什么是金属力学性能的表征?

什么是金属力学性能的表征?

[拼音]：jinshu lixue xingneng de biaozheng

[外文]：characterization of mechanical properties of metals

表征金属在力的作用下的行为的衡量指标，都属于金属力学性能所研究的范畴。诸如不同载荷所造成的可逆变形（d性）、不可逆变形（塑性）、断裂（脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂等）以及金属抵抗形变和断裂能力的衡量指标，如强度、塑性、韧度（脆性）、硬度等（见金属力学性能测试技术）。

金属的力学性能是零件或结构件设计的依据，也是选择、评价材料和制订工艺规程的重要参量；在金属研究上，它们是合金成分设计、显微组织结构控制所要达到的目标之一，也是反映金属内部组织结构变化的重要表征参量。

金属力学性能随受载方式、应力状态、温度及接触介质的不同而异。受载方式可以是静载荷、冲击载荷、循环载荷等。应力状态可以是拉、压、剪、弯、扭及它们的复合，以及集中应力和多轴应力等。温度可以是室温、低温与高温。接触介质可以是空气、其他气体、水、盐水或腐蚀介质。在不同使用条件下，材料具有不同的力学行为和失效现象，因而必须有相应的力学性能指标表征。下面便是描述金属材料力学性能的表征参量，对其中已设专条的，在本条中就从略了。

强度

金属抵抗永久变形和断裂的能力的总称。以光滑拉伸试样为例，在渐增载荷作用下，材料的典型拉伸应力－应变曲线如图1所示。反映金属材料强度的性能指标有如下几项。

比例极限（σp）

开始加载时，应力与应变呈直线关系，比例极限σp则是代表金属应力与应变成正比关系（即遵守胡克定律）的最大应力。生产中有许多在d性状态下工作的零件，要求应力与应变间有严格的线性关系，如炮筒和测定载荷、位移的传感器中的d性元件等，就要根据比例极限来设计。但是，不偏离应力-应变线性关系的最大应力是随测量仪器的精度而变化的，采用不同的测试方法，对同一材料可以得出不同的σp值。因此，在工程上就采用了条件规定的方法，中国的国家标准规定，当载荷和伸长之间的线性关系发生偏离时，若该点的切线与载荷轴间夹角的正切值已较其d性直线部分之值增加50％，则该点所对应的应力便称为“规定比例极限σp”。实际上，“规定比例极限”是产生极微量塑性变形(0.001～0.01％)时的应力值。

d性极限（σE）

见d性和滞d性。

屈服强度（σs）

当应力超过d性极限后继续加载，有的金属便会发生“物理屈服”现象，即在应力不增大的情况下，塑性应变不断增长到一定值(图1a曲线上的s点)以后应力-应变才同时以非常数比例继续增长。这个保持基本恒定的应力（屈服平台应力）称为屈服点σs，有时也通称为屈服强度。对于无明显物理屈服现象的金属，则以产生限量的小量塑性应变时的应力作为条件屈服强度。如经常采用的条件屈服强度σ0.3 即为产生0.2％残余应变时的应力(图1b)。它和上述规定比例极限σp以及d性极限σE只是塑性变形量上不同而已，并无本质的差别，均是金属对微量或小量塑性变形抗力的表征。因此，有一种根据不同的需要，选用不同的塑性应变量来表征微量塑性变形阶段材料强度的趋势，如σ0.001、σ0.01、σ0.1和σ0.3 等。屈服强度是设计承受静载机件或构件的主要依据。

抗拉强度（σb）

超过屈服强度以后应力继续增加时应变也不断增长。当应力达到最高点时，对于韧性金属而言，会在拉伸试样上发生局部“缩颈”，而使横截面积减小，因而承载能力开始下降。我们把最高名义应力σ称为抗拉强度（σb）。对于脆性材料，例如灰口铸铁，当应力达到最高点时，试棒即断裂，此最高应力也称抗拉强度。可见抗拉强度对于韧性金属是表征其极限均匀塑性变形的抗力，即塑性失稳的起始应力。对于脆性金属，抗拉强度则表征其断裂抗力。不论对韧性金属还是脆性金属，由于与σb所对应的载荷是金属在单向静拉伸时试样（或工件）所能承受的最大载荷，因此习惯上也把σb称为强度极限(UTS)。抗拉强度常作为评定金属的依据，对于脆性金属也是设计的依据。

断裂强度sK（或σn）

通常，金属的实际断裂强度sK（或σn）是由试样断裂时的载荷除以试样断裂处实际横截面积而求得的。只有根据试样的实际断裂情况才能确定它的意义。对于在d性阶段脆断的金属，sK相当于σb，也相当于σs;对于均匀塑变后即断裂的金属，则sK相当于真实抗拉强度sB；对于颈缩后断裂的金属，则sK实际上主要反映金属对剪切断裂抗力的大小。sK的数值要受试验机系统刚性的影响，同一金属，在不同试验机上试验，可得到不同的sK值。

塑性

金属的塑性又称范性， 为其在断裂前可以承受的塑性变形的总量。常用的塑性指标是光滑试样拉伸试验所得到的伸长率，即拉断后试棒伸长的百分数 δ ＝


和断面收缩率，即拉断后试棒最小断面积对原始断面积缩小的百分数


。在技术意义上，材料具有一定的塑性容量，可以使工件受载时通过局部发生的塑性变形，而使应力重新分布，从而减少应力集中的程度，减少金属脆断的倾向。又如金属的塑性较大，则该金属的塑性变形与形变强化相结合，使金属冷变形成型工艺成为可能。

超塑性

一般工业用金属的室温塑性大都在百分之几到百分之几十的范围。而某些金属在特定的组织状态下（主要是超细晶粒）、特定的温度范围内和一定的变形速度下表现出极高的塑性，伸长率可达百分之几百甚至百分之几千，这种现象称为“超塑性”。它显然有利于塑性加工。超塑性首先在Al-Zn合金中发现，应用也较广泛。近年来在铁基、铁镍基合金以及钛合金等方面也开展了大量研究，在工业中已得到应用。

真应力－真应变曲线和形变强化

大多数金属（尤其是韧性金属），当外加应力达到屈服极限后，欲使变形继续，必须继续增加外力，即金属的塑性变形抗力随塑性变形量的增加而增加，如图1所示。这种现象称为形变强化或加工硬化。金属的形变强化从屈服极限开始直至断裂为止的过程中都存在，但是在图1所示的条件应力-应变曲线上，并不能真实反映金属的形变强化，这是由于在这种曲线上，各点应力均是以该点的载荷除以试样的原始截面积来表示的，未考虑截面收缩；因此，塑性变形量越大，条件应力和试样上所承受的真实应力的偏差也越大；“缩颈”后，由于局部区域截面积的急剧减少，这种偏差更大，出现应力超过σb后，强度随应变的增加而降低的情况。真实力-真应变曲线能全面描述金属从d性变形开始直至断裂的全过程的应力-应变关系，如图2所示。其中真应力s是由曲线上各点的瞬时载荷除以试样相应截面积求得，真应变ε是由瞬时试样伸长的微分值dι与瞬时试样长度ι之比的积分求得，即


。这种s-ε曲线也称流变强化曲线或硬化曲线，Hollomon公式s＝kεn是这条曲线的最简单的拟合表达式。式中的n称为形变强化指数，k称为形变强化系数，n和k均为表征形变强化的材料常数。形变强化是金属的可贵性质之一，对金属压力加工以及确保机件在偶尔超载时的安全有重要作用。形变强化也是金属材料的一种有效强化手段，与合金化、热处理处于同等地位（见金属的强化）。

韧性

又名韧度。金属在断裂前吸收变形能量的能力。在静载情况下可用应力－应变曲线下的面积来衡量，即以断裂前单位体积吸收的变形功作为韧性的定量指标，称为静力韧度。

金属的韧性随加载速度的提高、温度的降低、应力集中程度的加剧而下降。冲击韧性试验，就是综合应用较高冲击速度和缺口试棒的应力集中，来测定金属从变形到断裂所消耗的冲击能量的大小，即韧性的高低。

中国常用的冲击韧性试验是用一个 U型缺口方试棒， 将其置于支座上， 然后用摆锤落下将其一次冲断。用冲断试棒所消耗的冲击功除以试棒缺口根部截面积所得商值(单位为kgf·m/cm2)，定义为冲击韧度(aK)。有些国家则常用带V型缺口的试棒，直接以冲断试棒所消耗的冲击功作为夏氏冲击韧度(CVN值)，而不将此冲击功除以试棒缺口截面积。不论aK或 CVN都是在特定条件下测得的冲击值。应该注意的是，冲击韧性试验和某些承受反复冲击载荷的零件服役条件不同，对于这些零件，它们的服役性能应用小能量多次冲击（或冲击疲劳）试验来衡量。

一次冲击试验也常用于评定材料的冷脆倾向。即将金属在一系列不同的试验温度下进行一次冲击试验 (即所谓”系列冲击试验”)，而后确定反映材料冷脆倾向的冷脆转化温度。对于aK试验一般采用能量法即


所对应的温度TK表示。对于CVN试样，一般根据宏观断口形貌确定，当断口上脆性断口占50％时所对应的温度称为断口形貌转化温度FATT50。 用系列冲击试验测定的冷脆转化温度TK和FATT50等都是条件性的，只能作为材料脆性倾向的评定。低温断裂韧度KIc试验可对金属的冷脆性作出更合理的评价（见断裂力学）。此外，还有表征材料在高温条件下的高温力学性能的指标（见蠕变）；材料在循环或反复加载条件下表征其力学性能的指标（见疲劳）。