材料在其他静载荷下的力学性能

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=πd ³ /32 ；对于宽带为 b ，高为 h 的矩形试样： W=bh ² /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 / S ₀ （ S ₀ — 试样原始横截面积， mm ² ）

双剪抗剪强度： τ _b = F /2 S ₀ =2 F /(π d ² ) （ S ₀ — 试样原始横截面积， mm ² ）

双剪抗剪强度： τ _b = F /(π d ₀ t ) （ d ₀ — 冲孔直径， mm ² ； 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 =(△T L _e )/(△ Φ I _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 :   σ ₁ 、 σ ₃   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 = k HB

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 /mm ² （ N/mm ² ）；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 h ₀ 落在试样表面上，冲头弹起一定高度 h ，用 h 与 h ₀ 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