材料的9種力學(xué)性能衡量指標(biāo)和測量方法

1.強(qiáng)度指標(biāo)及測量方法

（1）抗拉強(qiáng)度Rm

定義：材料在拉伸過程中所能承受的最大應(yīng)力值，表征材料抵抗拉伸斷裂的能力。

測量方法：采用拉伸試驗(yàn)。使用拉力試驗(yàn)機(jī)，將制備好的標(biāo)準(zhǔn)試樣裝夾在試驗(yàn)機(jī)的夾具上，以規(guī)定的速度均勻施加拉力，直至試樣斷裂。通過試驗(yàn)機(jī)記錄的最大拉力值Fm，以及試樣的原始橫截面積S0，根據(jù)公式Rm=Fm/S0計(jì)算得出抗拉強(qiáng)度。

（2）屈服強(qiáng)度Re

定義：材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形時的最小應(yīng)力值。對于有明顯屈服現(xiàn)象的材料，屈服強(qiáng)度是指屈服階段的最低應(yīng)力；對于無明顯屈服現(xiàn)象的材料，通常規(guī)定殘余伸長率為0.2%時的應(yīng)力為規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2，作為該材料的屈服強(qiáng)度指標(biāo)。

測量方法：同樣通過拉伸試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，利用試驗(yàn)機(jī)記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從曲線上確定屈服點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力值。對于無明顯屈服現(xiàn)象的材料，需在試樣上安裝引伸計(jì)，精確測量應(yīng)變，當(dāng)殘余伸長率達(dá)到0.2%時，對應(yīng)的應(yīng)力即為規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度。

（3）抗壓強(qiáng)度Rmc

定義：材料承受壓縮載荷時所能承受的最大應(yīng)力。

測量方法：進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。將圓柱形或塊狀的試樣放置在壓力試驗(yàn)機(jī)的上下壓板之間，緩慢施加壓力，使試樣承受軸向壓縮載荷，直至試樣破壞或達(dá)到規(guī)定的變形量。記錄試驗(yàn)過程中的最大壓力值Fmc，根據(jù)試樣的原始承壓面積S0，通過公式Rmc=Fmc/S0計(jì)算抗壓強(qiáng)度。

（4）抗彎強(qiáng)度Rmb

定義：材料抵抗彎曲破壞的能力。

測量方法：常用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)或四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。以三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)為例，將矩形或圓形截面的試樣放置在兩個支撐點(diǎn)上，在試樣的跨中位置施加集中載荷。試驗(yàn)過程中，記錄試樣斷裂時的最大載荷Fmb，以及試樣的尺寸參數(shù)（如跨距L、截面寬度b、高度h，根據(jù)公式Rmb=3FmbL/2bh2計(jì)算抗彎強(qiáng)度。

2.塑性指標(biāo)及測量方法

（1）伸長率A

定義：材料在拉伸斷裂后，標(biāo)距部分的總伸長與原始標(biāo)距長度的百分比，反映材料在拉伸過程中的塑性變形能力。

測量方法：拉伸試驗(yàn)后，將拉斷后的試樣對接在一起，測量斷后標(biāo)距長度L1，原始標(biāo)距長度為L0，根據(jù)公式A =（L1- L0）/L0×100%計(jì)算伸長率。

（2）斷面收縮率Z

定義：材料拉伸斷裂后，斷口處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。

測量方法：在拉伸試驗(yàn)后，測量斷口處的最小橫截面積D1，原始橫截面積為D0，通過公式Z =（D0-D1）/D0×100%計(jì)算斷面收縮率。

3.硬度指標(biāo)及測量方法

（1）布氏硬度（HB）

定義：用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球，以規(guī)定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除試驗(yàn)力，測量試樣表面的壓痕直徑，根據(jù)壓痕直徑大小計(jì)算出的硬度值。

測量方法：使用布氏硬度計(jì)，將試樣放置在工作臺上，選擇合適的壓頭和試驗(yàn)力。啟動硬度計(jì)，壓頭在試驗(yàn)力作用下壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后卸除試驗(yàn)力。用讀數(shù)顯微鏡測量壓痕直徑，根據(jù)布氏硬度計(jì)算公式HB = 2F/πD(D -（D2- d2）1/2)計(jì)算硬度值，其中F為試驗(yàn)力，D為壓頭直徑，d為壓痕直徑。

（2）洛氏硬度（HR）

定義：采用金剛石圓錐體或鋼球作為壓頭，以初始試驗(yàn)力和主試驗(yàn)力先后將壓頭壓入試樣表面，根據(jù)壓痕深度來確定硬度值。洛氏硬度有不同的標(biāo)尺，如HRA、HRB、HRC等，適用于不同硬度范圍的材料。

測量方法：操作洛氏硬度計(jì)，先將試樣放置平穩(wěn)，施加初始試驗(yàn)力，使壓頭與試樣表面良好接觸，然后再施加主試驗(yàn)力。主試驗(yàn)力保持規(guī)定時間后卸除，根據(jù)硬度計(jì)表盤上的刻度或電子顯示裝置直接讀出硬度值。不同標(biāo)尺的洛氏硬度測量時，壓頭類型、試驗(yàn)力大小等參數(shù)有所不同。

（3）維氏硬度（HV）

定義：以相對面夾角為136°的正四棱錐金剛石壓頭，在一定試驗(yàn)力作用下壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后卸除試驗(yàn)力，測量壓痕對角線長度，通過計(jì)算得到的硬度值。

測量方法：使用維氏硬度計(jì)，將試樣固定在工作臺上，選擇合適的試驗(yàn)力。啟動硬度計(jì)，壓頭在試驗(yàn)力作用下壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后卸除試驗(yàn)力。用顯微鏡測量壓痕對角線長度d1和d2，取其平均值，根據(jù)公式HV=1.8544F/d2計(jì)算維氏硬度值，其中F為試驗(yàn)力，d為壓痕對角線長度的平均值。

4.韌性指標(biāo)及測量方法

（1）沖擊韌性ak

定義：材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，用材料在沖擊試驗(yàn)中折斷時所吸收的沖擊功與試樣缺口處橫截面積的比值來表示。

測量方法：常用夏比沖擊試驗(yàn)。將帶有規(guī)定缺口的試樣放置在沖擊試驗(yàn)機(jī)的支座上，利用擺錘的沖擊能量使試樣斷裂。沖擊試驗(yàn)機(jī)自動記錄擺錘沖擊前后的能量差，即試樣吸收的沖擊功Ak。測量試樣缺口處的橫截面積S，根據(jù)公式ak= Ak/S計(jì)算沖擊韌性。

（2）斷裂韌性KIC

定義：用于衡量含有裂紋的材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，是一個反映材料抵抗脆性斷裂能力的重要指標(biāo)。

測量方法：通過斷裂韌性試驗(yàn)測定，如常用的緊湊拉伸試驗(yàn)（CT 試驗(yàn)）。制備帶有預(yù)制裂紋的標(biāo)準(zhǔn)試樣，在試驗(yàn)機(jī)上以規(guī)定的加載速率對試樣施加拉伸載荷。試驗(yàn)過程中，記錄裂紋擴(kuò)展過程中的載荷-位移曲線，通過特定的公式和方法計(jì)算出材料的斷裂韌性值KIC。計(jì)算過程較為復(fù)雜，需要考慮試樣的幾何形狀、裂紋尺寸等因素。

5.疲勞性能指標(biāo)及測量方法

（1）疲勞強(qiáng)度σ-1

定義：材料在無限多次交變載荷作用下而不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。實(shí)際上，一般規(guī)定循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定數(shù)值（如107或108次）時不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力作為疲勞強(qiáng)度。

測量方法：進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。使用疲勞試驗(yàn)機(jī)，將試樣安裝在試驗(yàn)機(jī)上，使其承受對稱循環(huán)或非對稱循環(huán)的交變載荷。試驗(yàn)過程中，逐漸調(diào)整載荷大小，記錄不同應(yīng)力水平下試樣疲勞破壞時的循環(huán)次數(shù)。通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力-壽命S - N曲線，根據(jù)曲線確定在規(guī)定循環(huán)次數(shù)下不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值，即為疲勞強(qiáng)度。

（2）疲勞壽命Nf

定義：材料在給定的交變載荷下，從開始加載到發(fā)生疲勞破壞所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)。

測量方法：在疲勞試驗(yàn)中，直接記錄試樣在特定交變載荷下從開始加載直至疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)，該次數(shù)即為疲勞壽命。通過對不同載荷水平下的疲勞壽命進(jìn)行測量，可以得到材料的疲勞特性曲線，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

6.彈性指標(biāo)及測量方法

定義：材料在受力時發(fā)生變形，當(dāng)外力去除后能完全恢復(fù)到原來形狀和尺寸的性質(zhì)。這種變形稱為彈性變形，在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變之間存在線性關(guān)系，符合胡克定律，即σ=Eε（其中σ為應(yīng)力，E為彈性模量，ε為應(yīng)變）。

測量方法：

①拉伸試驗(yàn)法：在拉伸試驗(yàn)過程中，通過測量在彈性階段施加不同的力所產(chǎn)生的應(yīng)變，利用胡克定律來驗(yàn)證材料的彈性行為。記錄不同載荷下的伸長量，計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，曲線的線性部分即代表材料的彈性階段。在這個階段，應(yīng)力與應(yīng)變呈正比關(guān)系，斜率即為彈性模量。通過這種方式可以直觀地觀察材料的彈性性能，并確定彈性模量這一重要參數(shù)。

②動態(tài)測量法：利用共振法或超聲法測量材料的彈性常數(shù)。例如，共振法是通過激發(fā)材料的共振頻率，根據(jù)材料的幾何形狀、質(zhì)量和共振頻率之間的關(guān)系，計(jì)算出材料的彈性模量等彈性參數(shù)。超聲法是利用超聲波在材料中的傳播速度與彈性性質(zhì)的關(guān)系，通過測量超聲波的傳播速度來確定彈性模量。這些動態(tài)測量方法通常適用于對材料彈性性能進(jìn)行快速、無損的評估，尤其在工業(yè)生產(chǎn)和質(zhì)量控制中具有重要應(yīng)用。

7.剛度指標(biāo)及測量方法

定義：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抵抗變形的能力，通常用施加的力與產(chǎn)生的變形量的比值來表示，與材料的彈性模量、構(gòu)件的幾何形狀和尺寸有關(guān)。

測量方法：對于簡單的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，可以通過理論計(jì)算得到剛度。對于實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)，可采用試驗(yàn)方法測量。例如，對梁進(jìn)行加載試驗(yàn)，測量在不同載荷下梁的撓度，根據(jù)載荷和撓度的關(guān)系計(jì)算梁的剛度。也可以利用有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)的剛度分布和整體剛度值。

8.耐磨性指標(biāo)及測量方法

定義：材料表面抵抗磨損的能力。

測量方法：常用的試驗(yàn)方法有銷盤磨損試驗(yàn)、環(huán)塊磨損試驗(yàn)等。以銷盤磨損試驗(yàn)為例，將銷狀試樣與旋轉(zhuǎn)的圓盤試樣相互接觸，并施加一定的壓力，在一定的轉(zhuǎn)速和時間下進(jìn)行磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，測量銷狀試樣的質(zhì)量損失或尺寸變化，以此來評估材料的耐磨性。也可以通過觀察磨損表面的形貌和磨損機(jī)制來分析材料的耐磨性能。

9.抗腐蝕性指標(biāo)及測量方法

定義：材料抵抗周圍環(huán)境介質(zhì)（如大氣、水、化學(xué)物質(zhì)等）腐蝕的能力。

測量方法：有多種測量方法。失重法是將材料制成一定尺寸的試樣，暴露在特定的腐蝕介質(zhì)中，經(jīng)過一定時間后取出，清洗、干燥后稱重，根據(jù)試樣腐蝕前后的質(zhì)量變化計(jì)算腐蝕速率，評估材料的抗腐蝕性。電化學(xué)方法如極化曲線測量、電化學(xué)阻抗譜等，可以研究材料在腐蝕介質(zhì)中的電化學(xué)行為，通過測量腐蝕電位、腐蝕電流密度等參數(shù)來評估材料的抗腐蝕性能。此外，還有鹽霧試驗(yàn)、浸泡試驗(yàn)等加速腐蝕試驗(yàn)方法，模擬實(shí)際使用環(huán)境中的腐蝕條件，對材料的抗腐蝕性進(jìn)行快速評估。