材料的力学性能

力学

主要是指材料的宏观性能，如弹性性能、塑性性能、硬度、抗冲击性能等。它们是设计各种工程结构时选用材料的主要依据。各种工程材料的力学性能是按照有关标准规定的方法和程序，用相应的试验设备和仪器测出的。表征材料力学性能的各种参量同材料的化学组成、晶体点阵、晶粒大小、外力特性(静力、动力、冲击力等)、温度、加工方式等一系列内、外因素有关。

1.弹性性能

材料在外力作用下发生变形，如果外力不超过某个限度，在外力卸除后恢复原状。材料的这种性能称为弹性。外力卸除后即可消失的变形，称为弹性变形，表示材料在静载荷、常温下弹性性能的一些主要参量可以通过拉伸试验进行测定。

拉伸试样常制成圆截面(图1a)或矩形截面(图lb)棒体．L为标距，d为圆形试样的直径，h和t分别为矩形截面试样的宽度和厚度，图中截面形状用阴影表示，面积记为A。长度和横向尺寸的比例关系也有如下规定l=10d或l=5d；对于矩形截面试样，按照面积换算规定l=11.3或l=5.65。试样两端的粗大部分用以和材料试验机的夹头相连接。试验结果通常绘制成拉伸图或应力-应变图。图2为低碳钢的拉伸图，横坐标表示试样的伸长量△l(或庄变ε=△l/l)，纵坐标表示载荷P(或应力σ=P/A)。图中的曲线从原点到点p为直线，pe段为曲线，载荷不大于点e所对应的值时，卸载后试样可恢复原状。反映材料弹性性质的参量有比例极限、弹性极限、弹性模量、剪切弹性模量和泊松比等。

比例极限

应力和应变成正比例关系的最大应力称为比例极限，印图中点p所对应的应力，以σp表示。在应力低于σp的情况下，应力和应变保持正比例关系的规律叫胡克定律。载荷超过点p对应的值后，拉伸曲线开始偏离直线。

弹性极限

试样卸载后能恢复原状的最大应力称为弹性极限，即图中点e所对应的应力，以σe表示。若在应力超出σe后卸载，试样中将出现残余变形。

比例极限和弹性极限的测试值敏感地受测试精度的影响，并不易测准，所以在有关标准中规定，对于拉伸曲线的直线部分产生规定偏离量(用切线斜率的偏差表示)的应力作为“规定比例极限”。对子弹性极限，规定以产生某一微量残余变形对应的应力作为“规定弹性极限”，例如，以产生0．01%残余变形所对应的应力为规定弹性极限，记为σ0.01v实际上，比例极限和弹性极限很接近。

弹性模量

材料在弹性变形阶段内，应力和应变的比值称为弹性模量。以E表示弹性模量，则E=σ/δ或σ=Eδ。因英国的T·杨首先给出弹性模量的定义，所以弹性模量又称杨氏模量。

剪切弹性模量

处在剪切弹性变形阶段的材料中剪应力τ和剪应变γ也存在正比例关系，其比值称为剪切弹性模量，简称剪切模量。以G表示剪切弹性模量，则G=τ/γ或τ=Gγ。

泊松比

材料沿载荷方向产生伸长(或缩短)变形的同时，在垂直于载荷的方向会产生缩短(或伸长)变形。垂直方向上的应变εl与载荷方向上的应变ε之比的负值称为材料的泊松比。以v表示泊松比，则v=-εl/ε。在材料弹性变形阶段内，v是一个常数。理论上，材料的三个弹性常数E、G、v中，只有两个是独立的，因为它们之间存在如下关系：

G=E/2(1+v)。

2.塑性性能

载荷卸除后不能消失的变形称为残余变形。材料保持残余变形的能力称为塑性，因而残余变形又称为塑性变形。反映材料塑性性能的参量有屈服极限、延伸率和断面收缩率等。此外，与塑性性能有关的现象有材料的强化现象和拉伸试样的颈缩现象。若加载在材料中引起的应力超过，则卸载后有一部分变形不能消失，这种变形就是塑性变形。

屈服极限

在拉伸试验中，若试样中的应力到达图2中y点所对应的值，即使载荷不再增大，试样仍继续伸长，因而在拉伸曲线上出现一水平段(ys段)，这种现象称为屈服或流动。屈服现象是由于金属中晶体的滑移造成的。曲线上点y的应力值σy称为材料的屈服极限，也称流动极限。对于无屈服现象的材料，工程上规定，用对应于0．2%塑性变形量的应力作为“规定屈服极限”，常称为屈服强度，记为σ0.2。

强化

屈服阶段结束后，拉伸曲线又呈上升状，即要使试样继续变形，就须增大载荷，这种现象称为材料强化。图2中sb段曲线为强化阶段。在点b以前，试样的塑性变形是各处均匀的，点b对应于载荷最大值，其值Pb除以试样原横截面积A，所得的应力称为材料的强度极限，以σb表示，即σb=pb/A。

颈缩

应力到达强度极限后，试样的塑性变形开始集中于某一部位，该处的截面积逐渐缩小，这种现象称为颈缩(图3)。由于局部截面积收缩，试样能承受的载荷也就不断下降，最后到达曲线上的点k时试样被拉断。

若考虑试样的颈缩，则应力应为瞬时载荷除以相应瞬时的实际最小面积，这样作出的应力-应变曲线如图2中虚线所示。

延伸率

试样拉断后标距长度l1与原长l之差为总残余伸长量，它与原长的比值称为延伸率。以δ表示延伸率，一般写成百分比的形式，即

由于试样断裂前经历了局部塑性变形，所以延伸率的大小同试样原长和横截面积有关。为了进行比较，规定对于长度是直径10倍的圆截面试样和l=11．3 的矩形截面试样，延伸率记为δ10；长度是直径5倍的圆截面试样和l=5．65 的矩形截面试样，延伸率记为δ5。

断面收缩率

设试样拉断后断口处的最小面积为A1，则截面收缩量A-A1与原截面面积A之比值的百分数称为断面收缩率。以表示断面收缩率，则有：

对圆形截面试样，规定用断口处的最小直径计算A1；矩形截面试样则用断口处的最大宽度h1与最小厚度t1的乘积表示A1，即A1=h1×t1，(图4)。

工程上常将材料区分为两类，常温静载荷下破坏时塑性变形较大(一般为δ>5%)的材料称为塑性材料；塑性变形较小的材料称为脆性材料。低碳钢是典型的塑性材料，它在拉伸试验过程中表现出的各种力学性能最为复杂。试验表明，低碳钢在压缩时的弹性模量E、屈服极限σv都与拉伸时相同。屈服后试样越压越扁，横截面不断增大，所以低碳钢无压缩强度极限。铸铁是典型的脆性材料，拉伸和压缩时均无屈服现象，破坏时塑性变形量很小。铸铁试样在拉伸破坏时沿横截面断裂，强度极限较低，压缩时沿大约与轴线成45°角的斜面破坏，且压缩时的强度极限比拉伸时高4～5倍。

3.硬度

固体对外界物体入侵的局部抵抗能力，是比较各种材料软硬的指标。由于规定了不同的测试方法，所以有不同的硬度标准。总的来看，可分为划痕硬度、压入硬度和回跳硬度。各种硬度标准的力学含义不同，相互不能直接换算，但可通过试验加以对比。

划痕硬度

主要用于比较不同矿物的软硬程度，方法是选一根一端硬一端软的棒，将被测材料沿棒划过，根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。

压入硬度

主要用于金属材料，方格是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度有多种，主要是布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。

回跳硬度

主要用于金属材料，方法是使一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样，并以试样在冲击过程中储存(继而释放)应变能的多少(通过小锤的回跳高度测定)确定材料的硬度。

4.抗冲击性能

许多机器或其构件如锻锤、冲床、凿岩机、铆钉枪和炮筒、装甲板等，在工作中要承受冲击载荷，它是以很大速度施加到结构或构件上的载荷。由于加载速度很大，所以构件应变的速度也很大。研究表明，若应变速率小于10-4～10-2秒-1，可看成静载问题；若大于10-2秒-1，就必须作为冲击问题。

受冲击时弹性变形是以声速在介质中传播的，所以大多数材料(尤其是金属)的弹性变形的变化可以跟上冲击载荷的变化；而塑性变形的变化难以跟上载荷的变化，所以在冲击载荷下原来塑性较好的材料也会出现脆化的趋向。脆化显著地降低了材料抗冲击的能力。一种材料能否承受冲击载荷，不仅要看所承受的瞬时载荷值，而且要看载荷在冲击延续时间内造成的材料变形量。表示材料抵抗冲击载荷能力的参量有冲击功和冲击韧性，可由材料的冲击试验来确定。

冲击功

使试样在冲击载荷下破断所必须的有效功，通常由冲击试验求得。试验中所用的带缺口的标准冲击试样和冲击试验机如图5和图6所示。试验中摆锤冲断试样过程中所作的功就是冲击功AK，其值为：

AK=W(H1-H2)，

式中W为摆锤重量，H1为摆锤开始下落时的高度；H2为试样冲断后摆锤摆起的高度。除了标准的冲击试样外，有时也用非标准试样，它们主要是缺口的形式有些不同。对于某些脆性材料，常采用无缺口冲击试样。在研究工作中，有时还采用拉伸冲击试验和扭转冲击试验。

冲击韧性

记为αK，它等于冲击功AK除以试样缺口处在冲击前的截面积F，即

αK=AK/F。

冲击韧性是评定材料冲击抗力的实用指标，它的大小不仅取决于材料的性能，而且还随试样的形状、尺寸、缺口形式等在很大范围内变化。摆锤消耗的能量并不全为试样吸收，有一部分转化为其他形式的耗散功，所以并不能精确地表示材料在冲击载荷作用下破坏时所吸收的总冲击能量。另外，被试样吸收的能量也主要为缺口附近材料的塑性变形所消耗。因此，冲击韧性只能作为工程上比较材料抗冲击性能的相对标准，不同尺寸和缺口形状的试样的冲击韧性不能相互换算。在使用非标准试样时，对试验条件须作说明。

αK值对材料的某些缺陷很敏感，能够反映出材料品质，宏观缺陷和显微组织方面的微小变化，因而在生产上常用来检验冶炼，热加工和热处理等的工艺质量。

5.温度与材料性能的关系

工程中的许多结构处于高温或低温环境，如发动机、核反应堆、化工设备、火箭和高速飞机等。温度对材料的各种力学性能都有影响。就金属而言，温度升高往往使其弹性模量和硬度减小，延伸率加大，蠕变和松弛(见蠕变)现象更加明显，而温度降低则往往使材料脆化。在选择工程材料时必须考虑到：每一种材料只是在一定的温度范围内具有较高的强度。如某些普通塑料只能在40～50℃以下使用，超出此范围，强度会明显降低，甚至不能保持自身形状。多数铝台金在200℃以上强度会明显下降，在低温下，抗拉，抗剪能力会显著下降而容易发生脆断。对于各种在高温或低温下工作的结构材料，必须通过试验测定其力学性能，试验的加载方式与常温试验大体相同。

工程中所采用的材料日益广泛，材料所处的环境也日益复杂，因此还要从更多的方面研究材料的力学性能，如研究蠕变性能，断裂韧性以及冲击载荷下材料的力学性能。

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