常规力学性能试验：金属材料的指标分析

表示金属材料的各项力学性能的数据是通过在专门的试验机上试验和测定而获得的。常规力学性能试验的种类主要有拉伸试验、冲击试验和硬度试验等。

1.拉伸试验 拉伸试验可以测得金属材料的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率等。我国颁布了GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》标准，该标准对金属材料的拉伸试验方法的原理、符号、试样及其尺寸测量、试验设备、试验要求、性能测定、测定结果数值修约和试验报告等内容进行了说明和定义。

图2-4 钢的标准拉伸试样

a）拉伸前 b）拉伸后

拉伸试验是在拉伸试验机上进行的，拉伸试样最重要的两个尺寸是：试样的原始横截面积（用A₀表示）和试样的原始标距（用L₀表示）。试样原始横截面可以为圆形、矩形、多边形、环形，特殊情况下可以为某些其他形状。常用的拉伸试样是圆形断面的，如图2-4所示，当选用圆形断面试样时，可以用试样的原始直径d₀来表示。原始标距与原始横截面积有关系的试样称为比例试样。国际上使用的比例系数k的值为5.65。原始标距应不小于15mm。当试样横截面积太小，以致采用比例系数k为5.65的值不能符合这一最小标距要求时，可以采用较高的值（优先采用11.3的值）或采用非比例试样。

（1）抗拉强度 指试样拉断前承受的最大标称力对应的应力，其表示符号为R_m^[1]（原标准表示符号为σ_b），计算公式如下：

式中 R_m——抗拉强度（MPa^[2]）；

F_m——试样拉断前所能抵抗的最大力（N）；

A₀——试样的原始横截面积（mm²）；

（2）屈服强度和规定非比例延伸强度（条件屈服强度） 材料承受载荷时，当载荷不再增加而仍继续发生塑性变形的现象叫“屈服”。当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形而力不增加的应力称为屈服强度，其表示符号为R_e（原标准表示符号为σ_s）。许多金属材料在拉伸时，没有明显的屈服现象，通常采用规定非比例延伸强度，其表示符号为R_p。它为非比例延伸率等于规定引伸标距百分率的应力。例如，R_p0.2规定非比例延伸率为0.2%时的应力（原标准表示符号为σ_0.2）。

屈服强度又分上屈服强度和下屈服强度。试样发生屈服而力首次下降前的最高应力为上屈服强度，其表示符号为R_eh；在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力为下屈服强度，其表示符号为R_eL，材料的屈服强度一般指下屈服强度。计算公式如下：

式中 R_eL——屈服强度，也就是不计初始瞬时效应时的最低应力（MPa），

F_eL——屈服期间，试样不计初始瞬时效应时的最低力（N），

A₀——试样的原始横截面积（mm²）。(www.xing528.com)

（3）断后伸长率 指试样断后标距的残余伸长与原始标距的百分比，其表示符号为A（原标准表示符号为δ），其计算公式如下：

式中 A——断后伸长率（%）；

L₀——试样的原始标距（mm）；

L_u——试样拉断后的标距（mm）。

（4）断面收缩率 拉伸试验时，试样拉断后，试样原始横截面与断后最小横截面之差除以原始横截面的百分比，其表示符号为Z（原标准表示符号为ψ），计算公式如下：

式中 Z——断面收缩率（%）；

A₀——试样的原始横截面积（mm²）；

A_u——试样拉断后，颈缩处的最小横截面积（mm²）。

断后伸长率和断面收缩率是评定材料塑性好坏的主要指标，其百分率越大，则表示材料的塑性越好。

2.冲击试验 按照GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》要求进行冲击试验。我国目前常用的冲击试样是夏比V形缺口或U形缺口试样，由于试样尺寸国际通用，因此也以冲击吸收功（A_K）的数值作为材料韧性的指标，其代表符号分别是A_kv、A_ku，冲击吸收功的单位为焦耳（J）。冲击韧度（a_K）的代表符号是a_kv或a_ku，单位为J/cm²。金属材料的冲击韧性（冲击韧度值和冲击吸收功值）与冲击试验温度有关，随着试验温度降低，冲击吸收功减小。降低到一定温度时，冲击吸收功显著减小，冲击试验断口呈脆性状态断裂，该温度称为“脆性临界转变温度”。

3.弯曲试验 把金属材料或焊接接头试样绕一定直径的轴（压头）进行弯曲，以检验材料的塑性和表面质量的试验，称做弯曲试验。弯曲试验时，轴的直径通常为弯曲试样厚度的2倍、3倍和4倍。在室温下进行的弯曲试验叫做冷弯试验。弯曲试验时把弯曲的角度叫做弯曲角，角度的计量单位是度。

4.硬度试验 硬度试验可采用不同的方法在不同的仪器上进行。测定硬度常用的仪器为布氏硬度计。在布氏硬度计上测定材料硬度的原理是，用一定外力将一定大小的钢珠压在被试金属磨光的表面上，除去外力和钢珠后，在金属表面留下钢珠的印痕，然后根据印痕直径大小来测定金属的硬度值，这种硬度称为布氏硬度，布氏硬度的代表符号是HBW。金属越硬，印痕的直径越小，换算出的布氏硬度值（HBW）越大。

除布氏硬度外，还有洛氏硬度（HRA，HRB及HRC）及维氏硬度（HV）等。