金属材料的塑性
塑性是指金属材料在载荷外力的作用下，产生永久变形（塑性变形）而不被破坏的能力。金属材料在受到拉伸时，长度和横截面积都要发生变化，因此，金属的塑性可以用长度的伸长（延伸率）和断面的收缩（断面收缩率）两个指标来衡量。
金属材料的延伸率和断面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材料能承受较大的塑性变形而不破坏。一般把延伸率大于百分之五的金属材料称为塑性材料（如低碳钢等），而把延伸率小于百分之五的金属材料称为脆性材料（如灰口铸铁等）。塑性好的材料，它能在较大的宏观范围内产生塑性变形，并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化，从而提高材料的强度，保证了零件的安全使用。此外，塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、校直等。因此，选择金属材料作机械零件时，必须满足一定的塑性指标。 字串2
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金属材料的硬度
硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
1.布氏硬度（HB）
以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小（直径一般为10mm）的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。
2.洛氏硬度（HR）
当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的甓壤幢硎荆?HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等）。
HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）。
HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火钢等）。
3 维氏硬度（HV）
以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值(HV)。
硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验，生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。
实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。
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金属材料性能
金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。金属材料的性能主要分为四个方面，即：机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能。
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机械性能
（一）应力的概念,物体内部单位截面积上承受的力称为应力。由外力作用引起的应力称为工作应力，在无外力作用条件下平衡于物体内部的应力称为内应力（例如组织应力、热应力、加工过程结束后留存下来的残余应力…等等）。
（二）机械性能,金属在一定温度条件下承受外力（载荷）作用时，抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的机械性能（也称为力学性能）。金属材料承受的载荷有多种形式，它可以是静态载荷，也可以是动态载荷，包括单独或同时承受的拉伸应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力，以及摩擦、振动、冲击等等，因此衡量金属材料机械性能的指标主要有以下几项：
1.强度
这是表征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的最大能力，可分为抗拉强度极限（σb）、抗弯强度极限（σbb）、抗压强度极限（σbc）等。由于金属材料在外力作用下从变形到破坏有一定的规律可循，因而通常采用拉伸试验进行测定，即把金属材料制成一定规格的试样，在拉伸试验机上进行拉伸，直至试样断裂，测定的强度指标主要有：
（1）强度极限：材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力，一般指拉力作用下的抗拉强度极限，以σb表示，如拉伸试验曲线图中最高点b对应的强度极限，常用单位为兆帕（MPa），换算关系有：1MPa=1N/m2=(9.8)-1Kgf/mm2或1Kgf/mm2=9.8MPaσb=Pb/Fo式中：Pb?C至材料断裂时的最大应力（或者说是试样能承受的最大载荷）；Fo?C拉伸试样原来的横截面积。
（2）屈服强度极限：金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时，虽然应力不再增加，但是试样仍发生明显的塑性变形，这种现象称为屈服，即材料承受外力到一定程度时，其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形。产生屈服时的应力称为屈服强度极限，用σs表示，相应于拉伸试验曲线图中的S点称为屈服点。对于塑性高的材料，在拉伸曲线上会出现明显的屈服点，而对于低塑性材料则没有明显的屈服点，从而难以根据屈服点的外力求出屈服极限。因此，在拉伸试验方法中，通常规定试样上的标距长度产生0.2%塑性变形时的应力作为条件屈服极限，用σ0.2表示。屈服极限指标可用于要求零件在工作中不产生明显塑性变形的设计依据。但是对于一些重要零件还考虑要求屈强比（即σs/σb）要小，以提高其安全可靠性，不过此时材料的利用率也较低了。
（3）弹性极限：材料在外力作用下将产生变形，但是去除外力后仍能恢复原状的能力称为弹性。金属材料能保持弹性变形的最大应力即为弹性极限，相应于拉伸试验曲线图中的e点，以σe表示，单位为兆帕（MPa）：σe=Pe/Fo式中Pe为保持弹性时的最大外力（或者说材料最大弹性变形时的载荷）。
（4）弹性模数：这是材料在弹性极限范围内的应力σ与应变δ（与应力相对应的单位变形量）之比，用E表示，单位兆帕（MPa）：E=σ/δ=tgα式中α为拉伸试验曲线上o-e线与水平轴o-x的夹角。弹性模数是反映金属材料刚性的指标（金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性）。
2.塑性,
金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的最大能力称为塑性，通常以拉伸试验时的试样标距长度延伸率δ（%）和试样断面收缩率ψ（%）延伸率δ=[(L1-L0)/L0]x100%，这是拉伸试验时试样拉断后将试样断口对合起来后的标距长度L1与试样原始标距长度L0之差（增长量）与L0之比。在实际试验时，同一材料但是不同规格（直径、截面形状-例如方形、圆形、矩形以及标距长度）的拉伸试样测得的延伸率会有不同，因此一般需要特别加注，例如最常用的圆截面试样，其初始标距长度为试样直径5倍时测得的延伸率表示为δ5，而初始标距长度为试样直径10倍时测得的延伸率则表示为δ10。断面收缩率ψ=[(F0-F1)/F0]x100%，这是拉伸试验时试样拉断后原横截面积F0与断口细颈处最小截面积F1之差（断面缩减量）与F0之比。实用中对于最常用的圆截面试样通常可通过直径测量进行计算：ψ=[1-(D1/D0)2]x100%，式中：D0-试样原直径；D1-试样拉断后断口细颈处最小直径。δ与ψ值越大，表明材料的塑性越好。3.硬度,金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度，或者说是材料对局部塑性变形的抵抗能力。因此，硬度与强度有着一定的关系。根据硬度的测定方法，主要可以分为：
（1）布氏硬度（代号HB）,用一定直径D的淬硬钢球在规定负荷P的作用下压入试件表面，保持一段时间后卸去载荷，在试件表面将会留下表面积为F的压痕，以试件的单位表面积上能承受负荷的大小表示该试件的硬度：HB=P/F。在实际应用中，通常直接测量压坑的直径，并根据负荷P和钢球直径D从布氏硬度数值表上查出布氏硬度值（显然，压坑直径越大，硬度越低，表示的布氏硬度值越小）。布氏硬度与材料的抗拉强度之间存在一定关系：σb≈KHB，K为系数，例如对于低碳钢有K≈0.36，对于高碳钢有K≈0.34，对于调质合金钢有K≈0.325，…等等。
（2）洛氏硬度（HR）用有一定顶角（例如120°）的金刚石圆锥体压头或一定直径D的淬硬钢球，在一定负荷P作用下压入试件表面，保持一段时间后卸去载荷，在试件表面将会留下某个深度的压痕。由洛氏硬度机自动测量压坑深度并以硬度值读数显示（显然，压坑越深，硬度越低，表示的洛氏硬度值越小）。根据压头与负荷的不同，洛氏硬度还分为HRA、HRB、HRC三种，其中以HRC为最常用。洛氏硬度HRC与布氏硬度HB之间有如下换算关系：HRC≈0.1HB。除了最常用的洛氏硬度HRC与布氏硬度HB之外，还有维氏硬度（HV）、肖氏硬度（HS）、显微硬度以及里氏硬度（HL）。这里特别要说明一下关于里氏硬度，这是目前最新颖的硬度表征方法，利用里氏硬度计进行测量，其检测原理是：里氏硬度计的冲击装置将冲头从固定位置释放，冲头快速冲击在试件表面上，通过线圈的电磁感应测量冲头距离试件表面1毫米处的冲击速度与反弹速度（感应为冲击电压和反弹电压），里氏硬度值即以冲头反弹速度和冲击速度之比来表示：HL=(Vr/Vi)?1000式中：HL-里氏硬度值；Vr-冲头反弹速度；Vi-冲头冲击速度（注：实际应用装置中是以冲击装置中的闭合线圈感应的冲击电压和反弹电压代表冲击速度和反弹速度）。冲击装置的构造主要有内置弹簧（加载套管，不同型号的冲击装置有不同的冲击能量）、导管、释放按钮、内置线圈与骨架、支撑环以及冲头，冲头主要采用金刚石、碳化钨两种极高硬度的球形（不同型号的冲击装置其冲头直径有不同）。优点：里氏硬度计的主机接收到冲击装置获得的信号进行处理、计算，然后在屏幕上直接显示出里氏硬度值，便携式里氏硬度计用里氏（HL）测量后可以转化为：布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、肖氏（HS）硬度。或用里氏原理直接用布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、里氏（HL）、肖氏（HS）测量硬度值,同时可折算出材料的抗拉强度σb，还可以将测量结果储存、直接打印输出或传送给计算机作进一步的数据处理。
3.应用范围：
里氏硬度计是一种便携袖珍装置，可应用于各种金属材料、工件的表面硬度测量，特别是大型锻铸件的测量，其最大的特点是可以任意方向检测，免去了普通硬度计对工件大小、测量位置等的限制。
4.韧性
金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为韧性。通常采用冲击试验，即用一定尺寸和形状的金属试样在规定类型的冲击试验机上承受冲击载荷而折断时，断口上单位横截面积上所消耗的冲击功表征材料的韧性：αk=Ak/F单位J/cm2或Kg?m/cm2，1Kg?m/cm2=9.8J/cm2αk称作金属材料的冲击韧性，Ak为冲击功，F为断口的原始截面积。5.疲劳强度极限金属材料在长期的反复应力作用或交变应力作用下（应力一般均小于屈服极限强度σs），未经显著变形就发生断裂的现象称为疲劳破坏或疲劳断裂，这是由于多种原因使得零件表面的局部造成大于σs甚至大于σb的应力（应力集中），使该局部发生塑性变形或微裂纹，随着反复交变应力作用次数的增加，使裂纹逐渐扩展加深（裂纹尖端处应力集中）导致该局部处承受应力的实际截面积减小，直至局部应力大于σb而产生断裂。在实际应用中，一般把试样在重复或交变应力（拉应力、压应力、弯曲或扭转应力等）作用下，在规定的周期数内（一般对钢取106~107次，对有色金属取108次）不发生断裂所能承受的最大应力作为疲劳强度极限，用σ-1表示，单位MPa。除了上述五种最常用的力学性能指标外，对一些要求特别严格的材料，例如航空航天以及核工业、电厂等使用的金属材料，还会要求下述一些力学性能指标：蠕变极限：在一定温度和恒定拉伸载荷下，材料随时间缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。通常采用高温拉伸蠕变试验，即在恒定温度和恒定拉伸载荷下，试样在规定时间内的蠕变伸长率（总伸长或残余伸长）或者在蠕变伸长速度相对恒定的阶段，蠕变速度不超过某规定值时的最大应力，作为蠕变极限，以表示，单位MPa，式中τ为试验持续时间，t为温度，δ为伸长率，σ为应力；或者以表示，V为蠕变速度。高温拉伸持久强度极限：试样在恒定温度和恒定拉伸载荷作用下，达到规定的持续时间而不断裂的最大应力，以表示，单位MPa，式中τ为持续时间，t为温度，σ为应力。金属缺口敏感性系数：以Kτ表示在持续时间相同（高温拉伸持久试验）时,有缺口的试样与无缺口的光滑试样的应力之比：式中τ为试验持续时间，为缺口试样的应力，为光滑试样的应力。或者用：表示，即在相同的应力σ作用下，缺口试样持续时间与光滑试样持续时间之比。抗热性：在高温下材料对机械载荷的抗力。
第二篇：金属材料的拉伸
金属材料的拉伸、压缩实验
承受轴向拉伸和压缩是工程构件最常见的受力方式之一，材料在拉伸和压缩时的力学性能也是材料最重要的力学性能之一。常温、静载下金属材料的单向拉伸和压缩实验也是测定材料力学性能的最基本、应用最广泛、方法最成熟的试验方法。通过拉伸实验所测定的材料的弹性指标E、μ，强度指标σs、σb，塑性指标δ、ψ，是工程中评价材质和进行强度、刚度计算的重要依据。下面以典型的塑性材料——低碳钢和典型的脆性材料——铸铁为例介绍实验的详细过程和数据处理方法。
一、预习要求
1、 电子万能材料试验机在实验前需进行哪些调整？如何操作？
2、 简述测定低碳钢弹性模量E的方法和步骤。
3、 实验时如何观察低碳钢拉伸和压缩时的屈服极限？
二、材料拉伸时的力学性能测定
拉伸时的力学性能实验所用材料包括塑性材料低碳钢和脆性材料铸铁。
（一）实验目的
1、在弹性范围内验证虎克定律，测定低碳钢的弹性模量E。
2、测定低碳钢的屈服极限σs、强度极限σb、延伸率δ和断面收缩率ψ；测定铸铁拉伸时的强度极限σb。
3、观察低碳钢和铸铁拉伸时的变形规律和破坏现象。
4、了解万能材料试验机的结构工作原理和操作。
（二）设备及试样
1、电子万能材料试验机。
2、杠杆式引伸仪或电子引伸仪。
3、游标卡尺。
4、拉伸试样。
GB6397—86规定，标准拉伸试样如图1所示。截面有圆形(图1a)和矩形（图1b）两种，标距l0与原始横截面积A0比值为11.3的试样称为长试样，标距l0与原始横截面积A0比值为5.56的试样称为短试样。对于直径为d0的长试样，l0=10d0；对于直径为d0的短试样，l0=5d0。
实验前要用划线机在试样上画出标距线。
（三）低碳钢拉伸实验
1、实验原理与方法
常温下的拉伸实验是测定材料力学性能的基本实验，可用以测定弹性模量E、屈服极限σs、强度极限σb、延伸率δ和断面收缩率ψ等力学性能指标。这些指标都是工程设计中常用的力学性能参数。现以液压式万能材料试验机为例说明其测量原理和方法。
①弹性模量E的测定
在比例极限范围内
（1）
其中，l0=20mm，为引伸仪的标距；A0为试样横截面平均面积。
可见，只要测出试样上作用的拉力P和标距内的伸长Δl，即可求出弹性模量E值。
为了检验载荷与变形间关系是否符合虎克定律，并减少测量误差，试验时用增量法施加载荷。即把载荷分成若干相等的加载等级ΔP，每加载一级时由引伸仪读出对应的伸长，最后算出与ΔP对应的变形平均值δ（Δl）（见图2）。将公式（1）改写为：
（2）
便可求出弹性模量。钢材的弹性模量大约200GPa。
注意最高载荷不能超过比例极限范围。测完E值后先停止加载卸下引伸仪，再进行其他试验测定。为了消除引伸仪和试验机机构的间隙以及开始阶段引伸仪刀口在试样上的可能滑动，对试样应先施加一个初载荷P0。即在装好引伸仪后，开动试验机给试样加一个初载荷，一般取2—5KN。自初载荷起，逐渐加载，测量其伸长。
②屈服极限σs和强度极限σb的测定
测量E值后继续加载，到达屈服极限时P—Δl曲线呈锯齿形（见图2）。一般首次载荷下降的最低点称为初始瞬时效应，不作为强度指标取值，把初始瞬时效应后的最低载荷PsL对应的应力作为屈服极限σs。测量时注意示力指针的波动情况，捕捉指针所指的最小载荷PsL。得屈服极限
（MPa） （3）
式中，A为试样横截面的最小面积。
屈服过程中注意观察试样上出现的沿450方向的滑移线。
屈服阶段过后，进入强化阶段（见图3），试样又恢复了承载能力。载荷到达最大值Pb时试样某一局部开始出现局部收缩的现象称为颈缩现象，载荷开始下降，直至拉断。拉断后由度盘上的被动指针读出Pb，得强度极限
（MPa） （4）
③延伸率δ和断面收缩率ψ的测定
试样的标距原长为l0，拉断试样后将两段试样紧密地对接在一起，量出拉断后的标距长为l1，则延伸率为
（5）
断口附近塑性变形最大，所以l1的量取与断口的位置有关。如果断口发生于l0的两端处或在l0之外，则实验无效，应重做。若断口距l0一端距离小于等于l0/3，则需进行修正。修正方法在后面讨论。
试样拉断后，设颈缩部位的最小横截面积为A1，按下式计算断面收缩率
（6）
由于断口不是规则的圆形，应在两个互相垂直的方向量取最小截面的直径，以其平均值计算A1。
2、实验步骤
①测量试样尺寸 在标距内上、中、下三个部位互相垂直的两个方向上测量直径并算出每处的平均值，三个平均值的平均值A0用于E、ψ的计算，最小平均值A用于应力σ的计算。将有关数据填入表1内。
表1 拉伸实验原始数据表
②调整试验机 按照操作规程调整好试验机。
③安装试样及引伸仪 安装试样和引伸仪并调零。
④加载 测定E值时，分六级加载，分别记录各级载荷时引伸仪读数到表2中。加载应注意均匀缓慢。各测试人员应密切配合，做到读数准确及时，并随时检查是否符合虎克定律；测完E值后先取下引伸仪，然后再继续加载观察屈服极限力PsL和屈服现象；过了屈服阶段后可加快加载速度直到拉断，注意观察颈缩现象，由度盘被动指针读
出强度极限力Pb。
表2 测量弹性模量E数据记录表
⑤卸下试样，测量几何尺寸 测量标距长度和颈缩处的最小直径。
⑥结束 检查数据，经指导教师签字认可后，结束实验。
（四）铸铁拉伸实验
由于铸铁属脆性材料，在没有明显屈服的情况下就会断裂，因此只测其拉伸时的强度极限。类似于低碳钢拉伸实验，测量试样直径后，将试样安装到试验机上，均匀缓慢加载直到拉断。记录下最大载荷Pb，则铸铁拉伸时的强度极限为
（MPa）
三、材料压缩时的力学性能测定
（一）实验目的
1、测定低碳钢压缩时的屈服极限σs和铸铁压缩时的强度极限σb。
2、观察比较两种材料压缩破坏现象。
（二）实验仪器及试样
1、万能材料试验机。
2、游标卡尺。
3、压缩试样。压缩试样通常为圆柱形，也分短、长两种（图4a和b）。短试样用于测定材料抗压强度，通常规定
；长试样多用于测定钢、铜等材料的弹性常数E、μ等。
（三）实验步骤及数据处理
1、测量试样尺寸 测定试样的初始高度和直径，并记录到表3中。测定直径时，需在试样中部量取
互相垂直的两个方向的数据取平均值。
2、调整试验机 选择合适的摆锤和示力度盘，自动绘图装置上安装好纸和笔，开动油泵电机。
3、低碳钢压缩实验 安放试样到万能材料试验机活动平台上，注意应放在正中央。开动试验机送油阀，先使活动平台快速提升，当试样与上承压板将要接触时，应减少供油量，放缓提升速度以免压缩过程过快使测试失败。当外载荷加上后观察示力指针，当示力指针停顿并有回摆时说明进入屈服阶段，记录下指针回摆的最低点读数，此值即为对应于屈服极限的载荷值Ps。当示力指针继续上升时，此时进入强化阶段，试样出现明显的变形。变形到一定程度后关闭送油阀打开回油阀卸去载荷，观察试样变形情况。
4、铸铁的压缩实验 准备工作与低碳钢压缩相同。安装好试样后打开送油阀对试样进行压缩直到压断后卸去载荷，通过示力盘上从动指针位置读出最大载荷，此值即为对应于强度极限的载荷值Pb。
5、数据处理 根据测定的试样尺寸计算出试样的横截面积，得：
低碳钢的屈服极限 
铸铁的强度极限
表3 压缩实验原始数据记录表
四、实验报告
1、按表1、2和3形式记录、处理实验数据。
2、实验结果计算应列出公式，写出步骤。
3、回答下列问题（写明题号，不必抄题）：
（1）试简述低碳钢和铸铁拉压时力学性能的异同。
（2）测定弹性模量E时为何要加初载荷并限制最高载荷？使用分级加载的目的是什么？