材料力学性能测试
杨伏良
绪论
金属材料的使用性能包括物理性能、化学性能、 工艺性能和力学性能等，对于工程材料来说其中 最重要的是力学性能。 金属材料在力或能量的作用下会发生变形、断裂 、表面损伤或尺寸改变等现象，致使零件或构件 失效。那么，对于制造零件或构件的金属材料， 就要求具有一定的抵抗外加负荷作用而不致产生 失效的能力。这种能力就称为金属材料的力学性 能，或机械性能。 金属材料的力学性能是指金属在外加载荷(外力或 能量)作用下或载荷与环境因素(温度、介质和加 载速率)联合作用下所表现的行为。 金属材料的力学性能是指金属在力作用下所显示 与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的 性能。
------------------------------（3）
位错总密度随拉伸应变p增加（ 0为塑性变形刚开 始时的总位错密度）
------------------------------（4）
设可动位错密度m为总位错密度的一个分数
------------------------------（5）
F
Fsu Fsl
A C
∆L
2、无明显屈服现象
采用规定微量塑性伸长时的应力表征材料对微量塑性变形的抗力
①规定非比例伸长应力
标距部分非比例伸长达到规定的原始标距百分比时的应力， p0.2, p0.05。
B
F6
5
Y Axis Title
Fp0.2 p0.2=Fp0.2 / A0
4
3
2
1 0 2 4
屈服点：呈屈服现象的材料拉伸时，外力不再增加仍能继续伸长时的应力， s 。 屈服强度：是材料抵抗微量塑性变形的抗力，统一采用s 或0.2 表示。 各种机件服役时一般处于弹性变形状态，材料一旦发生屈服，即意味着材料失效， 发生塑性变形。
1、出现明显的屈服平台
上屈服点：su=Fsu/A0 下屈服点：sl=Fsl/A0 一般用下屈服点sl表征材料的 屈服强度
由于新老位错被钉扎情况不同，f0和f可以数值不同
塑性变形过程中，作用于位错的有效应力比实际外加应力 小（一部分用来克服内应力场），设内应力随应变p线 性增加，则有效内应力为
------------------------------（6） 其中 是加工硬化系数
（6）代入（1），得
------------------------------（7）
的应力集中区，因此，孪生所需的临界切应力要比滑移时大得多。
hcp容易孪生变形，低温易发生孪生变形
孪生特点：
3、多晶体塑性变形特点
①各晶粒塑性变形的不均匀变形
取向，晶界
②各晶粒变形的相互协调性
为保证整体连续性，各晶粒变形相互协调：进行多系滑移，
5个独立滑移系
二、屈服点现象
1、屈服现象的特征
2、屈服现象的本质原因
（5）代入（7），得
------------------------------（8）
式（8）分析：
(1)第一项随应变增加而增加。
(2)第二项随应变增加而降低。 (3)若第二项降低速度比第一项增加速度更快，材料表现 出明显的屈服降落。 (4)影响屈服降落的主要材料参量为原始可动位错密度及 为错速率的应力敏感性指数m.
通常金属受力后优先以滑移的方式进行塑性 变形，当滑移受阻时，塑性变形会以孪生的方式 进行。密排六方因滑移系较少，受力后易发生孪 生。在形变温度极低和形变速度极快时，立方晶 体也会发生孪生。 与滑移一样，孪生也是在切应力作用下沿着特 定的晶面和晶向进行，所不同的是，孪生时局部 区域中的原子发生整体移动而不是像滑移那样只 是位错附近的原子逐一递进。
X Axis Title
∆L
六、颈缩现象
韧性金属在拉伸时变形集中于局部区域的特 殊现象，是应变硬化 +截面减小的共同结果
开始发生颈缩时，应变硬化导致承受拉 力的增加赶不上塑性变形的发展
七、抗拉强度b
拉伸时最大拉力所对应的应力 b=Fb/A0 (A0原始截面积）
B
F
Y Axis Title
6
表征材料静拉伸时能承受的最大载荷。
弹性阶段(应力与应变成正比)直线关系时的最大应力p，即 应力应变曲线开始偏离直线部分的应力。 p=Fp / A0
2、弹性极限
由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。超过弹性极限，开 始发生塑性变形 e=Fe / A0
p、e的实际意义？
对于要求在服役时其应力应变关系严格维持 直线关系的构件，如测力计弹簧，是依靠 变形的应力正比于应变的关系显示载荷大 小的，则选择这类构件的材料应以材料的 比例极限为依据； 若服役条件要求构件不允许产生微量塑性变 形，则应以弹性极限选材
2、孪生
切应力作用下，晶体一部分沿一定晶面和一定晶向，相对于另 一部分作均匀切变
孪生提供的塑性变形很小
（1）孪生是一种均匀切变，即切变区内与孪晶面平行的每一层原子面均相 对于其毗邻晶面沿孪生方向位移了一定的距离，且每一层原子相对于孪生 面的切变量跟它与孪生面的距离成正比。 （2）孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。 （3）原子移动距离不是孪生方向原子间距整数倍。 （3）孪生变形也是在切应力作用下发生的，并通常出现于滑移受阻而引起
3、不同屈服现象解释
（1）Si、Ge等共价晶体，m值很小， 0也很小。因而， 有明显屈服点。（前面所述第二种屈服现象） （2）fcc和hcp纯金属m值很大， f00也很大，因而不具有 明显屈服点。（前面所述第一种屈服现象） （3）
（前面所述第三种屈服现象）
三、屈服点（屈服强度）
屈服是开始产生宏观塑性变形的标志
第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能
第一节 力-伸长曲线和应力-应变曲线
一、拉伸力-绝对伸长曲线 （退火低碳钢） 1、弹性变形阶段：e以下 F
Fe Fp
2、A-C：屈服阶段，不均 匀屈服塑性变形
3、C-B：均匀塑性变形阶 段 4、B-k：颈缩阶段(不均匀 集中塑性变形阶段）
e A C p
B k
第三节
一、塑性变形及特点
塑性变形
特点：不可逆；随着外力增加其塑性变形量增加；当达 到断裂时，塑性变形量达到最大值。
通常用断裂时塑性变形极限值的相对量，即最大相对塑 性变形量来表示材料的塑性变形能力，即塑性。拉伸试 样的塑性指标有伸长率(延伸率)或断面收缩率。 伸长率(延伸率)：是试样拉断后标距长度的相对值，等 于标距的绝对伸长 除以试样原始长度(L0)， 用百分数表示：
二、应力-应变曲线 =F/A0 k b s S s
∆L/L0=
真应变
真应力-应变曲线
铝合金的实际拉伸曲线(塑性材料)
B
6
特点：
5
弹性变形逐渐过渡到 弹塑性变形；
无明显屈服现象； 有颈缩现象
Y Axis Title
F
4
3
2
1
0 0 2 4 6 8
X Axis Title
∆L
脆性材料拉伸曲线
B
6
5
Y Axis Title
②最大拉力下的总伸长率gt gt = 100%· 1/L0 ∆L
F
4
3
2
1
0 0 2 4 6 8
X Axis Title
∆L
∆L1
③断面收缩率
=100%· 0-A1）/A0 （A 反映断裂前的最大塑性变形量
=L0 0.5%
∆L
四、影响屈服强度的因素
1、内在因素
①本性和晶格类型：晶格阻力
②晶粒大小和亚结构 ③溶质元素
④第二相
2、外因
①温度 ②应变速率 ③应力状态
五、应变硬化（形变强化）
Y Axis Title
B
6
5
4
F 应变硬化性能 阻碍材料继续塑性变形的能力
3
2
1
0 0 2 4 6 8
意义：（1）保证材料抗偶然过载能力 （2）保证塑性变形顺利进行 （3）材料强化 （4）降低塑性，改善切削加工性能
X Axis Title
6
8
∆L
=L0 0.2%
②规定总伸长应力
加载时总伸长达到规定的原始 标距百分比时的应力，常用总伸 长率0.5%。t0.5, 。
F6
5
B
Y Axis Title
4
t0.5=Ft0.5 / A0
Ft0.5
3
2
1 0 2 4
X Axis Title
6Hale Waihona Puke 8③规定残余伸长应力
拉伸应力卸载后，其标距部分的残 余伸长达到规定的原始标距百分比时的 应力，常用残余伸长率0.2%时的 应力， r0.2。
屈服现象的微观过程涉及位错的形成，增殖与运动。 位错运动的速率和所受有效应力之间关系
------------------------------（1）
位错运动时，切应变速率与可动位错密度m及其运 动速率之间关系
------------------------------（2）
换算成拉伸应变速率
力学性能包括：强度(拉伸、弯曲、压缩、扭转、
冲击、疲劳)、硬度、 塑性、韧性、耐磨性和缺口敏
感性等。 金属材料的承载条件一般用各种力学参量(如应力、 应变和冲击能量等)来表示，因此，将表征金属材料 力学行为的力学参量的临界值或规定值称为材料力
学性能指标。不同构件对材料力学性能有不同要求，
因此，如何获得这些性能是材料研究的一个基本要 求。
E：杨氏弹性模量(正弹性模量)
G：切变模量
• 弹性模量：表征金属材料对弹性变形的抗力， 其值的大小反映了金属材料弹性变形的难易程 度。 • 由材料本身的种类与晶体结构所决定，通常的 合金化、热处理、冷加工等均不能明显改变金 属材料的弹性模量，它是一个对材料成分与显 微组织不敏感的力学性能指标。