金属材料的力学性能及其测试方法

目录摘要...........................................................................................................................................11引言........................................................................................................................................12金属材料的力学性能简介....................................................................................................22.1强度............................................................................................................................22.2塑性............................................................................................................................22.3硬度............................................................................................................................22.4冲击韧性....................................................................................................................32.5疲劳强度....................................................................................................................33金属材料力学性能测试方法................................................................................................33.1拉伸试验.....................................................................................................................33.2压缩试验.....................................................................................................................63.3扭转试验.....................................................................................................................83.4硬度试验...................................................................................................................113.5冲击韧度试验...........................................................................................................163.6疲劳试验...................................................................................................................194常用的仪器设备简介..........................................................................................................204.1万能试验机...............................................................................................................204.2扭转试验机...............................................................................................................234.3摆锤式冲击试验机...................................................................................................285金属材料力学性能测试方法的发展趋势..........................................................................30参考文献.................................................................................................................................301金属材料的力学性能及其测试方法摘要：金属的力学性能反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力，它与材料的失效形式息息相关。本文主要解释了金属材料各项力学性能的概念，介绍了几个常见的测试金属材料力学性能的试验以及相关的仪器设备，最后阐述了金属材料力学性能测试方法的发展趋势。关键词：金属材料，力学性能，测试方法，仪器设备，发展趋势TestMethodsforTheMechanicalPropertiesofMetalMaterialAbstract：Themechanicalpropertiesofmetalmaterialwhichreflectsomeabilitiesofdeformationandfractureresistanceundervariousexternalforcesarecloselylinkedwithfailureforms.Thispapermainlyintroducessomeconceptsofmechanicalpropertiesofmetalmaterial,commonexperimentstestingmechanicalpropertiesofmetalmaterialandapparatusesused.Thetrendofdevelopmentoftestmethodsformechanicalpropertiesofmetalmaterialisalsodiscussed.Keywords：metalmaterial，mechanicalproperties，testmethods，apparatuses，developmenttrend1引言材料作为有用的物质，就在于它本身所具有的某种性能，所有零部件在运行过程中以及产品在使用过程中，都在某种程度上承受着力或能量、温度以及接触介质等的作用，选用材料的主要依据是它的使用性能、工艺性能和经济性，其中使用性能是首先需要满足的，特别是针对性的材料力学性能往往是材料设计和使用所追求的主要目标。材料性能测试与组织表征的目的就是要了解和获知材料的成分、组织结构、性能以及它们之间的关系。而人们要有效地使用材料，首先必须要了解材料的力学性能以及影响材料力学性能的各种因素。因此，材料力学性能的测试是所有测试项目中最重要和最主要的内容之一。在人类发展的历史长河过程中，人们已经建立了许多反映材料表面的和内在的各种关于力学、物理等相关材料性能的测试和分析技术，近现代科学的发展已使材料性能测试分析从经验发展并建立在现代物理理论和试验的基础之上，并且2随着人们对材料的力学性能和使用性能的广泛研究和深入理解，也显著促进了材料力学性能测试技术、理论、方法和设备的迅速发展[1]。2金属材料的力学性能简介任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。这种能力就是材料的力学性能[2]。金属的力学性能是指金属材料抵抗各种外加载荷的能力，其中包括：弹性和刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度及疲劳强度等，它们是衡量材料性能极其重要的指标。2.1强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为σ，单位为MPa。工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs表示。抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用σb表示。对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。2.2塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号δ表示。断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来截面积之比，用y表示。伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。2.3硬度硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。硬度是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。32.4冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性，用αK表示，单位为J/cm2。冲击韧性常用一次摆锤冲击弯曲试验测定，即把被测材料做成标准冲击试样，用摆锤一次冲断，测出冲断试样所消耗的冲击AK，然后用试样缺口处单位截面积F上所消耗的冲击功αK表示冲击韧性。αK值越大，则材料的韧性就越好。αK值低的材料叫做脆性材料，αK值高的材料叫韧性材料。很多零件，如齿轮、连杆等，工作时受到很大的冲击载荷，因此要用αK值高的材料制造。铸铁的αK值很低，灰口铸铁αK值近于零，不能用来制造承受冲击载荷的零件。2.5疲劳强度工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的s，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳。当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发生断裂，称此应力值为疲劳强度或疲劳极限。影响疲劳强度的因素:内部缺陷、表面划痕、残留应力等[3]。3金属材料力学性能测试方法人们要有效地使用材料，首先必须要了解材料的力学性能以及影响材料力学性能的各种因素。每种材料的失效形式均与其相关的力学性能有关，如图3-1所示。结合材料的失