3. 金属材料的力学性能

金属材料的力学性能

学习内容:

常用力学性能的定义、测定原理与方法、影响金属材料拉伸试验结果的因素等。知识目标

:

1、熟悉力学性能的基本概念；

2、准确理解静拉伸曲线；

3、影响金属材料拉伸试验结果的因素。第一节拉伸试验基本知识1.金属拉伸实验的目的和意义金属材料受力后会表现出各种不同的行为，呈现出与弹性非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的力学特性。金属力学性能正是材料承受外载荷而不发生失效的能力。力学性能的判据是表征和判定金属力学性能所用的指标和依据，而其高低表征材料抵抗外力作用的能力水平。拉伸试验是金属力学试验中最基本的试验，是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。拉伸试验评定的拉伸力学性能是材料的基本力学性能，是评定金属材料质量的重要依据。通过拉伸试验可以评定金属材料弹性性能、强度性能、延性性能等方面的多种性能。为金属材料质量检验、研制和开发新材料、改进材料质量、最大限度地发挥材料潜力、迸行金属制件的失效分析、确定金属制件的合理设计、制造、安全使用和维护提供手段，也为选材和质量控制提供重要手段。2.拉伸试验的应用领域拉伸试验具有广泛的应用领域，几乎涵盖了所有涉及材料力学性能的行业和研究领域，包括但不限于：制造业：用于质量控制和维护，确保材料性能稳定，产品质量达标。航空航天：高性能材料的选型和验证，确保飞行器在极端条件下依然安全可靠。建筑工程：评估钢筋、钢结构等建筑材料的力学性能，保障建筑安全。医学工程：用于开发和验证新型生物材料，如人造关节、骨板等。

GB228.1《金属材料拉伸试验方法第1部分：室温试验方法》国家标准对拉伸试验原理叙述为:试验系用拉力拉伸试样，一般拉至断裂，测定一项或多项力学性能。ASTME8/E8M《金属材料拉伸试验方法》：拉伸试验是为了提供在单轴拉伸应力下材料的强度和延性数据。此数据对于材料对比、合金研制、质量控制及在某些环境中的设计可能是有用的。拉伸力学性能可分为弹性性能，强度性能和塑性性能等三类。弹性性能包括弹性模量(拉伸杨氏模量)和泊松比等；强度性能包括屈服强度、上和下屈服强度、规定残余延伸强度、规定残余总伸长强度、规定塑性延伸强度、抗拉强度和断裂强度等；

延性性能包括屈服点伸长率、最大力下的总伸长率和非比例伸长率，断后伸长率，断面收缩率，硬化指数，塑性应变比等。弹性性能多为弹性特征常数；强度性能实质为拉伸曲线图上各不同阶段的特征应力；延性性能实质上为拉伸曲线图上各不同阶段的特征应变或变形极限。例如屈服点伸长率就是屈服阶段开始和结束之间应变的量，而断面收缩率即为缩颈变形的极限。3.拉伸试验的原理第一节拉伸试验基本知识第二节术语与定义

GB/T24182-2009金属力学性能试验出版标准中符号和定义

GB/T10623-2008金属材料力学性能试验术语

GB/T228.1-2021金属材料拉伸试验第1部分：室温拉伸试验方法

第二节术语与定义

GB/T24182-2009金属力学性能试验出版标准中符号和定义

GB/T10623-2008金属材料力学性能试验术语

GB/T228.1-2021金属材料拉伸试验第1部分：室温拉伸试验方法

第二节术语与定义

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GB/T228.1-2021金属材料拉伸试验第1部分：室温拉伸试验方法

第二节术语与定义

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GB/T228.1-2021金属材料拉伸试验第1部分：室温拉伸试验方法第三节拉伸试验1.拉伸试样GB/T228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法比例试样：ASTM370钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义ASTME8/E8M金属材料拉伸试验方法ASTME8/E8M金属材料拉伸试验方法第三节拉伸试验2.拉伸试验机清零GB/T228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法ASTME8/E8M金属材料拉伸试验方法3.拉伸过程金属拉伸试验_哔哩哔哩_bilibili第三节拉伸试验金属材料拉伸过程中的四个阶段：试验最终得到的拉伸曲线，实际上是载荷－伸长曲线，在这个曲线中有四个阶段：

弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段。第三节拉伸试验金属材料拉伸过程中的四个阶段：试验最终得到的拉伸曲线，实际上是载荷－伸长曲线，在这个曲线中有四个阶段：

弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段。1）弹性阶段:随着荷载的增加，应变随应力成正比增加。如卸去荷载，试件将恢复原状，表现为弹性变形，此阶段内可以测定材料的弹性模量E。2）屈服阶段:普碳钢：超过弹性阶段后，载荷几乎不变，只是在某一小范围内上下波动，试样的伸长量急剧地增加，这种现象称为屈服。如果略去这种荷载读数的微小波动不计，这一阶段在拉伸图上可用水平线段来表示。塑性变形是突然开始且载荷数会突然下降，如果全部卸除荷载试样将不会恢复原长表现为永久形变。而对于铝合金来说，弹性区域的结束点并非伴随着载荷的突然下降或其他明显的变化从弹性阶段到塑性阶段是一条平滑渐变的曲线。3）强化阶段：试样经过屈服阶段后，曲线呈现上升趋势，由于材料在塑性变形过程中不断强化，材料的抗变形能力有增强了，这种现象称为应变硬化。若在此阶段卸载载荷到零时，变形并未完全消失，应力减小至零时残留的应变称为塑性应变或残余应变。4）颈缩阶段和断裂阶段，试样伸长到一定程度后，荷载读数反而逐渐降低。第三节拉伸试验4.拉伸特征4.拉伸特征第三节拉伸试验4.拉伸特征第三节拉伸试验5.不同材料应力应变曲线第三节拉伸试验退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢5.不同材料应力应变曲线6.塑性材料和脆性材料力学性能比较第三节拉伸试验力学性能常将断裂分成正断和切断。断裂垂直于最大正应力者叫正断，而沿着最大切应力方向断开的叫切断。上图(a)所示的断口即为正断；图(e)所示的断口即为切断；而图(d)所示的断口，中心部分大致为正断，两侧部分为切断，故为混合型断口。工程上常按断裂前有无明显的塑性变形，将断裂分成脆断和韧断。注意：这两种分类是从不同角度来讨论断裂的，其间并没有什么必然的联系。正断不一定就是脆断，正断也可以有明显的塑性变形。但切断是韧断，反过来韧断就不一定是切断了，所以切断和韧断也并非是同义语。7.拉伸后试样断口形貌7.拉伸后试样断口形貌7.拉伸后试样断口形貌

对拉伸试样的宏观断口观察，可看出多数情况下有三个区域。第一个区域在试样的中心位置，叫做纤维区(如图1-10)，裂纹首先在该区域形成，该区颜色灰暗，表面有较大的起伏，如山脊状，这表明裂纹在该区扩展时伴有较大的塑性变形，裂纹扩展也较慢；第二个区域为放射区，表面较光亮平坦，有较细的放射状条纹，裂纹在该区扩展较快；第三个区域剪切唇，接近试样边缘时应力状态改变了（平面应力状态），最后沿着与拉力轴向成40-50°剪切断裂，表面粗糙发深灰色。

试样塑性的好坏，由这三个区域的比例而定。如放射区较大，则材料的塑性低，因为这个区域是裂纹快速扩展部分，伴随的塑性变形也小。反之对塑性好的材料，必然表现为纤维区和剪切唇占很大比例，甚至中间的放射区可以消失。影响这三个区比例的主要因素是材料强度和试验温度。7.拉伸后试样断口形貌第四节影响金属材料拉伸试验结果的因素

拉伸试验是在对金属材料产品质量进行检测和评定过程中使用的最广泛的实验。但是，有很多因素都可以影响拉伸试验的结果，只有明确了具体的影响因素，才能针对这些影响因素进行具体分析。根据研究分析结果制定实验相关操作规定和试验流程，才能保证实验结果的真实性和性。1.取样及试样制备对实验结果的影响

1.1.取样部位的影响

从金属材料的不同位置取样获得的实验样本，其力学性能往往存在一些差异，例如圆钢40mm其中心处的抗拉强度低于1/4处的抗拉强度，且断后拉伸率也存在差别，可见取样部位对实验结果有着不可忽视的影响。由于金属材料在铸造形成、加工过程中，成分、内部组织结构、冶金缺陷、加工变形分布不均，因此使得同一批，甚至同一产品的不同部位的力学性能出现了差异。因此在取样时应严格按标准进行，以避免实验结果出现偏差造成误判。

1.2.取样方向的影响

取样方向的差异会直接影响金属材料拉伸试验的断后伸长率、屈服强度以及抗拉强度等各项性能指标，尤其是断后伸长率受到的影响更大。若采取横向取样，则依照有关标准，试验之后的断后伸长率则不能够达标。通常垂直于轧制方向，则金属力学性能则可能不达标；平行于轧制方向，则金属力学性能良好。

1.3.试样的形状、尺寸的影响

同一材料同一状态的金属材料，如果截面形状不同，测得的结果对屈服强度中的上屈服强度ReH影响大，对下屈服强度ReH影响小。矩形试样的工作长度部分的对称度，圆形试件的工作部分轴线与夹头部分的轴线不同心，都会在拉伸时产生偏心力，产生附加弯曲应力，使强度和伸长率均降低。

试样的尺寸的大小对试验结果的影响是，同一材料同一状态的金属材料试样，大横截面积（大尺寸）的试样的抗拉强度较小尺寸的低，而且塑性指标也下降。1.4.试样制备方法的影响

切取样坯时必须防止因受热、加工硬化及变形而影响其力学性能。切取样坯时应留有足够的机加工余量，一般应不少于钢材直径和厚度，但zui小不少于20mm，这样机加工试样时，可以把受热或冷加工硬化的部分完全去除掉，以免影响性能的测定。从样坯机加工成试样，一般通过车、铣、刨、磨等机加工，但车削、切削和磨削的深度和走刀速度及润滑冷却均应适当，以防止发生因受热或冷加工硬化而影响材料的性能。2.实验设备和测试仪器对实验结果的影响2.1.试验设备

试验机与引伸计是金属材料拉伸试验中常用的两种试验设备。其中，前者主要用来向试件施加作用力，同时测量作用力数值；后者主要用来进行位移或者延伸的测定。以上两种试验设备将会直接影响试验结果数值的准确信和真实性。所以，试验时必须要确保试验机与引伸计在检定合格的有效期之内。另外需要注意的是，如果试样加偏、加歪、试样弯曲、不平直等都是引起受力不同轴的因素，进而影响测量结果。2.2.测量仪器方面

尺寸测量仪和量具是在金属材料拉伸试验过程当中最为常用的测量仪器，要求这些测量仪器的精度必须符合试验要求。其中，对测量准确度影响最大的因素主要是量具分辨力;除此之外，测量时的压力值、量具砧面污染以及量具零点等因素也会试验时的数量测量精度产生影响。所以，在进行试验之前，必须要对各种测量仪器进行校验，测量时首先进行“零点”校准，同时保持量具的清洁干净。3.夹持方法对实验结果的影响

拉伸试验检测中夹持方法非常重要，如果试样夹不住，试验则无法进行；如果加持方法不合理，则会实验结果出现较大误差。在进行拉伸试验时，常出现试样常因应力集中而断在加持部分或标距外的过渡区，导致实验失败的现象。试验机的加载轴线应与试样的几何中心一致，如果不一致，会造成偏心加载而产生弯曲。一般不允许对试样施加偏心力，因为力的偏心容易使试验力与试样轴线产生明显偏移；拉伸夹具选用不当会使试样产生附加弯曲应力，从而使结果产生误差，同时拉伸夹具选用不当也极易引起拉伸试样打滑或断在钳口内，导致实验数据不准确或实验数据偏低。总之，加载系统、试样几何形状尺寸以及非均质试样都可能引起偏心加载，要尽量减少这些偏心效应。

4.试验环境温度对实验结果的影响

即使是普通的金属材料，实验环境的温度不同实验结果也不尽相同，尤其是一些温度敏感性较高的金属材料，受温度的影响更为明显。通常情况下，温度越高，则金属材料的强度性能指标则越低，同时塑性性能指标越高。所以，如果金属材料对温度敏感，则需要利用温度系数进行修正。对于常规试验而言，试验时的环境温度应该控制在10℃～35℃之间。在该环境温度下，如果采用高精度传感器或者金属材料特殊，则需要认真考虑温度因素，如果需要，则应该进行必要的修正。5.人为因素对实验结果的影响

在拉伸试验中试样的横截面积非常关键，但是在一些产品的标准说明上会明确规定其拉伸的试验横截面积，并且要按照名义尺寸的横截面积规定要求。在产品的标准当中如果没有特殊的规定，就必须要遵循国家标准要求，对其实际尺寸进行测量。但是如果都是按照名义的尺寸去计算其横截面积，所测试的得出的结果则会受到一定的影响，甚至把合格强度的测为不合格的，存在把不合格测定为合格的情况。6.拉伸速度对实验结果的影响拉伸速率对材料强度及塑性根据材料种类不同,影响也不同，且对拉伸的曲线形貌亦有影响。拉伸试验弹性阶段的变形量小，而拉伸速度的增加，易造成整个弹性阶段很快被冲过，导致屈服测量不准确，或屈服结果偏高的结果。在实际测试中，金属材料拉伸速率增加，金属材料的屈服强度和抗拉强度的测试结果均会相应的增加，断后伸长率会相应的减小。而测量奥氏体不锈钢这类对拉伸速率极为敏感的不锈钢材料时，速率的影响将会尤为明显，速率降低会显著增加断后伸长率数值影响金属材料拉伸测试性能结果的因素有很多，拉伸速率、样品加工、测试设备、引伸计、夹具、环境温度及人员等均会对测试结果造成影响。针对影响因素，我们在实际检测活动中，应制定正确的测试设备操作规定，严格控制测试活动过程，对于影响测试结果的环节严加把关，并制定符合标准：GB/T228.1及相应的美标、欧标、日标等要求的指导文件进行规范，以获得准确、可靠的测试数据。一、拉伸试验优点反映材料基本属性：拉伸试验能够反映材料在弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段中的基本力学性能，包括屈服强度、抗拉强度、弹性模量、伸长率和断面收缩率等关键指标。这些指标是材料固有的基本属性，对于理解、研究、分析和推断材料的其他力学性能具有重要意义。简单快速可靠：拉伸试验方法相对简单，试验设备和记录装置已发展得很完善。试验过程能够快速得出结果，且由于拉伸试验是测定材料在一定体积内的平均力学应力，所以数据较为稳定、可靠。只要保证试验机及测量工具的精度，拉伸数据通常比其他性能（如冲击、疲劳和断裂性能）数据更为稳定可靠。应用广泛：拉伸试验广泛应用于金属材料、聚合物材料以及复合材料等多种材料的力学性能测试中。无论是制造业、航空航天、建筑工程还是医学工程等领域，拉伸试验都扮演着不可或缺的角色。标准规范：拉伸试验遵循严格的标准与规范，如GB/T228系列标准，这些标准确保了试验结果的可靠性和可比性。第五节拉伸试验优缺点二、缺点1.设备应变速率限制：常规拉伸设备的应变速率范围有限,无法模拟材料在高速变形条件下的行为。这限制了拉伸试验在某些特定应用场景下的适用性。2.试样缩颈现象：在拉伸试验过程中，试样容易出现缩颈现象。缩颈发生后，试样各部分变形不均匀性显著，平均等效应变速率出现异常升高、流变应力值发生异常变化，从而难以精确评价应变及流变速率对流变应力、组织性能的影响。3.对试样有一定破坏性：拉伸试验