试析金属材料力学性能检测试验

前言

随着科技的快速发展，金属材料力学性能试验方法及试验设备也在不断创新和进步。传统的力学性能测试，如拉伸、压缩、弯曲等，已经无法满足现代工业对金属材料性能深度理解和精细化分析的需求。因此，新型的试验技术和设备应运而生，如高精度的电子万能试验机、动态力学分析仪、微观力学测试系统等。

1 常见金属材料力学性能

1.1 强度与塑性

抗拉强度：指材料在拉伸过程中所能承受的最大应力，是衡量材料抵抗断裂能力的指标之一。例如，高强度钢的抗拉强度可以达到 1000MPa 以上，而普通碳素钢的抗拉强度一般在400-600MPa 之间。

屈服强度：表示材料开始产生明显塑性变形时的应力值。当外力超过屈服强度时，材料会发生不可逆的形变；低碳钢具有良好的韧性和较低的屈服点（约 250MPa ），适用于需要一定程度弹性变形的应用场合如建筑结构中的钢筋等；而高碳钢则因其较高的硬度及耐磨性常用于制造工具或刀具等产品中。

延伸率：也称为断后伸长率或延展性指数，它反映了金属发生永久性形变的能力大小；铝及其合金通常具有较高的延展性（可达 3%-5% ）使得其在加工成型方面具有很大优势；铜也是易于锻造且可回收利用的重要工业原料之一其延伸率同样较高（ 545% ）.

1.2 硬度与韧性

布氏硬度(HB):以一定的载荷将直径为 D 毫米的小球压入被测物体表面,保持规定时间后卸除负荷,测量压痕直径来计算得出的一种表征方法;主要用于较软的材料如有色金属及其合金等;例如纯铝板的 HB 值约为 35 左右.

洛氏硬度(HR):采用金刚石圆锥或者淬火处理后的圆柱体作为压头来测定更硬材质的表面硬化层深度及整体品质状况;分为A/B/C 三种标尺类型针对不同应用需求选择使用;比如硬质合金刀片常用 HRA 刻度进行检测以保证足够的锋利度要求.

冲击韧性:通过摆锤式冲击试验机对试样施加一次性冲击力使其断裂所需能量的大小来衡量该属性强弱程度如何?此数值越大说明材料越能吸收外界撞击而不轻易破裂损坏!

2 检测目的

金属材料力学性能是指金属在受到外部载荷作用时所表现出的各种物理和化学特性，这些特性反映了材料抵抗变形和破坏的能力。

工程设计依据：为机械、建筑等工程领域的结构设计和材料选择提供关键参数，确保设计的合理性和安全性。例如在桥梁设计中，根据钢材的强度和韧性等力学性能来确定结构的尺寸和形状。

质量控制指标：用于评估金属材料的质量优劣，通过检测各项力学性能指标来判断材料是否符合相关标准和规范要求，从而保证产品质量稳定可靠。比如在汽车制造中，对零部件所用钢材进行严格的力学性能检测，以确保其能承受各种复杂的工作条件。

工艺优化参考：帮助工程师了解不同加工工艺（如铸造、锻造、热处理等）对材料力学性能的影响规律，进而指导生产工艺的改进与优化，提高产品的性能和使用寿命。例如通过调整淬火工艺来改善钢件的硬度和强度分布情况

3 试验准备

在制备试样时，首要任务是选择合适的尺寸和形状。这并非随意之举，而是需要根据待测试的力学性能（如拉伸、压缩、弯曲、剪切等）以及实验设备的要求来确定，以确保试样能够真实反映材料的内在特性。试样的尺寸选择需要遵循一定的标准，如 ASTM、ISO 或 GB 等，这些标准规定了不同测试类型下的最小和最大尺寸，以防止尺寸效应导致的测试误差。形状的选择同样重要，例如，金属材料拉伸试验根据截面的形状分为两种类型：圆形和矩形。对于拉伸试验，通常采用圆柱形或矩形截面的试样，以保证应力均匀分布。此外，试样的表面质量是另一个不容忽视的因素。任何表面缺陷，如裂纹、凹痕或氧化层，都可能在测试过程中产生应力集中，导致过早的失效，从而对测试结果产生误导。因此，试样的制备过程中，通常需要采用精密的切割设备，如激光切割机或电火花切割机，来去除试样边缘的微观损伤。随后，通过精细的打磨过程，使用从粗到细的砂纸或抛光膏逐步提高表面光洁度。最后，使用超声波清洗机或化学腐蚀方法去除表面的污染物，确保试样的表面清洁度。

4 试验方法的研究

试验设备：试验设备为万测605D-600 液压伺服数控万能试验机。

试验方法：试验方法采用程控方式，分别用两种位移速率对试验进程进行控制，初始位移速率分别为 5mm/min 、 15mm/min 。每种速率检测试样5 根。

试验结果与分析：在同一环境、同一设备、同一检测人员测定金属材料力学性能，采用 5mm/min 试验速率，下屈服强度范围为 434～439MPa ，平均值 436MPa ，抗拉强度范围为 580～586MPa ，平均值 583MPa 。采用15mm/min 试验速度，下屈服强度范围为 442～450MPa ，平均值 445MPa ，抗拉强度范围为 586～590MPa ，平均值 587MPa 。 15mm/min 位移速率较5mm/min 试验速率，屈服强度升高 2.06% ，抗拉强度升高 0.68% 。从检测数据来分析，位移速率对屈服强度的影响要大于抗拉强度，位移速率越低，检测结果越低，在工程应用上安全系数越高。因此，在实际应用中采用低速率控制测出屈服强度数值安全系数更高，可有效防止事故的发生。

结束语

总的来说，金属材料力学性能试验方法和试验设备的新进展，为金属材料的性能优化、新材料的开发以及材料失效分析提供了更为精确、高效和深入的研究手段。未来，随着科技的进一步发展，期待更多创新的试验技术和设备出现，推动金属材料科学的持续进步。

参考文献：

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［2］王美玲，常海，尹佳.快速升温高温条件下材料力学性能测试方法概述［J］.工程与试验，2019，59（4）： 51-53+62 .