材料的9种力学性能衡量指标和测量方法

材料的9种力学性能衡量指标和测量方法

材料的力学性能是评价材料使用性能和安全性的关键指标。本文详细介绍了9种重要的力学性能衡量指标及其测量方法，包括强度、塑性、硬度、韧性、疲劳性能、弹性、刚度、耐磨性和抗腐蚀性等。每种性能都给出了具体的定义和测量方法，并配有相应的实验步骤和计算公式。

1. 强度指标及测量方法

抗拉强度Rm

• 定义：材料在拉伸过程中所能承受的最大应力值，表征材料抵抗拉伸断裂的能力。
• 测量方法：采用拉伸试验。使用拉力试验机，将制备好的标准试样装夹在试验机的夹具上，以规定的速度均匀施加拉力，直至试样断裂。通过试验机记录的最大拉力值Fm，以及试样的原始横截面积S0，根据公式Rm=Fm/S0计算得出抗拉强度。

屈服强度Re

• 定义：材料开始产生明显塑性变形时的最小应力值。对于有明显屈服现象的材料，屈服强度是指屈服阶段的最低应力；对于无明显屈服现象的材料，通常规定残余伸长率为0.2%时的应力为规定塑性延伸强度Rp0.2，作为该材料的屈服强度指标。
• 测量方法：同样通过拉伸试验。在试验过程中，利用试验机记录应力-应变曲线，从曲线上确定屈服点对应的应力值。对于无明显屈服现象的材料，需在试样上安装引伸计，精确测量应变，当残余伸长率达到0.2%时，对应的应力即为规定塑性延伸强度。

抗压强度Rmc

• 定义：材料承受压缩载荷时所能承受的最大应力。
• 测量方法：进行压缩试验。将圆柱形或块状的试样放置在压力试验机的上下压板之间，缓慢施加压力，使试样承受轴向压缩载荷，直至试样破坏或达到规定的变形量。记录试验过程中的最大压力值Fmc，根据试样的原始承压面积S0，通过公式Rmc=Fmc/S0计算抗压强度。

抗弯强度Rmb

• 定义：材料抵抗弯曲破坏的能力。
• 测量方法：常用三点弯曲试验或四点弯曲试验。以三点弯曲试验为例，将矩形或圆形截面的试样放置在两个支撑点上，在试样的跨中位置施加集中载荷。试验过程中，记录试样断裂时的最大载荷Fmb，以及试样的尺寸参数（如跨距L、截面宽度b、高度h，根据公式Rmb=3FmbL/2bh2计算抗弯强度。

2. 塑性指标及测量方法

伸长率A

• 定义：材料在拉伸断裂后，标距部分的总伸长与原始标距长度的百分比，反映材料在拉伸过程中的塑性变形能力。
• 测量方法：拉伸试验后，将拉断后的试样对接在一起，测量断后标距长度L1，原始标距长度为L0，根据公式A =（L1- L0）/L0×100%计算伸长率。

断面收缩率Z

• 定义：材料拉伸断裂后，断口处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。
• 测量方法：在拉伸试验后，测量断口处的最小横截面积D1，原始横截面积为D0，通过公式Z = （D0- D1）/D0×100%计算断面收缩率。

3. 硬度指标及测量方法

布氏硬度（HB）

• 定义：用一定直径的钢球或硬质合金球，以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕直径，根据压痕直径大小计算出的硬度值。
• 测量方法：使用布氏硬度计，将试样放置在工作台上，选择合适的压头和试验力。启动硬度计，压头在试验力作用下压入试样表面，保持规定时间后卸除试验力。用读数显微镜测量压痕直径，根据布氏硬度计算公式HB = 2F/πD(D -（D2 - d2）1/2)计算硬度值，其中F为试验力，D为压头直径，d为压痕直径。

洛氏硬度（HR）

• 定义：采用金刚石圆锥体或钢球作为压头，以初始试验力和主试验力先后将压头压入试样表面，根据压痕深度来确定硬度值。洛氏硬度有不同的标尺，如HRA、HRB、HRC等，适用于不同硬度范围的材料。
• 测量方法：操作洛氏硬度计，先将试样放置平稳，施加初始试验力，使压头与试样表面良好接触，然后再施加主试验力。主试验力保持规定时间后卸除，根据硬度计表盘上的刻度或电子显示装置直接读出硬度值。不同标尺的洛氏硬度测量时，压头类型、试验力大小等参数有所不同。

维氏硬度（HV）

• 定义：以相对面夹角为136°的正四棱锥金刚石压头，在一定试验力作用下压入试样表面，保持规定时间后卸除试验力，测量压痕对角线长度，通过计算得到的硬度值。
• 测量方法：使用维氏硬度计，将试样固定在工作台上，选择合适的试验力。启动硬度计，压头在试验力作用下压入试样表面，保持规定时间后卸除试验力。用显微镜测量压痕对角线长度d1和d2，取其平均值，根据公式HV=1.8544F/d2计算维氏硬度值，其中F为试验力，d为压痕对角线长度的平均值。

4. 韧性指标及测量方法

冲击韧性ak

• 定义：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，用材料在冲击试验中折断时所吸收的冲击功与试样缺口处横截面积的比值来表示。
• 测量方法：常用夏比冲击试验。将带有规定缺口的试样放置在冲击试验机的支座上，利用摆锤的冲击能量使试样断裂。冲击试验机自动记录摆锤冲击前后的能量差，即试样吸收的冲击功Ak。测量试样缺口处的横截面积S，根据公式ak= Ak/S计算冲击韧性。

断裂韧性KIC

• 定义：用于衡量含有裂纹的材料抵抗裂纹扩展的能力，是一个反映材料抵抗脆性断裂能力的重要指标。
• 测量方法：通过断裂韧性试验测定，如常用的紧凑拉伸试验（CT 试验）。制备带有预制裂纹的标准试样，在试验机上以规定的加载速率对试样施加拉伸载荷。试验过程中，记录裂纹扩展过程中的载荷-位移曲线，通过特定的公式和方法计算出材料的断裂韧性值KIC。计算过程较为复杂，需要考虑试样的几何形状、裂纹尺寸等因素。

5. 疲劳性能指标及测量方法

疲劳强度σ-1

• 定义：材料在无限多次交变载荷作用下而不发生疲劳破坏的最大应力值。实际上，一般规定循环次数达到一定数值（如107或108次）时不发生疲劳破坏的最大应力作为疲劳强度。
• 测量方法：进行疲劳试验。使用疲劳试验机，将试样安装在试验机上，使其承受对称循环或非对称循环的交变载荷。试验过程中，逐渐调整载荷大小，记录不同应力水平下试样疲劳破坏时的循环次数。通过大量试验数据绘制应力-寿命S - N曲线，根据曲线确定在规定循环次数下不发生疲劳破坏的最大应力值，即为疲劳强度。

疲劳寿命Nf

• 定义：材料在给定的交变载荷下，从开始加载到发生疲劳破坏所经历的循环次数。
• 测量方法：在疲劳试验中，直接记录试样在特定交变载荷下从开始加载直至疲劳破坏的循环次数，该次数即为疲劳寿命。通过对不同载荷水平下的疲劳寿命进行测量，可以得到材料的疲劳特性曲线，为工程设计提供依据。

6. 弹性指标及测量方法

• 定义：材料在受力时发生变形，当外力去除后能完全恢复到原来形状和尺寸的性质。这种变形称为弹性变形，在弹性变形范围内，应力与应变之间存在线性关系，符合胡克定律，即σ=Eε（其中σ为应力，E为弹性模量，ε为应变）。
• 测量方法：
  1. 拉伸试验法：在拉伸试验过程中，通过测量在弹性阶段施加不同的力所产生的应变，利用胡克定律来验证材料的弹性行为。记录不同载荷下的伸长量，计算相应的应力和应变，绘制应力-应变曲线，曲线的线性部分即代表材料的弹性阶段。在这个阶段，应力与应变呈正比关系，斜率即为弹性模量。通过这种方式可以直观地观察材料的弹性性能，并确定弹性模量这一重要参数。
  2. 动态测量法：利用共振法或超声法测量材料的弹性常数。例如，共振法是通过激发材料的共振频率，根据材料的几何形状、质量和共振频率之间的关系，计算出材料的弹性模量等弹性参数。超声法是利用超声波在材料中的传播速度与弹性性质的关系，通过测量超声波的传播速度来确定弹性模量。这些动态测量方法通常适用于对材料弹性性能进行快速、无损的评估，尤其在工业生产和质量控制中具有重要应用。

7. 刚度指标及测量方法

• 定义：结构或构件抵抗变形的能力，通常用施加的力与产生的变形量的比值来表示，与材料的弹性模量、构件的几何形状和尺寸有关。
• 测量方法：对于简单的结构或构件，可以通过理论计算得到刚度。对于实际的工程结构，可采用试验方法测量。例如，对梁进行加载试验，测量在不同载荷下梁的挠度，根据载荷和挠度的关系计算梁的刚度。也可以利用有限元分析软件对结构进行模拟分析，计算结构的刚度分布和整体刚度值。

8. 耐磨性指标及测量方法

• 定义：材料表面抵抗磨损的能力。
• 测量方法：常用的试验方法有销盘磨损试验、环块磨损试验等。以销盘磨损试验为例，将销状试样与旋转的圆盘试样相互接触，并施加一定的压力，在一定的转速和时间下进行磨损试验。试验结束后，测量销状试样的质量损失或尺寸变化，以此来评估材料的耐磨性。也可以通过观察磨损表面的形貌和磨损机制来分析材料的耐磨性能。

9. 抗腐蚀性指标及测量方法

• 定义：材料抵抗周围环境介质（如大气、水、化学物质等）腐蚀的能力。
• 测量方法：有多种测量方法。失重法是将材料制成一定尺寸的试样，暴露在特定的腐蚀介质中，经过一定时间后取出，清洗、干燥后称重，根据试样腐蚀前后的质量变化计算腐蚀速率，评估材料的抗腐蚀性。电化学方法如极化曲线测量、电化学阻抗谱等，可以研究材料在腐蚀介质中的电化学行为，通过测量腐蚀电位、腐蚀电流密度等参数来评估材料的抗腐蚀性能。此外，还有盐雾试验、浸泡试验等加速腐蚀试验方法，模拟实际使用环境中的腐蚀条件，对材料的抗腐蚀性进行快速评估。