疲劳寿命的对数lgN为横坐标，由如下公式按照最小二乘法拟合直线的原理，使各数据点到直线的水平距离的平方和为最小：lgN=a+b(σ-σ₀)。

超声法疲劳试验是一种加速共振式的疲劳试验方法，其测试频率（20kHz）远远超过常规疲劳测试频率（小于200Hz）。超声法疲劳试验一般用于超高周疲劳试验，主要针对10⁹以上周次疲劳试验。

试验装置主要包括：（1）超声频率发生器（将超声正弦波电信号由50Hz转变为20kHz）；（2）压力陶瓷换能器（将电源提供的电信号转化成机械振动信号）；（3）位移放大器（放大位移振幅使试样获得所需的应变振幅）。试验装置原理：由压电陶瓷换能器、位移放大器和试样组成的超声疲劳试验机构成了一个力学振动系统，试样的加载是由外加信号激励试样发生谐振，在试样中产生谐振波来实现。

超声法疲劳试验装置示意图

试样分为拉压试样和三点弯曲试样。

试样示意图

试验步骤：（1）对试样进行测量校准；（2）安装试样，对称拉压试验中，试样的一端固定放大器末端，另一端自由，非对称拉压试验中，试样两端分别固定在两个放大器；（3）对所加载荷和试验频率进行参数设置；（4）开始试验，并记录数据。

数据处理：试验数据用Basquin方程描述：σ_a=σ_f ^’(2N_f)^bλ。其中σ_a表示应力幅，σ_f表示应表示疲劳强度系数，N_f表示试验所得疲劳寿命，以 N_f为横坐标，以σ_a为纵坐标绘制超声疲劳S-N曲线。

4.5 相关标准

材料在环境条件下的力学性能

前几节主要介绍材料在外力作用下所表现的力学行为规律，实际工程结构或零件，都是在一定环境或介质下工作，材料在环境介质中的力学行为是介质和应力共同作用的结果。本节主要介绍应力腐蚀的试验方法。

5.1 概述

应力腐蚀是指材料、机械零件或构件在静应力（主要是拉应力）和腐蚀的共同作用下产生的失效现象。应力腐蚀是危害最大的腐蚀形态之一。

应力腐蚀断裂（stress corrosion cracking, SCC） 是一种“灾难性的腐蚀”，如桥梁坍塌，飞机失事，油罐爆炸，管道泄漏都造成了巨大的生命和财产损失。

5.2 应力腐蚀条件和特征

应力腐蚀产生的条件：敏感的金属材料、特定的腐蚀介质、足够大的应力。

敏感材料：一般情况纯金属不会发生SCC，含杂质的或者合金才能发生SCC；高强度合金钢腐蚀开裂抗力受化学成分和显微组织控制；

特定介质：特定组织环境（包括腐蚀介质性质、浓度、温度），特定材料对于特定的溶液介质，才能发生应力腐蚀。 例如，奥氏体不锈钢—Cl离子溶液、低合金高强度钢—潮湿大气中。

应力来源：机件所承受的应力包括工作应力和残余应力。工作状态下构件所承受的外加载荷形成的抗力；加工，制造，热处理引起的内应力；装配，安装形成的内应力；温差引起的热应力；裂纹内因腐蚀产物的体积效应造成的楔入作用也能产生裂纹扩展所需要的应力。

不同合金腐蚀介质表

应力腐蚀特征：典型的滞后破坏；裂纹分为晶间型、穿晶型和混合型；裂纹扩散速度比均匀腐蚀快约10⁶倍；低应力的脆性断裂。

孕育期：裂纹萌生阶段，即裂纹源成核所需时间，约占整个时间的90％左右；

裂纹扩展期：裂纹成核→临界尺寸；

快速断裂期：裂纹达到临界尺寸后，由纯力学作用裂纹失稳瞬间断裂。

整个断裂时间与材料、介质、应力有关（短则几分钟，长可达若干年，应力降低，断裂时间延长。

临界应力σ_th（临界应力强度因子K_ISCC），在此临界值以下，不发生SCC。

SCC裂纹分为三种：晶间型、穿晶型、混合型。晶间型：裂纹沿晶界扩展，如软钢、铝合金、铜合金、镍合金；穿晶型：裂纹穿越晶粒扩展，如奥氏体不锈钢、镁合金；混合型：钛合金。

裂纹的途径取决于材料与介质。同一材料因介质变化，裂纹途径也可能改变。

应力腐蚀裂纹的主要特点是：裂纹起源于表面；裂纹的长宽不成比例，相差几个数量级；裂纹扩展方向一般垂直于主拉伸应力的方向；裂纹一般呈树枝状。

裂纹扩展方向与应力方向（垂直）

应力腐蚀裂纹扩展速率的特点：扩展速度较快；10^-6~10^-3mm/min；比均匀腐蚀快约10⁶倍；仅为纯机械断裂速度的10^-10。

应力腐蚀裂纹的da/dt-K₁

当裂纹尖端的K_I＞K_ISCC时，裂纹就会不断扩展。单位时间内裂纹的扩展量叫做应力腐蚀裂纹扩展速率，用da/dt表示。裂纹的扩展速率da/dt随着应力强度因子K₁而变化。

I区：当K₁稍大于K_1SCC时，裂纹经过一段孕育突然加速发展，即在I区内，裂纹生长速率对K₁较敏感；

II区：da/dt与K₁无关，通常说的裂纹扩展速率就是指该区速率，因为它主要由电化学过程控制，较强烈地依赖于溶液的pH值，粘度和温度；

Ⅲ区：失稳断裂区，裂纹深度已接近临界尺寸a_cr , 当超过这个值时，应力强度因子达到K_1c时，裂纹生长率迅速增加直至发生失稳断裂。

应力腐蚀破坏的断口，断口表面颜色暗淡，腐蚀坑和二次裂纹；应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是沿晶断裂。如果是穿晶断裂，其断口是解理或准解理的，其裂纹有似人字形或羽毛状的标记。

沿晶断裂图

穿晶断裂图

5.3 应力腐蚀影响因素

应力腐蚀影响因素——环境、电化学、力学、冶金。

应力腐蚀影响因素示意图

5.4 应力腐蚀防治措施

材料在高温条件下的力学性能

6.1 概述

高温下金属及合金中出现的扩散、回复、再结晶等现象，会使其组织发生变化。金属材料长时间暴露在高温下，也会使其性能受到破坏。

在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发动机、化工设备中高温高压管道等设备中，很多机件长期在高温下服役。对于这类机件的材料，只考虑常温短时静载时的力学性能还不够。

如化工设备中高温高压管道，虽然承受的应力小于该工作温度下材料的屈服强度，但在长期使用过程中会产生连续的塑性变形，使管径逐步增大，甚至会导致管道破裂。

温度的“高”或“低”是相对该金属的熔点来讲的，一般采用约比温度T/T_m（T_m表示材料熔点），T/T_m＞0.4~0.5，则算是高温。

民用机接近1500℃，军用机在2000℃左右，航天器的局部工作温度可达2500℃

6.2 影响因素

温度对材料的力学性能影响很大。在高温下载荷持续时间对力学性能也有很大影响。

材料的高温力学性能≠室温力学性能

一般随温度升高，金属材料的强度降低而塑性增加。

载荷持续时间的影响：σ< σ_s ，长期使用过程中，会产生蠕变 ，可能最终导致断裂；随载荷持续时间的延长，高温下钢的抗拉强度降低；在高温短时拉伸时，材料的塑性增加；但在长时载荷作用下，金属材料的塑性却显著降低，缺口敏感性增加，往往呈现脆性断裂；温度和时间的联合作用还影响材料的断裂路径。

温度升高时，晶粒强度和晶界强度均会降低，但是由于晶界上原子排列不规则，扩散容易通过晶界进行，因此，晶界强度下降较快。

晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“等强温度”T_E。

当材料在T_E以上工作时，材料的断裂方式由常见的穿晶断裂过渡到晶间断裂。材料的T_E不是固定不变的，变形速率对它有较大影响。因晶界强度对形变速率敏感性比晶粒大得多，因此T_E随变形速度增加而升高。

综上所述，研究材料在高温下的力学性能，必须加入温度和时间两个因素。

6.3 蠕变现象

金属在长时间恒温、恒载荷（即使应力小于该温度下的屈服强度）作用下缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。

由蠕变变形导致的材料的断裂，称为蠕变断裂。

蠕变在低温下也会产生，但只有当约比温度大于0.3时才比较显著。如碳钢超过300℃、合金钢超过400℃时就必须考虑蠕变的影响。

同种材料的蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而不同。

典型的蠕变曲线

第一阶段ab为减速蠕变阶段又称过渡蠕变阶段，这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间延长蠕变速率逐渐减小，到b点蠕变速率达到最小值；

第二阶段bc为恒速蠕变阶段又称稳态蠕变阶段，这一阶段的特点是蠕变速率几乎保持不变。一般所指的金属蠕变速率，就是以这一阶段的蠕变速率ε表示的。

第三阶段cd为加速蠕变阶段随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大，到d点时产生蠕变断裂。

应力、温度不同的蠕变曲线变化图

由图可见，当应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段持续时间较长，甚至可能不产生第三阶段；相反，应力较大或温度较高时，蠕变第二阶段很短，甚至完全消失，试样很短时间内断裂。

6.4 蠕变断裂断口特征

断口宏观特征

断口附近产生塑性变形，在变形区附近有很多裂纹（断裂机件表面出现龟裂现象）；

高温氧化，断口表面被一层氧化膜所覆盖。

断口微观特征

冰糖状花样的沿晶断裂形貌

6.5 性能指标及测定

材料的蠕变性能常采用蠕变极限、持久强度、松弛稳定性等力学性能指标。

6.5.1 蠕变极限

蠕变极限是金属材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标，是高温材料、设计高温下服役机件的主要依据之一。

蠕变极限（MPa）表示方法有两种，一种是在规定温度下，使试样在规定时间内产生规定稳态蠕变速率的最大应力；一种是在规定温度和时间下，使试样在规定时间内产生规定蠕变伸长率的最大应力。

示例1表示在温度为500℃、稳态蠕变速率为1×10-5%/h时该材料的蠕变极限为80MPa；

示例2表示在温度为500℃、10万小时、蠕变伸长率为1%时该材料的蠕变极限为100 MPa。

蠕变测试设备及示意图

在同一 温度、不同应力条件下进行蠕变试验，测出不少于4条蠕变曲线，根据测定结果作出蠕变曲线，曲线上直线部分的斜率即是蠕变速率；

根据获得的应力-蠕变速率数据，在对数坐标上作出关系曲线；

可采用较大的应力，以较短的试验时间作出几条蠕变曲线，根据所测定的蠕变速率，用内插法或外推法求出规定蠕变速率的应力值，即得到蠕变极限。

同一温度下，蠕变第二阶段应力σ与稳态蠕变速率ε之间，在双对数坐标中呈线性经验关系。

S-590合金的σ- ε曲线

(20.0% Cr, 19.4 %Ni, 19.3%Co, 4.0%W, 4.0%Nb, 3.8%Mo, 1.35%Mn, 0.43%C)

6.5.2 持久强度

持久强度是指材料在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力，即材料在一定温度和时间条件下，不发生蠕变断裂的最大应力（蠕变极限指材料的变形抗力，持久强度表示材料的断裂抗力）。

某些材料与机件，蠕变变形很小，只要求在使用期内不发生断裂（如锅炉的过热蒸汽管）。这时，就要用持久强度作为评价材料、机件使用的主要依据。

S-590合金持久强度曲线

金属材料的持久强度是通过做高温拉伸持久试验测定的；

试验过程中，不需要测定试样的伸长量，只要测定试样在规定温度和一定应力作用下直至断裂的时间；

对于设计寿命较长（数万~数十万小时以上）的机件，长时间试验十分困难，所以一般作出应力较大、断裂时间较短的试验数据，采用外推法求出材料的持久强度。

外推经验公式：t=Aσ^-B

(t—断裂时间，σ—应力，A、B—与试验温度及材料有关的常数)

对上面公式取对数，得到：

logt=logA-Blogσ

作出logt-logσ图，由直线关系可从断裂时间短的数据，外推到长时间的持久强度。

6.5.3 剩余应力

材料在恒变形条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛。

金属材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性，可以通过应力松弛试验测定的应力松弛曲线来评定。

剩余应力是评定金属材料应力松弛稳定性的指标。

剩余应力越高，松弛温度性越好。

应力松弛曲线

第1阶段：开始阶段应力下降很快；

第2阶段：应力下降逐渐减缓的阶段；

松弛极限：在一定的初应力和温度下，不再继续发生松弛的剩余应力。

6.5.4 高温力学性能的影响因素

由蠕变变形和断裂机理可知，要提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速率；提高持久强度，则必须控制晶界的滑动和空位扩散。

高温力学性能的影响因素：化学成分、冶炼工艺、热处理工艺、晶粒度。

6.6 相关标准

材料的磨损性能

7.1 概述

磨损是由于机械作用、化学反应(包括热化学、电化学和力化学等反应)，材料表面物质不断损失或产生残余变形和断裂的现象。

磨损是发生在物体上的一种表面现象，其接触表面必须有相对运动。磨损必然产生物质损耗(包括材料转移)，而且它是具有时变特征的渐进的动态过程。

磨损的危害:(1)影响机器的质量，减低设备的使用寿命，如齿轮齿面的磨损、机床主轴轴承磨损等；(2)降低机器的效率，消耗能量，如柴油机缸套的磨损等；(3)减少机器的可靠性，造成不安全的因素，如断齿、钢轨磨损；(4)消耗材料，造成机械材料的大面积报废。

磨损曲线

跑和阶段：表面被磨平，实际接触面积不断增大，表面应变硬化，形成氧化膜，磨损速率减小；

稳定磨损阶段：斜率就是磨损速率，唯一稳定值；大多数机件在稳定磨损阶段（AB段）服役；

剧烈磨损阶段：随磨损的增长，磨耗增加，表面间隙增大，表面质量恶化，机件快速失效。

7.2 磨损的评定

磨损时零件表面的损坏是材料表面单个微观体积损坏的总和。目前对磨损评定方法还没有统一的标准。这里主要介绍三种方法：磨损量、耐磨性和磨损比。

磨损量分为长度磨损量W_l、体积磨损量W_v、重量磨损量W_w。

耐磨性是指在一定工作条件下材料耐磨损的特性。耐磨性使用最多的是体积磨损量的倒数。

材料耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性两种。材料的相对耐磨性ε是指两种材料A与B在相同的外部条件下磨损量的比值，其中材料之一的A是标准(或参考)试样。

ε_A＝W_A/W_B

磨损比用于度量冲蚀磨损过程中的磨损。（磨损比=材料的冲蚀磨损量/造成该磨损量所用的磨料量）

7.3 磨损类型

磨损按磨损机理可分为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损，按环境介质可分为干磨损、湿磨损、流体磨损。

7.3.1 粘着磨损

当摩擦副相对滑动时, 由于粘着效应所形成结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面，此类磨损称为粘着磨损。

磨损过程：粘着→剪断→转移→再粘着。

粘着磨损示意图

粘着磨损类别、现象及原因

粘着磨损的改善措施：提高硬度、采用互溶性小的金属、耐磨镀层、加油性和极压添加剂。

7.3.2 磨粒磨损

外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象,称为磨粒磨损（又称磨料磨损）。磨粒是摩擦表面互相摩擦产生或由介质带入摩擦表面。

磨粒磨损是最普遍的一种形式，主要出现在采矿、钻探、建筑、运输与农业等机械相关零部件，据统计，工业中磨粒磨损造成的损失约占总的50%左右。

磨粒磨损的影响因素

磨砺磨损的改善措施：（1）对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增加材料硬度；（2）根据机件的服役条件，合理选择相应的耐磨材料；（3）采用渗碳、渗氮共渗等化学热处理提高表面硬度；（4）机件的防尘和清洗。

7.3.3 疲劳磨损

两接触表面作纯滚动或滚动与滑动复合摩擦时，在高接触压应力的作用下，经过多次应力循环后，在其相互作用表面的局部地区产生小块材料剥落，形成麻点或凹坑，这种磨损称为疲劳磨损，又称为接触疲劳。

疲劳磨损与材料疲劳破坏的主要区别：磨损的产生与摩擦力有关；磨损往往发生在材料的表层或次表层。

疲劳磨损类型：麻点剥落、浅层剥落、深层剥落。

麻点剥落: 是指深度在0.1~0.2mm以下的小块剥落，裂纹一般起源于表面，剥落坑呈针状或痘状。

浅层剥落: 其剥落深度一般为0.2~0.4 mm。多出现在机件表面粗糙度低、相对滑动小的场合。

深层剥落: 这类剥落坑较深(＞0.4mm)、块大。一般发生在表面强化的材料中，如渗碳钢中。

疲劳磨损影响因素

疲劳磨损的改善措施：提高摩擦面硬度、采用表面强化工艺、提高冶金质量、减少缺陷、提高润滑剂粘度、增大膜厚比，消除水分。

7.3.4 腐蚀磨损

材料在摩擦过程中与周围的介质发生化学或电化学反应而引起的物质从表面损失的现象，称为腐蚀磨损。

腐蚀磨损按腐蚀介质的性质，腐蚀磨损可分为两类，即化学腐蚀磨损和电化学腐蚀磨损。化学腐蚀磨损指金属材料在气体介质或非电解质溶液中的磨损，其中最重要的一种是氧化磨损。电化学腐蚀磨损指金属材料在导电性电解质溶液中的磨损。

氧化磨损指金属表面与气体介质发生氧化反应，在表面生成氧化膜，随后在磨料或微凸体作用下被去除，新暴露的表面又重新被氧化、磨去的过程中形成的磨损。

氧化磨损条件：摩擦表面氧化的速率大于氧化膜被磨损的速率，氧化膜与基体结合的强度大于摩擦表面的剪切应力，氧化膜厚度大于表面磨损破坏的深度。

氧化磨损影响因素：氧化膜性质、载荷、滑动速度、金属表面状态。

电化学腐蚀磨损是指摩擦副工作在电解质溶液（如酸、碱、盐等）中，并和它们发生作用形成各种不同的产物，又在摩擦中被去除的过程。

摩擦表面遍布点状或丝状腐蚀痕迹，磨损产物是酸、碱、盐的金属化合物。

电化学腐蚀磨损的影响因素：（1）腐蚀介质的性质，同种材质在不同介质中的腐蚀磨损行为是不同的，另外，介质浓度、pH值和温度也会影响腐蚀磨损；（2）材料性质，在强磨损—弱腐蚀条件下，含碳量提升——耐磨蚀性提高，反之在弱磨损—强腐蚀条件下则耐磨蚀性降低。不同热处理后钢的组织差异也会对钢的耐磨性有影响；（3）机械因素，外加载荷的大小及其作用频率也会对材料耐磨蚀性产生影响。

7.3.5 其他磨损形式

冲蚀磨损是指流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。

根据颗粒及其携带介质的不同，冲蚀磨损又可分为气固冲蚀磨损、流体冲蚀磨损、液滴冲蚀和气蚀等。

对于冲蚀磨损通常采用涂抹预保护涂层，根据磨损情况的不同选择不同的保护层。主要有以下三种：采用耐磨涂层胶，耐磨修补剂进行预保护；采用耐磨陶瓷胶粘贴特种耐磨陶瓷片进行预保护；采用聚氨酯弹性涂层。

微动磨损指受压配合面在微小幅度的振动下发生的磨损现象，是一种复合磨损（粘着、磨粒、疲劳、腐蚀）。

金属表面的微动磨损原理示意图

微动磨损的控制措施：消除振动，增加接合面上的正压力，增大接合面间的摩擦力，采用良好的润滑，采用润滑脂，采用固体润滑剂。

7.4 磨损试验

测定材料抵抗磨损能力的一种材料试验。通过这种试验可以比较材料的耐磨性优劣。

磨损试验比常规的材料试验要复杂。首先需要考虑零部件的具体工作条件并确定磨损形式，然后选定合适的试验方法，以便使试验结果与实际结果较为吻合。

磨损试验方法比较

磨损试验仪器：滚子式磨损试验机、环块磨损试验机、旋转圆盘一销式磨损试验机、往复式摩擦-磨损试验机、四球式摩擦-磨损试验机、接触疲劳试验机、湿磨科磨试验机。

磨损量的测量方法

7.5 相关标准

来源：材易通

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