探讨高性能金属材料的力学性能检测方法

探讨高性能金属材料的力学性能检测方法

文仕伟

身份证号：43042119800515371X

摘要：金属材料广泛应用于建筑、矿山、化工、交通运输等行业，各种机械设备中90%的材料都是由金属制造的，由于金属的选材不当或使用不当会造成材料的过早失效，严重的可能会发生重大事故。金属材料力学性能检测作为质量控制的一个关键环节，产品使用前对原材料、半成品或成品的检测就显得特别重要。本文通过对金属材料力学性能中强度、塑性及硬度的检测原理及方法的分析，阐明了检测的重要性。

关键词：金属材料；力学性能；检测

一、金属材料的种类

金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。

1、黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。

2、有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等，有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。

3、特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。

二、金属材料的性能

金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等）和化学性能。工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺应具备的性能。

三、金属材料的力学性能

金属材料的力学性能是指金属材料在载荷作用时所表现的性能。这些性能是材料检验检测、机械设计、材料选择及工艺评定的主要依据。

1、强度

金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的强度。根据外力的作用方式，材料的强度分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。在使用中一般多以抗拉强度作为基本的强度指标，常简称为强度。强度单位为MPa(N/mm²)。

拉伸试验主要用来测试金属材料的性能，其检测结果不仅可以反映金属的强度和塑性，还可以反映强度的极限、弹性极限以及屈服极限等。

拉伸试样的形状通常有圆柱形和板状两类。图1中a所示为圆柱形拉伸试样。在圆柱形拉伸试样中d0为试样直径，L0为试样的原始标距长度，根据标距和直径之间的关系，试样原始标距可分为（L0=10d0）或（L0=5d0）。

ab

图1拉伸试样与拉伸曲线

a拉伸试样b低碳钢的拉伸曲线

试验时,将试样两端夹装在试验机的上下夹头上,按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》要求的试验速率进行加载,随着载荷的增加，试样逐步变形而伸长,直到被拉断为止。在试验过程中，试验机自动记录了每一瞬间负荷F和变形量ΔL，并给出了它们之间的关系曲线，故称为拉伸曲线（或拉伸图）。拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力学特性。

由上图1中b低碳钢的拉伸曲线可见，低碳钢试样在拉伸过程中，可分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段四个阶段。

屈服强度是当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。应区分为上屈服强度和下屈服强度。

Ⅰ上屈服强度

试样发生屈服而力首次下降前的最大应力，用符号ReH表示：

ReH=

式中FeH——试样发生屈服而力首次下降前的最大应力（N）；

S0——试样原始横截面积（mm²）。

Ⅱ下屈服强度

在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最小应力，用符号ReL表示：

ReL=

式中FeL——不计初始瞬时效应时的最小应力（N）；S0——试样原始横截面积（mm²）。

生产中使用的某些金属材料，在拉伸试验中不出现明显的屈服现象，无法确定其屈服点Rp。所以国标中规定，以试样塑性变形量为试样标距长度的0.2%时,材料承受的应力称为“塑性延伸强度”,并以符号Rp0.2表示。Rp0.2的确定方法如图2所示：在拉伸曲线横坐标上截取C点，使OC=0.2%L0，过C点作OP斜线的平行线，交曲线于S点，则可找出相应的载荷F0.2,从而计算出Rp0.2。

图2塑性延伸强度测定

抗拉强度是金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号Rm表示：

Rm=

式中Fm——试样在断裂前的最大应力（N）；S0——试样原始横截面积（mm²）。

脆性材料没有屈服现象，则用Rm作为设计依据。

当试验出现下列情况之一时，试验结果无效：

（1）试样断在标距外或断在夹具内时。

（2）试验期间设备发生故障，影响了试验结果。

2、塑性

金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。常用的塑性指标有断后伸长率（A）和断面收缩率（Z）。

（1）断后伸长率

试样拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称为伸长率，用A表示：

A=

式中L0——试样原始标距长度(mm)；Lu——试样拉断后的标距长度(mm)。

（2）断面收缩率

试样拉断后，标距内横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率，用Z表示：

Z=

式中S0——试样平行长度部分的原始横截面积(mm2)；

Su——试样断后最小横截面积(mm2)。

A、Z是衡量材料塑性变形能力大小的指标，A、Z大，表示材料塑性好，既保证压力加工的顺利进行，又保证机件工作时的安全可靠。

强度指标和塑性指标是判断金属材料性能优劣的重要依据。金属材料的塑性好坏，对零件的加工和使用都具有重要的实际意义。塑性好的材料不仅能顺利地进行锻压、轧制等成型工艺，而且在使用时遇到突发状况，由于塑性变形，能避免突然断裂。

3、硬度

金属材料抵抗硬的物体压入其表面的能力，称为硬度。根据试验方法和适用范围不同，硬度又可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度、显微硬度和高温硬度等。对于一般常用的金属材料硬度有布氏、洛氏、维氏硬度三种。

（1）布氏硬度

Ⅰ试验原理

对一定直径D的碳化钨合金球施加试验力F压人试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕的直径do。试验原理如图3：

图3试验原理

布氏硬度与试验力除以压痕表面积的商成正比。压痕被看作是卸载后具有一定半径的球形，压痕的表面积通过压痕的平均直径和压头直径按照下面的公式计算得到：

式中：F—试验力(N)；d—压痕平均直径(mm)；D—硬质合金球直径(mm)；

Ⅱ检测方法

试样应放置在刚性试台上。试样背面和试台之间应无污物（氧化皮、油、灰尘等）。将试样稳固地放置在试台上，确保在试验过程中不发生位移。

使压头与试样表面接触，垂直于试验面施加试验力，直至达到规定试验力值，确保加载过程中无冲击、振动和过载。从加力开始至全部试验力施加完毕的时间应在2s～8s之间。试验力保持时间为10s～15s。对于要求试验力保持时间较长的材料，试验力保持时间公差为±2s。在整个试验期间，硬度计应避免受到冲击和振动。

（2）洛氏硬度

Ⅰ试验原理

将特定尺寸、形状和材料的压头分两级试验力压入试样表面，初试验力加载后，测量初始压痕深度。随后施加主试验力，在卸除主试验力后保持初试验力时测量最终压痕深度，洛氏硬度根据最终压痕深度和初始压痕深度的差值h及常数N和S计算给出：

洛氏硬度=

Ⅱ洛氏硬度的标尺

洛氏硬度的标尺有：A、B、C、D、E、F、G、H、K，符号单位分别为HRA、HRBW、HRC、HRD、HREW、HRFW、HRGW、HRHW、HRKW。表面洛氏硬度标尺有：15N、30N、45N、15T、30T、45T，符号单位分别为HR15N、HR30N、HR45N、HR15TW、HR30TW、HR45TW。

Ⅲ检测方法

试样应放置在刚性支承物上，并使压头轴线和加载方向与试样表面垂直，同时应避免试样产生位移。使压头与试样表面接触，无冲击、振动、摆动和过载地施加初试验力F0,初试验力的加载时间不超过2s，施加主试验力F1，使试验力从初试验力F0增加至总试验力F，洛氏硬度主试验力的加载时间为1s〜8s。

总试验力F的保持时间为5±1s，卸除主试验力F1，初试验力F。保持1s〜5s后，进行最终读数。对于在总试验力施加期间有压痕蠕变的试验材料，由于压头可能会持续压人，所以应特别注意。若材料要求的总试验力保持时间超过标准所允许的6s时，实际的总试验力保持时间应在试验结果中注明（例如65HRF/10s）。在整个试验期间，硬度计应避免受到冲击和振动。

实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。但各种材料的换算关系并不一致。

四、结语

在金属材料普遍应用的今天，金属材料的质量是保证产品质量的关键，金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。随着金属材料牌号不断更新，力学性能相关指标不断提高，国家标准中有关金属材料力学性能检测方法也在不断更新，所以在金属材料产品使用前，需要对金属材料的力学性能进行检测很有必要。

参考文献

[1]GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》

[2]GB/T231.1—2018《金属材料布氏硬度试验第1部分:试验方法》

[3]GB/T230.1—2018《金属材料洛氏硬度试验第1部分:试验方法》