材料的力學性能及試驗測定

曲勁松，李 麗，張 旭

(東北輕合金有限責任公司，哈爾濱 150060)

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材料的力學性能及試驗測定

曲勁松，李 麗，張 旭

(東北輕合金有限責任公司，哈爾濱 150060)

材料的力學性能是指材料抵抗各種外加載荷的能力，包括:彈性和剛度、強度、塑性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度及疲勞強度等。通過介紹金屬材料和非金屬材料的基本力學性能及測定方法，用作設計和選材的依據(jù)。

金屬材料；高分子材料；復合材料；力學性能；檢測

1 材料的力學性能

材料的力學性能通過材料的強度、剛度、硬度、塑性、韌性等方面反映。力學性能指標包括屈服強度、抗拉強度、延伸率、截面收縮率、沖擊韌性、疲勞極限、斷裂韌性等。這些力學性能指標可通過拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等試驗測定。

2 金屬材料的基本力學性能及測定方法

2.1 應力-應變曲線

根據(jù)材料變形特點，可以將金屬分為塑性材料和脆性材料兩類。圖1的兩個曲線分別為低碳鋼和鑄鐵的應力-應變曲線?？梢钥闯?，兩種材料的拉伸過程差別很大。從圖1(a)所示的應力-應變曲線可以看出，低碳鋼的拉伸過程明顯分為四個階段：彈性階段(OA)：試樣的變形是彈性的，其應力與應變成直線比例關系。屈服階段(AB)：在試樣繼續(xù)變形的情況下，載荷卻不再增加，或呈下降，甚至反復多次下降，使曲線變成鋸齒狀。從A點開始，力與變形不再滿足線性關系。強化階段(BC)：過了屈服階段B點，力又開始增加，曲線又開始上升，表明材料要繼續(xù)變形，載荷就必須要不斷增加。頸縮階段(CD)：從C點開始，試樣的變形集中于某局部截面，即塑性變形開始在局部進行，出現(xiàn)所謂的“頸縮”現(xiàn)象，試樣的承載能力迅速下降。最后在D點斷裂，形成杯狀斷口(圖2-bcdef)。

圖1 兩種材料的應力-應變曲線Fig.1 Stress-strain curves for two materials

鑄鐵是典型的脆性材料，如圖1(b)所示，鑄鐵的拉伸過程比較簡單，可近似認為是經(jīng)彈性階段直接過渡到斷裂。其破壞斷口(圖2-a)沿橫截面方向，與加載方向垂直。

大部分金屬是塑性材料，在外力作用下都經(jīng)歷彈性變形、彈塑性變形和斷裂三個過程。有色金屬材料在彈性階段以后沒有明顯的物理屈服現(xiàn)象，其拉伸曲線的形狀(如圖3所示)介于低碳鋼和鑄鐵之間，常常只有兩個或三個階段。

圖2 金屬典型材料拉伸破壞斷口Fig.2 Metal typical material tensile failure fracture

圖3 幾種金屬材料的拉伸曲線Fig.3 The tensile curves of several metallic materials

2.2 力學性能指標

通過拉伸試驗可以確定的金屬力學性能指標有剛度指標、強度指標和塑性指標。

第一，剛度指標-彈性模量。單向拉伸時大多數(shù)材料在彈性范圍內(nèi)服從虎克定律，應力和應變成正比關系，即：

σ=Eε

第二，屈服強度。屈服現(xiàn)象是金屬材料開始塑性變形的標志，而各種機件在服役過程中都是處在彈性變形狀態(tài)，不允許產(chǎn)生微量塑性變形。其測定方法分為兩種情況：一種是有明顯物理屈服現(xiàn)象的材料，如退火低碳鋼，是以屈服平臺的下屈服點作為材料的屈服強度，用σS表示。材料試驗機可以記錄載荷和活動橫梁移動位移的關系曲線，直接在曲線圖上確定屈服強度(如圖1(a)所示)。另一種是沒有屈服平臺的材料，如黃銅和鋁合金，由于沒有明顯的屈服階段，這類材料的屈服強度只能用規(guī)定塑性變形量的方法來測定。工程設計中常以產(chǎn)生0.2% 塑性應變時的應力定義為材料的屈服強度，一般稱作條件屈服強度，用σ0.2來表示。σ0.2通常用圖解法測定，具體方法如圖4所示，在應力-應變曲線的圖紙上過X軸，即應變軸的0.2%的位置作彈性階段直線的平行線，平行線與曲線的交點即為σ0.2。

圖4 σ0.2的測定方法Fig.4 Determination of σ0.2

第三，抗拉強度。拉伸曲線的最高點代表材料的最大承載能力，被稱為材料的抗拉強度，用σb表示。對于形成頸縮的塑性材料，抗拉強度代表產(chǎn)生最大均勻塑性變形的抗力，對于脆性材料和不形成頸縮的塑性材料，其抗拉強度代表斷裂的抗力。

第四，塑性指標。塑性的大小用塑性指標表示，包括斷后伸長率和斷面收縮率。這兩個塑性指標分別從兩個側(cè)面，即從試件長度的變化和試樣截面的變化反映材料的塑性變形程度。斷后伸長率用δ表示，斷面收縮率用ψ表示，定義分別用下列公式表示：

2.3 拉伸試樣要求

金屬材料的拉伸試樣通常有圓截面和矩形截面兩種，圖5為圓截面試樣的示意圖。一般的拉伸試樣由三部分組成，即工作部分、過渡部分和夾持部分。工作部分必須保持光滑均勻，以確保單向應力狀態(tài)。

圖5 金屬拉伸試樣示意圖Fig.5 Schematic diagram of metal tensile specimens

3 非金屬材料的力學性能及測定方法

3.1 高分子材料

高分子材料在力學性能方面，它的高彈性、黏彈性和其力學性能對時間與溫度強烈的依賴關系，是這類材料與金屬材料顯著的差別。拉伸曲線如圖6所示，其拉伸曲線可分為幾個階段。拉伸的最初階段力與變形滿足線性關系，然后進入強迫高彈變形階段直到A點。從A點開始在試樣的某一個截面發(fā)生屈服，截面迅速變小產(chǎn)生頸縮，承載能力下降。達到B點時，此截面的分子鏈沿受力方向被拉伸并定向分布，使頸縮區(qū)強度、剛度增加。此后應力保持一個恒定值，頸縮向兩邊發(fā)展，一直到整個試樣長度，在拉伸曲線上形成水平線直到C點。試樣均勻部分全部頸縮后，整體強度、剛度提高，繼續(xù)變形只有增加外力，形成上升的曲線，直到D點斷裂。A點定義為高分子材料的屈服強度σY。D點定義為材料的抗拉強度σb。如果試樣提前斷裂，即由于試樣的內(nèi)部缺陷在B點和C點之間斷裂，則斷裂點應力值為斷裂強度σ。

圖6 高分子材料拉伸曲線Fig.6 Polymeric material stretching curve

高分子材料拉伸試件一般為矩形截面的板狀試件，試件形狀和尺寸的設計可參考金屬材料，拉伸實驗的加載速度一般為10±5 mm/min。

3.2 復合材料

復合材料是用兩種或兩種以上不同性質(zhì)、不同形態(tài)的材料通過復合工藝而形成的多相材料。圖7是單層復合材料結構示意圖。纖維縱向為1方向，面內(nèi)垂直于纖維方向為2方向，3為法線方向。圖8為坐標定義說明。X代表加載方向，Y代表垂直于加載方向，θ為纖維排列方向(1方向)與加載方向(X)的夾角。平行于纖維方向加載，θ=0°；垂直于纖維方向加載，θ=90°。很明顯，這是典型的各向異性材料。

圖7 單層復合材料結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of the single layer composite structure

圖8 坐標定義Fig.8 Coordinate definition

3.3 力學性能及測定方法

與一般材料不同，復合材料的力學性能與材料中的體積比有關，由于是各向異性材料，各個方向的性能差異很大。當測定一個方向的彈性模量和泊松比時，測試方法同一般材料。僅用一個方向的E和μ不能反映這種材料的彈性特性。對于單層復合材料這類的正交各向異性材料需要至少4個彈性常數(shù)，即E1、E2、μ21和μ12。測試它們需要加工0°方向和90°方向兩種試樣，分別進行拉伸實驗，測定其E和μ。

3.4 試樣要求

復合材料的試樣設計要考慮材料本身的特點，還要根據(jù)試驗測試的要求設定試件長度方向與纖維方向的角度。試樣的基本形式如圖9所示。

圖9 復合材料試樣形式Fig.9 Composite material sample form

復合材料試件一般加工成長條板式試樣。試件的兩端用金屬鋁片或玻璃鋼片作加強片，采用黏結劑黏結，要求試驗過程中加強片不脫落。

4 結語

研究材料在常溫靜加載下的力學性能時，除采用單向靜拉伸試驗方法外，有時還采用壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)等試驗方法，改變加載方式即改變應力狀態(tài)。在不同應力狀態(tài)下，材料會表現(xiàn)出力學性能的差別。此外，很多機件在實際服役中常承受軸向壓力、彎矩或扭矩的作用，有必要測定制造這類機件的材料在這幾種載荷作用下的力學性能指標，用作設計和選材的依據(jù)。此外，加載環(huán)境的改變，比如溫度的變化，加載速度的變化，材料的力學行為都會有相當大的改變。

[1] 朱莉，王運炎.機械工程材料[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

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[4] 喬發(fā)森，周青林.材料局部力學性能測方法[J].機械工程學報，2007，(12)：124-125.

Mechanical properties and test determination of materials

QU Jin-song, LI Li, ZHANG Xu

(Northeast Light Alloy Co., Ltd., Harbin 150060, China)

The mechanical properties of materials refer to the ability of materials to resist various external loads, including elasticity and stiffness, strength, plasticity, hardness, impact toughness, fracture toughness and fatigue strength. The basic mechanical properties and measurement methods of metal materials and non-metallic materials were made for basis of the design and selection.

Metal materials; Polymer materials; Composites; Mechanical properties; Detection

2016-10-14

曲勁松(1970-)，男，技師。

TB301

A

1674-8646(2017)02-0158-03