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金属材料测试浅谈

日期：2021-08-27 10:51:28阅读：446    作者：Tinius Olsen
金属零件受到一定外力作用时，对金属材料有一定的破坏作用。因此要求金属材料具有抵抗外力的作用而不被破坏的性能，这种性能称为机械性能。金属材料的机械性能主要包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。它们的具体数值是在专门的试验机上测定出来的。

在旧石器时代和新石器时代之后，出现了金属的时代。其年代，在东方大约开始于公元前3500年左右，在西方则为公元前2000年左右。最初出现的金属是青铜器，后来发展为铁器。金属的使用使社会生产力大幅度的提高，而用于战争的武器也大大改进，从某种意义上说，金属的发现和使用间接导致了原始公社制的解体和奴隶制度的产生。而那个时候，不可能有机器来对金属的机械性能进行测试，人们对金属性能的理解和掌握，也是从各种应用中得到的。
 
而在业内，普遍认为，对于金属材料的机械性能测试历史，已有约700年。下面的三张图片，就是在700多年前，科学家们对于金属进行的拉伸测试。


old metal testing.jpg

图a是1500年达芬奇进行的一个测试， 另外两个由伽利略分别在1591和1516年完成。

下面这个设备，测试Tinius Olsen在19世纪80年代设计研发的小巨人杠杆式试验机，当初的设计初衷是用来测试锅炉板的强度。
little giant squ.jpg

而到了现在，随着人们对于材料应用的需求，出现了各种满足需求的测试设备。我们也对需要测试金属的何种参数来满足其应用需求有了更明确的理解。


金属材料机械性能详解


1、金属材料的变形和应力
金属材料受外力作用时引起的形状改变称为变形。变形分为弹性变形（当外力取消后，变形消失并恢复到原来形状）和塑性变形（当外力除去后，不能恢复到原来形状，保留一部分残余形变）。
 
当金属材料受外力作用时，其内部还将产生一个与外力相对抗的内力，它的大小与外力相等，方向相反。单位截面上的内力称为应力。在拉伸和压缩时应力用符号σ表示。
σ=P/F

式中：
σ — 应力，MPa;
P — 拉伸外力，N；
F — 试样的横截面积，mm2。
 
2、强度
强度.jpg
强度是金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。强度可通过拉力试验来测定。将图（a）所示标准样安装在拉力试验机上，对其施加一个平稳而无冲击逐渐递增的轴向拉力，随着拉力的增加试样产生形变如图（b）直到断裂如图（c）。

以试样的受拉力P为纵坐标，伸长值⊿L为横坐标，给制出拉伸曲线。
强度2.jpg

金属材料由弹性变形过渡到塑性变形时的应力称为弹性极限，用σe表示。
σe=Pe/Fo
式中：  
σe— 弹性极限，MPa；
Pe — 材料开始塑性变形时的负荷，N；
Fo — 试样原横截面积，mm2。
 
OE段的负荷与伸长成线性关系，是材料的弹性变形阶段。当负荷超过E点，试样开始产生塑性变形，这一段曲线几乎呈水平，表明试样在拉伸过程中，负荷不增加甚至有降低，试样继续塑性形变，材料丧失了抵抗变形的能力。这种现象称为屈服。
 
产生现象时的应力称为屈服点，用σs表示。
σs=Ps/Fo
式中： 
σs— 屈服点，Mpa ；
Ps  — 材料产生明显形变时的负荷，N；
Fo — 试样原横截面积，mm2。
 
负荷超过S点后，形变量随负荷增加而急剧增加，当过B点，形变部位出现缩颈现象，试样已不能抵抗外力作用，在K点发生断裂。试样拉断前能承受的最大负荷Pb所对应的应力称为抗拉强度，用σb表示。
σb=  Pb/Fo
式中： 
σb — 抗拉强度，Mpa ；
Pb — 试样拉断前的最大拉力，N；
Fo — 原横截面积，mm2。
 
屈服强度（σs），抗拉强度（σb）和屈强比（屈服强度与抗拉强度的比σs/σb）是评定金属材料质量的重要机械性能指标，是设计和选材的主要依据之一。
 
3、塑性
塑性是金属材料受外力作用时断裂前产生塑性变形的能力。通常用两种方法来表示。
 
（1）  伸长率：
试样拉断后标距部分所增加的长度与原标距长度的百分比，用δ表示。
δ=（L1－L0）/L0×100%
式中：
δ — 试样的伸长率，%；
L1 — 试样拉断后标距长度，㎜；
L0  — 试样原标距长度，㎜。
 
（2）  断面收缩率：
试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原截面积的百分比，用φ表示。
φ=（F0-F1）/F0
式中：
φ — 试样的断面收缩率，%；
F0 — 试样原横截面积，mm2 ；
F1 — 试样拉断后缩颈处的最小横截面积，mm2 。
 
δ、φ的数值越大，说明金属材料的塑性越好，反之亦然。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。
 
4、硬度
硬度是金属材料抵抗外物压入其表面的能力，一般说，硬度高的材料耐磨性较好，强度也比较高。硬度是评价金属材料质量的机械性能指标，也是机械零件设计要求的技术条件之一。
 
生产中有不同的测定方法，常用的有布氏硬度和洛氏硬度。
 
硬度1.jpg

(1) 布氏硬度：
用一定直径的钢球或硬质合金球，以相应的试验力压入试样表面，经规定保荷时间后卸除试验力，测量试样表面压痕直径。以压痕球状表面积所承受的平均负荷作为布氏硬度值，用符号HBS（HBW）表示。
硬度2.jpg

式中：
HBS（HBW）— 布氏硬度值，kgf－mm2 ;
P — 加在淬火钢球上的负荷，kgf；
D — 淬火钢球直径，㎜。
 
压头为钢球时用HBS，适用于布氏硬度值在450以下的材料，如铸铁和有色金属。压头为硬质合金球时用HBW，适用于布氏硬度值在650以下的材料。
 
(2) 洛氏硬度：
用压头压入的压痕深度表示材料的硬度值。压痕越深表示材料越软，硬度值越低。两种硬度可以利用特制的表格进行换算。 
 
硬度表示金属材料在局部范围内对塑性变形的抗力，所以硬度与强度间有一定的换算关系。
 
5、冲击韧性
冲击韧性是金属材料抗击冲击负荷的能力。现在普通采用一次摆锤冲击试验来测定材料的冲击韧性。
 
实验表明，材料受小能量多次重复冲击的能力，主要取决于材料强度。强度越高，寿命越长，设计中可不必过分追求高冲击值。

6、疲劳强度
实际中许多工件所承受负荷的方向和大小是周期变化的。这种周期变化的负荷称为交变负荷。金属工件在交变负荷作用下，经长时间工作而发生断裂的现象称为金属疲劳。
 
在交变负荷作用下金属工件所受应力大小和断裂前应力交变循环的次数有关。应力越大，则断裂前能随承受的循环次数越低。当钢铁材料的循环次数达到107，有色金属的循环次数达到108时，若试样仍不发生疲劳破坏，其最大应力称为该材料的疲劳极限。当应力交变循环对称时，疲劳极限用σ-1表示。
 
生产中多数金属工件是在交变负荷下工作的，疲劳破坏是破裂的主要形式。因此疲劳强度设计是材料的重要强度计算之一。另外，改善零件结构形状避免应力集中；降低表面粗糙度；采取表面强化处理等都能有效提高金属工件的抗疲劳能力。
 

影响金属材料伸长率结果的因素

我们通过相关的标准来确定金属材料的这些性能是否达标，伸长率作为表示材料均匀变形或稳定变形的重要参数，其结果通常会受到以下几个因素的影响：

  • 测试速度
  • 试样的几何结构
  • 夹具和引伸计由于动能损耗所引起的散热
  • 试样的表面处理情况
  • 对中
  • 试样在夹具内的安装方法

因此我们在测试时，也需要对这些可能影响试验结果的因素加以注意。

部分内容来源：理化检验物理分册

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