金属材料的力学性能是其在实际应用中表现的关键指标,主要通过标准化的力学试验方法来测定。以下是主要的力学试验方法及对应的性能指标:
1. 拉伸试验 (Tensile Test)
目的:测定材料在单向拉伸载荷下的强度与塑性。
关键步骤:
制备标准试样(如哑铃形)。
在万能试验机上匀速拉伸至断裂。
输出曲线:应力-应变曲线(σ-ε曲线)。
核心性能指标:
弹性模量 (E):应力-应变曲线直线段的斜率,表征材料刚度。
屈服强度 (σ_y):材料开始发生明显塑性变形的应力(通常取0.2%残余应变对应的应力)。
抗拉强度 (σ_u):材料能承受的最大应力(曲线最高点)。
断后伸长率 (δ):`(L_f - L_0)/L_0 × 100%`,表征塑性变形能力。
断面收缩率 (ψ):`(A_0 - A_f)/A_0 × 100%`,反映材料局部塑性。
2. 硬度试验 (Hardness Test)
目的:快速评估材料表面抵抗局部塑性变形(压入)的能力。
常用方法:
布氏硬度 (HB):用硬质球压头,适合较软材料(如退火钢、铝)。
洛氏硬度 (HRC/HRB):金刚石圆锥或钢球压头,分标尺(如HRC用于淬火钢)。
维氏硬度 (HV):金刚石正四棱锥压头,适用于薄层或微小区域。
特点:无损、快速,硬度值与强度存在近似换算关系(如σ_b ≈ 3.5×HB)。
3. 冲击试验 (Impact Test)
目的:评估材料在高速冲击载荷下的韧性(抗脆断能力)。
常用方法:
夏比冲击试验 (Charpy V-notch):标准带缺口试样,摆锤冲击断裂。
关键指标:冲击吸收功 (KV? 或 KU?,单位J),反映材料在低温或应力集中下的韧性。
应用:低温设备、船舶、桥梁等需防脆断的结构。
4. 疲劳试验 (Fatigue Test)
目的:测定材料在循环应力作用下的耐久极限。
方法:对试样施加交变应力(如旋转弯曲疲劳),记录断裂周期数。
输出曲线:S-N曲线(应力幅-寿命曲线)。
关键指标:疲劳极限(σ_D)——材料承受无限次循环(通常10?次)而不破坏的最大应力。
5. 蠕变试验 (Creep Test)
目的:评估材料在高温和恒定应力下的长期变形行为。
方法:高温环境下施加恒定载荷,记录应变随时间变化。
关键指标:
蠕变极限:特定温度下,规定时间内产生一定蠕变量的最大应力。
持久强度:特定温度下,达到规定断裂时间所需的应力。