静态力学性能

材料在静载荷的作用下所表现出的各种性能称为静态力学性能。材料的静态力学性能可以通过静载试验确定，该试验可以确定材料在静载荷作用下的变形（弹性变形、塑性变形）和断裂行为，这些数据广泛应用于结构载荷机件的强度和刚度设计中，也是材料加工工艺有关材料变形行为的重要资料。在生产金属材料的工厂，静载试验是检验材料质量的基本手段之一。此外，科学工作者也能够从材料的变形和断裂行为的分析中得到很多有关材料性能的重要资料，这些资料对于研究和改善材料的组织与性能十分必要。

2．2．1 拉伸试验

拉伸试验是工业上应用最广泛的金属力学性能试验方法之一。这种试验方法的特点是温度、应力状态和加载速率是确定的，并且常用标准的光滑圆柱试样进行试验。通过拉伸试验可以揭示材料在静载荷作用下常见的3种失效形式，即弹性变形、塑性变形和断裂；还可以标定出材料最基本的力学性能指标，如屈服强度σ0．2、抗拉强度σb、断后伸长率δ和断面收缩率Ψ。

（1）拉伸试验曲线

拉伸试验曲线有以下3种表示方法：

①载荷伸长曲线（PΔL）。这是拉伸试验机的记录器在试验过程中直接描画出的曲线。P是载荷的大小，ΔL指试样标距长度L0受力后的伸长量。

②工程应力应变曲线（σε曲线）。令A0为试样原有的横截面面积，则拉伸应力σ＝P／A0，拉伸应变ε＝ΔL／L0。以σ－ε为坐标作图得到的曲线就是工程应力—应变曲线，它和PΔL曲线形状相似，仅在尺寸比例上有一些差异。如图2．1所示为低碳钢的拉伸曲线，由图可知，低碳钢在拉伸过程中，可分为弹性变形、塑性变形和断裂3个阶段。

③真应力应变曲线（Se曲线）。指试样在受载过程中任一瞬间的真应力（S＝P／A）和真应变［e＝ln（L／L0）］之间的关系曲线。

（2）弹性和刚度

①弹性。当外加应力σ小于σe（图2．1）时，试样的变形能在卸载后（σ＝0）立即消失，即试样恢复原状，这种不产生永久变形的性能称为弹性。σe为不产生永久变形的最大应力，称为弹性极限。

②刚度。在弹性范围内，应力与应变成正比，即σ＝Eε，或E＝σ／ε，比例常数E称为弹性模量，它是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标，也称为刚度。它是一个对组织不敏感的参数，主要取决于材料本身，与合金化、热处理、冷加工等关系不大。

图2．1 低碳钢的工程应力一应变曲线

（3）强度

强度是指在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力，是材料最重要、最基本的力学性能指标之一。

1）屈服点与屈服强度

屈服点σs与屈服强度σ0．2是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值，即

A0——试样的原始横截面积。

工业上使用的某些金属材料（如高碳钢和一些经热处理后的钢等），在拉伸试验中没有明显的屈服现象发生，故无法确定其屈服点。按GB228—87规定，屈服强度为试样标距部分产生0．2％残余伸长时的应力值，即

σs＝Fs／A0（2．1）

式中 Fs——屈服载荷；

A0——试样的原始横截面积。

通常，机械零件不仅是在破断时形成失效，而往往是在发生少量塑性变形后，零件精度降低而形成了失效。因此，屈服点或屈服强度是零件设计时的主要依据，同时也是评定金属材料强度的重要指标之一。

2）抗拉强度

抗拉强度σb是材料在破断前所承受的最大应力值，即

σ0．2＝F0．2／A0（2．2

式中 F0．2——试样标距产生0．2％残余伸长时的载荷；

A0——试样的原始横截面积。

抗拉强度是零件设计时的重要依据，同时也是评定金属材料强度的重要指标之一。

σb＝Fb／A0（2．3）

式中 Fb——试样在破断前所承受的最大载荷；

（4）塑性

塑性是指材料在静载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力。伸长率δ和断面收缩率Ψ是表示材料塑性好坏的指标。

1）伸长率

伸长率是指试样拉断后标距增长量与原始标距之比，即

δ＝（L1－L0）／L0×100％ （2．4）

式中 L1——试样断裂后的标距；

L0——试样原始标距。

2）断面收缩率

断面收缩率是指试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比，即

Ψ＝（A0－Ak）／A0×100％

式中 Ak——试样断裂处的最小横截面积；

A0——试样的原始横截面积。

虽然塑性指标通常不直接用于工程设计计算，但任何零件都要求材料具有一定的塑性。因为零件使用过程中，偶然过载时，由于能产生一定的塑性变形而不至于突然脆断。同时，塑性变形还有缓和应力集中、削减应力峰的作用，在一定程度上保证了零件的工作安全。此外，各种成形加工都要求材料具有一定的塑性。

2．2．2 硬度

硬度是衡量材料软硬程度的指标。目前工程上，测定硬度最常用的方法是压入法，该方法所表示的硬度是指材料表面抵抗硬物压入的能力。

硬度试验设备简单，操作迅速方便，又可以直接在零件或工具上进行试验而不破坏工件，并且还可以根据硬度值估计材料的近似抗拉强度和耐磨性。此外，硬度与材料的冷成形性、切削加工性、可焊性等工艺性能间也存在着一定的联系，可作为选择加工工艺时的参考。由于以上原因，硬度试验在实际生产中作为产品质量检查、制订合理加工工艺的最常用的重要试验方法。在产品设计图样的技术条件中，硬度也是一项主要技术指标。

图2．2 布氏硬度

测定硬度的方法很多，生产中应用较多的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。

（1）布氏硬度

布氏硬度试验通常是以一定的压力F，将直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测材料的表层，经过规定的保持载荷时间后，卸除载荷，即得到一直径为d的压痕，如图2．2所示。载荷除以压痕表面积所得之值即为布氏硬度，以HB表示，单位为MPa，但习惯上不标出。用钢球为压头所测出的硬度值以HBS表示；以硬质合金球为压头所测得的硬度值以HBW表示。HBS和HBW前面的数字代表其硬度值。HBS适用于测量退火、正火、调质钢及铸铁、有色合金等硬度小于450HB的较软金属；HBW适用于测量硬度值在650HB以下的材料。

布氏硬度试验的优点是测定结果较准确，不足之处是压痕大，不适合成品检验。

（2）洛氏硬度

洛氏硬度试验是以一定的压力将一特定的压头压入被测材料的表面，如图2．3所示。据压痕的深度来测量材料的软硬，压痕越深，硬度越低，反之硬度越高。被测材料的硬度可直接在硬度计刻度盘上读出。

按压头和载荷不同，洛氏硬度分为HRA、HRB和HRC3种类型，见表2．3。效率不如测洛氏硬度高。

图2．3 洛氏硬度试验原理图

表2．3 常用洛氏硬度的试验条件和应用

图2．4 维氏硬度试验原理图

洛氏硬度测量简单易行，压痕小，既可以测量成品和零件的硬度，也可以检测较薄工件或表面较薄硬化层的硬度。3种洛氏硬度中，以HRC应用最多。

（3）维氏硬度

维氏硬度的测定原理与布氏硬度基本相同，不同之处在于压头采用锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，压痕为正四方锥形，如图2．4所示。维氏硬度用HV表示，单位为MPa，但习惯上不标出。

由于维氏硬度所用载荷小，压痕浅，故特别适用于测量零件表面的薄硬化层、镀层及薄片材料的硬度。此外，载荷可调范围大，软硬材料均适用。其缺点是硬度的测定较麻烦，工作