金属材料的力学性能及塑性变形特性

金属材料的力学性能是多数机械设备或工具设计与制造的重要参数。金属材料在进行各种加工以及制成零件或工具后的使用过程中，都要受到各种外力的作用。金属材料所受的外力称为载荷，根据载荷对金属材料作用的方式、速度、持续性等可将载荷分为:①静载荷，大小不变或变化过程缓慢的载荷；②冲击载荷，突然增加的载荷；③交变载荷，大小和方向随时间而周期性变化的载荷。

金属材料在外力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力－应变关系的性能称为力学性能，材料的力学性能主要是指强度、刚度、塑性、韧性、硬度等。

1.强度

强度是指材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。根据外力的作用方式，有多种强度指标，如抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。其中以拉伸实验所得强度指标的应用最为广泛。它是把一定尺寸和形状的金属试样(见图1－2)装夹在实验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止，根据试样在拉伸过程中承受的载荷和产生的变形量之间的关系，可测出该金属的拉伸曲线(见图1－3)。在拉伸曲线上可以确定以下性能指标。

图1－2　拉伸试验

图1－3　拉伸曲线

(1)拉伸试验。金属的强度、塑性一般可通过金属拉伸试验来测定。GB/T 228—2002规定了拉伸试验的方法和制作标准。在试验时，金属材料制作成一定的尺寸和形状[见图1－2(a)]，将拉伸试样装夹在拉伸试验机上，对试样施加拉力，在拉力不断增加的过程中，观察试样的变化，直至把试样拉断。根据试样在拉伸过程中承受的载荷与产生的变形量(这里指试样伸长量)之间的关系，可绘出该金属的力－伸长量之间的曲线，并由此表征该金属的强度及塑性。

(2)应力－应变曲线(σ－ε曲线)。无论是何种材料，在载荷的作用下，都要产生一些变化，称之为变形。最明显的是，一根橡皮筋受拉变长，去除拉力后又恢复了原样；但若是一根铁丝，可以很容易将其弯曲，但卸载后，弯曲形状还会保持。能恢复的变形称为弹性变形，不能恢复的变形称为塑性变形。显然，不同材料，发生弹性变形、塑性变形的难易程度不同。载荷与绝对变形的关系可用来评价材料的变形能力，但其中含有尺寸因素的影响。工程上，常用应力与应变间的关系来衡量材料的变形能力。

①应力。应力指试样单位面积上承受的载荷。这里用承受的载荷F除以试样的原始横截面积S0表示，单位常用Pa或MPa。

式中，F——试样所承受的载荷，N；

S0——试样的原始横截面积，mm2。

②应变。应变指试样单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量Δl除以试样的原始标距l0表示。即

式中，Δl——试样标距长度的伸长量，mm；

l0——试样的原始标距长度，mm。

不同材料的拉伸曲线形状有很大差别。如低碳钢等材料，在断裂前有明显塑性变形的断裂称为韧性断裂；而灰铸铁、淬火高碳钢等材料，在断裂前塑性变形量很小，甚至不发生塑性变形的断裂称为脆性断裂。

(3)强度指标。金属材料的强度指标根据其变形特点可分为以下几个:

①弹性极限σe。弹性极限σe指材料开始产生塑性变形时所承受的最大应力值，即

式中，Fe——材料开始产生塑性变形时所承受的最大载荷，N；

S0——试样的原始横截面积，mm2。

②屈服点σs和屈服强度σ0.2。材料产生屈服时的最低应力值称为屈服点，以σs表示，单位为MPa。即

式中，Fs——金属开始发生明显塑性变形时的最小载荷，N；

S0——试样的原始横截面积，mm2。

它表示材料产生明显塑性变形时的抗力。

当载荷(应力)增加到Fs(σs)时，拉伸曲线(应力－应变曲线)在s点后出现近于水平阶段，表现载荷不变时，试样仍显继续伸长，这种现象称为屈服。屈服现象之后，试样又随载荷的增加而增长，产生比较均匀的塑性变形，称为均匀塑性变形；由于较大的塑性变形伴随着形变强化现象，又称之为强化阶段。

有些材料(如高碳钢、铸铁)在进行拉伸试验时没有明显的屈服现象，通常规定试样产生0.2%残余应变时的应力值为该材料的条件屈服强度，以σ0.2表示，单位为MPa，又称为屈服强度。

屈服点(屈服强度)是工程技术最重要的力学性能指标之一。一般机械零件或工程构件在使用中不允许产生过量的塑性变形，因而在设计和选材时常以σs为依据。

许用应力(其中n为安全系数)。

屈服强度σ0.2为试样标距部分产生0.2%残余伸长时的应力值，即

式中，F0.2——金属开始发生0.2%残余伸长时的载荷，N；

S0——试样的原始横截面积，mm2。

③抗拉强度σb。抗拉强度σb也叫强度极限，指金属材料在拉伸时所能承受的最大应力值，即

式中，Fb——金属材料在拉伸时所能承受的最大载荷，N；

S0——试样的原始横截面积，mm2。

它表示材料对最大均匀变形的抗力。根据变形情况可知，σb是材料发生最大均匀变形的抗力。是材料在拉伸条件下所能承受的最大载荷的应力值。这个值是设计和选材的主要依据之一，也是材料主要力学性能指标之一，对于没有塑性变形的材料尤为重要。

2.刚度

刚度是指材料在受力时抵抗弹性变形的能力，它表征了材料弹性变形的难易程度。材料的刚度通常用弹性模量E来衡量。

材料在弹性范围内，应力与应变ε的关系服从胡克定律:σ＝Eε。ε(或γ)为应变，即单位长度的变形量，

弹性模量E＝σ/ε，由图1－3可以看出，弹性模量是拉伸曲线上的斜率，即tanα＝E，斜率越大，弹性模量越大，弹性变形越不容易进行。因此E、G是表示材料抵抗弹性变形能力衡量材料“刚度”的指标。弹性模量越大，材料的刚度越大，即具有特定外形尺寸的零件或构件保持其原有形状与尺寸的能力也越大。

弹性模量的大小主要取决于金属键，与显微组织的关系不大。合金化、热处理、冷变形等对它的影响很小。生产中一般不考虑也不检验它的大小，基体金属一经确定，其弹性模量就基本上定了。在材料不变的情况下，只有改变零件的截面尺寸或结构，才能改变它的刚度。

在设计机械零件时，要求刚度大的零件，应选用具有高弹性模量的材料。钢铁材料的弹性模量较大，所以对要求刚度大的零件，通常选用钢铁材料。例如镗床的镗杆应有足够的刚度，如果刚度不足，当进给量大时，镗杆的弹性变形就会大，镗出的孔就会偏小，因而影响加工精度。

要求在弹性范围内对能量有很大吸收能力的零件(如仪表弹簧)，一般使用软弹簧材料铍青铜、磷青铜制造，应具有极高的弹性极限和低的弹性模量。

3.塑性

金属材料在拉伸断裂前发生塑性变形的能力称为塑性。塑性指标主要是断后伸长率δ和断面收缩率ψ。

(1)断后伸长率δ。断后伸长率δ是指试样拉断后标距的伸长量Δl与原始标距l0的百分比，即

式中，l1——试样拉断后的标距，mm；

l0——试样的原始标距，mm。

试样的标距长度对金属材料的断后伸长率δ是有影响的。试样分长、短两种，长试样是指标距长度为直径的10倍的试样；短试样是指标距长度为直径的5倍的试样。它们测得的结果分别用δ10和δ5表示，并且δ10<δ5。习惯上δ10也常写成δ。

(2)断面收缩率ψ。断面收缩率ψ是指试样拉断后横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比，即

式中，S1——试样拉断后断裂处的最小横截面积，mm2；

S0——试样的原始横截面积，mm2。

金属材料的断后伸长率δ和断面收缩率ψ越大，说明该材料的塑性变形量越大，即塑性越好。金属材料的塑性是决定其能否进行塑性加工的必要条件，塑性好的金属材料在使用中偶尔受载荷过大，可以通过产生塑性变形来避免突然断裂，在一定程度上保证了机械零件的工作安全，增加了安全可靠性。铸铁的塑性几乎为零，所以不能进行塑性加工。

(3)塑性的意义。δ和ψ的数值越大，表明材料的塑性越好。塑性良好的金属可进行各种塑性加工，同时使用安全性也较好。

δ<5%　属脆性材料(www.xing528.com)

δ≈5%～10%属韧性材料

δ>10%属塑性材料

4.韧性

金属在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性。金属的韧性通常随加载速度的提高、温度的降低、应力集中程度的加剧而减小。目前常用冲击实验(一次摆锤冲击实验)来测定金属材料的韧性，它利用的是能量守恒原理:试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前、后的势能差。

冲击实验:将待测的金属材料加工成标准试样，然后放在试验机的支座上，放置时标准试样缺口应背向摆锤的冲击方向，如图1－4所示。再将具有一定质量G的摆锤升至一定的高度H1[见图1－4(b)]，使其获得一定的初始势能(GH1)，然后使摆锤落下，将标准试样冲断。摆锤剩余势能为GH2。

图1－4　冲击实验示意图

试样被冲断时所吸收的能量即摆锤冲击试样所做的功，称为冲击吸收功，即

式中，A

K——冲击吸收功，J；

GH1——摆锤初始势能，J；

GH2——摆锤剩余势能，J；

G——摆锤重量，N；

H1——摆锤初始高度，m；

H2——冲断标准试样后，摆锤回升高度，m。

冲击韧度是指冲击标准试样缺口处单位横截面面积上的冲击吸收功，其计算公式为

式中，αK——冲击韧度，J/cm2；

AK——冲击吸收功，J；

S0——标准试样缺口处横截面面积，cm2。

冲击韧度越大，表示材料的韧性越好。实践表明，承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而破坏，绝大多数是在一次冲击不足以使零件破坏的小能量多次冲击作用下而破坏的，如凿岩机风镐上的活塞、冲模的冲头等。它们的破坏是由于多次冲击损伤的积累导致裂纹的产生与扩展，根本不同于一次冲击的破坏过程。对于这样的零件，用冲击韧度来设计显然是不切合实际的。研究结果表明，材料的多次冲击抗力取决于材料的强度和塑性的综合性能。冲击能量小时，材料的多次冲击抗力主要取决于材料的强度；冲击能量大时，则主要取决于材料的塑性。

5.硬度

硬度是衡量金属软硬程度的一种性能指标，是指金属抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。

硬度试验和拉伸试验都是在静态力下测定材料力学性能的方法。硬度试验由于其基本上不损伤试样，简便迅速，不需要制作专门试样，而且可以直接在工件上进行测试，因而在生产中被广泛应用。拉伸试验虽能准确地测出金属的强度、塑性，但属于破坏性试验，因而在生产中不如硬度试验应用广泛。硬度是一项综合力学性能指标，从金属表面的局部压痕即可反映出材料的强度和塑性，因此在零件图上常常标注各种硬度指标，以作为技术要求。硬度值的高低对机械零件的耐磨性有直接影响，一般情况下钢的硬度值愈高，其耐磨性亦愈高。

硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等，其中压入法的应用最为普遍。压入法是在规定的静态试验力的作用下，将压头压入金属材料表面层，然后根据压痕的面积大小或深度测定其硬度值，这种评定方法称为压痕硬度。在压入法中根据试验力、压头和表示方法的不同，常用的硬度测试方法有布氏硬度(HBW)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC等)和维氏硬度(HV)。

(1)布氏硬度。布氏硬度的试验原理是用一定直径的硬质合金球，以规定的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，去除试验力测量试样表面的压痕直径d，然后根据压痕直径d计算其硬度值，如图1－5所示。布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示。

图1－5　布氏硬度实验原理

目前，金属布氏硬度试验方法执行GB/T 231.1—2002标准，用符号HBW表示。本标准规定的布氏硬度试验范围上限为650HBW。

布氏硬度值可用下式计算:

式中，F——试验力，N；

D——压头的直径，mm；

d——压痕的直径，mm。

式中只有d是变数，因此试验时只要测量出压痕直径d(mm)，就可通过计算或查布氏硬度表得出HBW值。布氏硬度计算值一般都不标出单位，只写明硬度的数值。

由于金属有硬有软，工件有厚有薄，因此在进行布氏硬度试验时，压头直径D(有10mm、5mm、2.5mm和1mm 4种)、试验力和保持时间应根据被测金属种类和厚度正确地进行选择。

布氏硬度的标注方法是，测定的硬度值应标注在硬度符号HBW的前面。除了保持时间为10～15s的试验条件外，在其他条件下测得的硬度值，均应在硬度符号HBW的后面用相应的数字注明压头直径、试验力大小和试验力保持时间。例如:

①150HBW10/1000/30表示:用直径为10mm的硬质合金球，在1000kgf(9.807kN)试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为150。

②500HBW5/750表示:用直径为5mm的硬质合金球，在750kgf(7.355kN)试验力作用下保持10～15s测得的布氏硬度值。一般试验力保持时间为10～15s时都不需标明。

布氏硬度试验的特点是试验时金属表面压痕大，能在较大范围内反映材料的平均硬度，测得的硬度值比较准确，数据重复性强。但由于其压痕大，对金属表面的损伤也较大，因此不宜测定太小或太薄的试样。

图1－6　洛氏硬度实验原理

(2)洛氏硬度。洛氏硬度的试验原理是以锥角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球压入试样表面，如图1－6所示。试验时，先加初试验力，然后加主试验力，压入试样表面之后，去除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样残余压痕深度增量来衡量金属试样的硬度大小。

在图1－6中，0—0位置为金刚石压头还没有与金属试样接触时的原始位置。当加上初试验力F0后，压头压入试样中，深度为h0，处于1—1位置。再加主试验力F1，使压头又压入试样的深度为h1，处于图中2—2位置。然后去除主试验力，保持初试验力，压头因金属的弹性恢复，在图中处于3—3位置。图中所示e值，称为残余压痕深度增量，对于洛氏硬度试验其单位为0.002mm。标尺刻度满量程k值与e值之差，称为洛氏硬度值。根据压头和试验力的不同，洛氏硬度常用A、B、C三种标尺。洛氏硬度的计算式为

式中，压痕深度的单位为mm。

对于用金刚石圆锥压头进行的试验，其标尺刻度满量程为100，洛氏硬度值为100－e。

对于用淬火钢球压头进行的试验，其标尺刻度满量程为130，洛氏硬度值为130－e。

洛氏硬度根据试验时选用的压头类型和试验力大小的不同分别采用不同的标尺进行标注。根据GB/T 230—1991规定，硬度数值写在符号HR的前面，HR后面写使用的标尺，如50HRC表示用“C”标尺测定的洛氏硬度值为50。

洛氏硬度试验是生产中广泛应用的一种硬度试验。其特点是:硬度试验压痕小，对试样表面损伤小，常用来直接检验成品或半成品的硬度；试验操作简便，可以直接从试验机上显示出硬度值，省去了烦琐的测量、计算和查表等工作。但是，由于压痕小，硬度值的准确性不如布氏硬度，因此在测试洛氏硬度时通常都选取不同位置的3点测出硬度值，再计算平均值作为被测金属的硬度值。

(3)维氏硬度。布氏硬度试验不适合测定硬度较高的金属。洛氏硬度试验虽可用来测定各种金属的硬度，但由于采用了不同的压头、总试验力和标尺，其硬度值之间彼此没有联系，因此不能直接换算。为了从软到硬对各种金属进行连续一致的硬度标定，人们制定了维氏硬度试验法。

图1－7　维氏硬度实验原理

维氏硬度的测定原理与布氏硬度基本相似，如图1－7所示，将夹角为136°的正四棱锥体金刚石作为压头，试验时在规定的试验力(49.03～980.7N)作用下，压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，则试样表面上压出一个正四棱锥形的压痕，测量压痕两对角线的平均长度，计算硬度值。维氏硬度值是用正四棱锥形压痕单位表面积上承受的平均压力表示的，用符号HV表示。维氏硬度的计算式为

式中，F——试验力，N；

d——压痕两条对角线长度的算术平均值，mm。

试验时，用测微计测出压痕的对角线长度，算出两对角线长度的平均值后，经计算或查表就可得出维氏硬度值。

维氏硬度的测量范围在5～1000HV。标注方法与布氏硬度相同，硬度数值写在符号HV的前面，试验条件写在符号HV的后面。对于钢及铸铁，当试验力保持时间为10～15s时，可以不标出。例如:

①640HV30表示:用30kgf(294.2N)试验力保持10～15s测定的维氏硬度值为640。

②640HV30/20表示:用30kgf(294.2N)试验力保持20s测定的维氏硬度为640。

维氏硬度适用范围宽，从软的材料到硬的材料都可以测量。此方法尤其适用于零件表面层硬度的测量，如化学热处理的渗层硬度测量，其测量结果精确可靠。但测取维氏硬度值时需要测量对角线长度，然后查表或计算，而且试样表面的质量要求高，因而测量效率较低，没有测试洛氏硬度方便，不适用于大批测试，也不适合测量组织不均匀的材料(如灰铸铁)。