characterization of mechanical properties of metals
表征金屬在力的作用下的行為的衡量指標，都屬于金屬力學性能所研究的范疇。諸如不同載荷所造成的可逆變形（彈性）、不可逆變形（塑性）、斷裂（脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂等）以及金屬抵抗形變和斷裂能力的衡量指標，如強度、塑性、韌度（脆性）、硬度等（見金屬力學性能測試技術(shù)）。
金屬的力學性能是零件或結(jié)構(gòu)件設(shè)計的依據(jù)，也是選擇、評價材料和制訂工藝規(guī)程的重要參量；在金屬研究上，它們是合金成分設(shè)計、顯微組織結(jié)構(gòu)控制所要達到的目標之一，也是反映金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化的重要表征參量。
金屬力學性能隨受載方式、應(yīng)力狀態(tài)、溫度及接觸介質(zhì)的不同而異。受載方式可以是靜載荷
沖擊載荷
循環(huán)載荷等。應(yīng)力狀態(tài)可以是拉、壓、剪、彎、扭及它們的復(fù)合，以及集中應(yīng)力和多軸應(yīng)力等。溫度可以是室溫、低溫與高溫。接觸介質(zhì)可以是空氣、其他氣體、水、鹽水或腐蝕介質(zhì)。在不同使用條件下，材料具有不同的力學行為和失效現(xiàn)象，因而必須有相應(yīng)的力學性能指標表征。下面便是描述金屬材料力學性能的表征參量，對其中已設(shè)專條的，在本條中就從略了。
強度 金屬抵抗永久變形和斷裂的能力的總稱。以光滑拉伸試樣為例，在漸增載荷作用下，材料的典型拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖1[金屬材料的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線]
所示。反映金屬材料強度的性能指標有如下幾項。
比例極限（
） 開始加載時，應(yīng)力與應(yīng)變呈直線關(guān)系，比例極限
則是代表金屬應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系（即遵守胡克定律）的最大應(yīng)力。生產(chǎn)中有許多在彈性狀態(tài)下工作的零件，要求應(yīng)力與應(yīng)變間有嚴格的線性關(guān)系，如炮筒和測定載荷、位移的傳感器中的彈性元件等，就要根據(jù)比例極限來設(shè)計。但是,不偏離應(yīng)力-應(yīng)變線性關(guān)系的最大應(yīng)力是隨測量儀器的精度而變化的，采用不同的測試方法，對同一材料可以得出不同的
值。因此，在工程上就采用了條件規(guī)定的方法，中國的國家標準規(guī)定，當載荷和伸長之間的線性關(guān)系發(fā)生偏離時，若該點的切線與載荷軸間夾角的正切值已較其彈性直線部分之值增加50％，則該點所對應(yīng)的應(yīng)力便稱為“規(guī)定比例極限
”。實際上，“規(guī)定比例極限”是產(chǎn)生極微量塑性變形(0.001～0.01％)時的應(yīng)力值。
彈性極限（
） 見彈性和滯彈性。
屈服強度（
） 當應(yīng)力超過彈性極限后繼續(xù)加載，有的金屬便會發(fā)生“物理屈服”現(xiàn)象，即在應(yīng)力不增大的情況下,塑性應(yīng)變不斷增長到一定值(圖1a[金屬材料的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線]
曲線上的s點)以后應(yīng)力-應(yīng)變才同時以非常數(shù)比例繼續(xù)增長。這個保持基本恒定的應(yīng)力（屈服平臺應(yīng)力）稱為屈服點
，有時也通稱為屈服強度。對于無明顯物理屈服現(xiàn)象的金屬，則以產(chǎn)生限量的小量塑性應(yīng)變時的應(yīng)力作為條件屈服強度。如經(jīng)常采用的條件屈服強度
即為產(chǎn)生0.2％殘余應(yīng)變時的應(yīng)力(圖1b[ 金屬材料的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線]
)。它和上述規(guī)定比例極限
以及彈性極限
只是塑性變形量上不同而已，并無本質(zhì)的差別，均是金屬對微量或小量塑性變形抗力的表征。因此,有一種根據(jù)不同的需要,選用不同的塑性應(yīng)變量來表征微量塑性變形階段材料強度的趨勢，如
[hj9]
、
、
和
等。屈服強度是設(shè)計承受靜載機件或構(gòu)件的主要依據(jù)。
抗拉強度（
） 超過屈服強度以后應(yīng)力繼續(xù)增加時應(yīng)變也不斷增長。當應(yīng)力達到最高點時，對于韌性金屬而言，會在拉伸試樣上發(fā)生局部“縮頸”，而使橫截面積減小，因而承載能力開始下降。我們把最高名義應(yīng)力
稱為抗拉強度（
）。對于脆性材料,例如灰口鑄鐵，當應(yīng)力達到最高點時，試棒即斷裂，此最高應(yīng)力也稱抗拉強度。可見抗拉強度對于韌性金屬是表征其極限均勻塑性變形的抗力，即塑性失穩(wěn)的起始應(yīng)力。對于脆性金屬，抗拉強度則表征其斷裂抗力。不論對韌性金屬還是脆性金屬，由于與
所對應(yīng)的載荷是金屬在單向靜拉伸時試樣（或工件）所能承受的最大載荷，因此習慣上也把
稱為強度極限(UTS)
抗拉強度常作為評定金屬的依據(jù)，對于脆性金屬也是設(shè)計的依據(jù)。
斷裂強度
（或
） 通常，金屬的實際斷裂強度
（或
）是由試樣斷裂時的載荷除以試樣斷裂處實際橫截面積而求得的。只有根據(jù)試樣的實際斷裂情況才能確定它的意義。對于在彈性階段脆斷的金屬，
相當于
,也相當于
;對于均勻塑變后即斷裂的金屬, 則
相當于真實抗拉強度
；對于頸縮后斷裂的金屬, 則
實際上主要反映金屬對剪切斷裂抗力的大小。
的數(shù)值要受試驗機系統(tǒng)剛性的影響，同一金屬，在不同試驗機上試驗,可得到不同的
值。
塑性 金屬的塑性又稱范性, 為其在斷裂前可以承受的塑性變形的總量。常用的塑性指標是光滑試樣拉伸試驗所得到的伸長率，即拉斷后試棒伸長的百分數(shù)
＝[374-1]
和斷面收縮率，即拉斷后試棒最小斷面積對原始斷面積縮小的百分數(shù) [327-02]
。在技術(shù)意義上，材料具有一定的塑性容量，可以使工件受載時通過局部發(fā)生的塑性變形，而使應(yīng)力重新分布，從而減少應(yīng)力集中的程度，減少金屬脆斷的傾向。又如金屬的塑性較大，則該金屬的塑性變形與形變強化相結(jié)合，使金屬冷變形成型工藝成為可能。
超塑性 一般工業(yè)用金屬的室溫塑性大都在百分之幾到百分之幾十的范圍。而某些金屬在特定的組織狀態(tài)下（主要是超細晶粒）、特定的溫度范圍內(nèi)和一定的變形速度下表現(xiàn)出極高的塑性，伸長率可達百分之幾百甚至百分之幾千，這種現(xiàn)象稱為“超塑性”。它顯然有利于塑性加工。超塑性首先在Al-Zn合金中發(fā)現(xiàn),應(yīng)用也較廣泛。近年來在鐵基、鐵鎳基合金以及鈦合金等方面也開展了大量研究，在工業(yè)中已得到應(yīng)用。
真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線和形變強化 大多數(shù)金屬（尤其是韌性金屬），當外加應(yīng)力達到屈服極限后，欲使變形繼續(xù)，必須繼續(xù)增加外力，即金屬的塑性變形抗力隨塑性變形量的增加而增加,如圖1[金屬材料的典型拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線]
所示。這種現(xiàn)象稱為形變強化或加工硬化。金屬的形變強化從屈服極限開始直至斷裂為止的過程中都存在，但是在圖1[金屬材料的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線]
所示的條件應(yīng)力-應(yīng)變曲線上,并不能真實反映金屬的形變強化，這是由于在這種曲線上，各點應(yīng)力均是以該點的載荷除以試樣的原始截面積來表示的，未考慮截面收縮；因此，塑性變形量越大，條件應(yīng)力和試樣上所承受的真實應(yīng)力的偏差也越大；“縮頸”后，由于局部區(qū)域截面積的急劇減少，這種偏差更大，出現(xiàn)應(yīng)力超過
后,強度隨應(yīng)變的增加而降低的情況。真實力-真應(yīng)變曲線能全面描述金屬從彈性變形開始直至斷裂的全過程的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,如圖2[工業(yè)純鐵的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線]
所示
其中真應(yīng)力
是由曲線上各點的瞬時載荷除以試樣相應(yīng)截面積求得,真應(yīng)變
是由瞬時試樣伸長的微分值d
與瞬時試樣長度
之比的積分求得,即[328-01]
。這種
-
曲線也稱流變強化曲線或硬化曲線,Hollomon公式
＝
是這條曲線的最簡單的擬合表達式。式中的
稱為形變強化指數(shù),
稱為形變強化系數(shù)，
和
均為表征形變強化的材料常數(shù)
形變強化是金屬的可貴性質(zhì)之一,對金屬壓力加工以及確保機件在偶爾超載時的安全有重要作用。形變強化也是金屬材料的一種有效強化手段，與合金化、熱處理處于同等地位（見金屬的強化）。
韌性 又名韌度。金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。在靜載情況下可用應(yīng)力－應(yīng)變曲線下的面積來衡量，即以斷裂前單位體積吸收的變形功作為韌性的定量指標，稱為靜力韌度。
金屬的韌性隨加載速度的提高、溫度的降低、應(yīng)力集中程度的加劇而下降。沖擊韌性試驗，就是綜合應(yīng)用較高沖擊速度和缺口試棒的應(yīng)力集中，來測定金屬從變形到斷裂所消耗的沖擊能量的大小，即韌性的高低。
中國常用的沖擊韌性試驗是用一個 U型缺口方試棒, 將其置于支座上, 然后用擺錘落下將其一次沖斷。用沖斷試棒所消耗的沖擊功除以試棒缺口根部截面積所得商值(單位為kgfm/cm),定義為沖擊韌度(
)
有些國家則常用帶V型缺口的試棒,直接以沖斷試棒所消耗的沖擊功作為夏氏沖擊韌度(CVN值),而不將此沖擊功除以試棒缺口截面積。不論
或 CVN都是在特定條件下測得的沖擊值。應(yīng)該注意的是，沖擊韌性試驗和某些承受反復(fù)沖擊載荷的零件服役條件不同，對于這些零件，它們的服役性能應(yīng)用小能量多次沖擊（或沖擊疲勞）試驗來衡量。
一次沖擊試驗也常用于評定材料的冷脆傾向。即將金屬在一系列不同的試驗溫度下進行一次沖擊試驗 (即所謂“系列沖擊試驗”),而后確定反映材料冷脆傾向的冷脆轉(zhuǎn)化溫度
對于
試驗一般采用能量法即[328-02]
所對應(yīng)的溫度
表示。對于CVN試樣,一般根據(jù)宏觀斷口形貌確定，當斷口上脆性斷口占50％時所對應(yīng)的溫度稱為斷口形貌轉(zhuǎn)化溫度FATT50。 用系列沖擊試驗測定的冷脆轉(zhuǎn)化溫度
和FATT50等都是條件性的,只能作為材料脆性傾向的評定。低溫斷裂韌度
試驗可對金屬的冷脆性作出更合理的評價（見斷裂力學）。此外，還有表征材料在高溫條件下的高溫力學性能的指標（見蠕變）；材料在循環(huán)或反復(fù)加載條件下表征其力學性能的指標（見疲勞）。
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