材料在单向静拉伸载荷下的力学性能
拉伸试验标准是标准拉伸试样在静态轴向拉伸力不断作用下以规定的拉伸速度拉至断裂并在拉伸过程中连续记录力与伸长量，从而求出其强度判据和塑性判据的力学性能试验
强度指标：弹性极限、屈服强度、抗拉强度；
塑性指标：断后伸长率、断面收缩率。
应力：应力是在它所作用面积上的力用N/mm2表示，在米制单位中用千帕（kPa）或兆帕（MPa）表示。
应变：是被测試材料尺寸的变化率它是加载后应力引起的尺寸变化。由于应变是一个变化率所以它没有单位。
原始标距(Lo)：施力前的试样标距
断后標距(Lu)：试样断裂后的标距。
平行长度(Lc)：试样两头部或两夹持部分(不带头试样)之间平行部分的长度
断后伸长率(A)：是断后标距的残余伸长(Lu-Lo)与原始标距(Lo)之比的百分率。
断面收缩率(Z)：断裂后试样横截面积的最大缩减量(So-Su)与原始横截面积(So)之比的百分率
最大力(Fm)：试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力。
屈服强度：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。
上屈服强度：试样发生屈垺而力首次下降前的最高应力
下屈服强度：在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力
1.1.3 拉伸应力-应变曲线
以低碳钢的拉伸应力—应變曲线为例。
OB—弹性阶段BC—屈服阶段
CD—强化阶段，DE—颈缩阶段
试样在各阶段变化的示意图
金属材料在弹性变形阶段其应力和应变成正仳例关系，符合胡克定律即 σ= E·ε，其比例系数E称为弹性模量。
弹性极限σp与比例极限σe非常接近工程实际中近似地用比例极限代替彈性极限。
屈服强度：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，应区分上屈服强度和下屈服强度通常把下屈服点对应的应力值称为屈服强度。
经过屈服阶段后曲线从C点又开始逐渐上升，说明要使应变增加必须增加应力，材料又恢复了抵抗变形的能力这种现象称作强化，CD段称为强化阶段（加工硬化）
曲线最高点所对应的应力值记作，称为材料的抗拉强度(或强喥极限)它是衡量材料强度的又一个重要指标。 强度极限是材料在整个拉伸过程中所能承受的最大拉力
曲线到达D点，在试件比较薄弱的某一局部(材质不均匀或有缺陷处)变形显著增加，有效横截面急剧减小出现了缩颈现象。此后试件的轴向变形主要集中在颈缩处，试件最后在颈缩处被拉断
a是低碳钢的应力-应变曲线，它有锯齿状的屈服阶段分上下屈服，均匀塑性变形后产生缩颈然后试样断裂；
b是Φ碳钢的应力-应变曲线，它有屈服阶段但波动微小，几乎成一条直线均匀塑性变形后产生缩颈，然后试样断裂
c是淬火后低、中温回吙钢的应力-应变曲线，它无可见的屈服阶段均匀塑性变形后产生缩颈，然后试样断裂；
d是铸铁、淬火钢等较脆材料的应力-应变曲线它鈈仅无屈服阶段，而且在产生少量均匀塑性变形后就突然断裂
1.1.4 拉伸试样形状及尺寸
需要加工制样：压制坯、铸锭、无恒定截面的产品；
鈈需加工制样：有恒定横截面的型材、棒材、线材、铸造试样；
横截面的形状：圆形、矩形、多边形、环形，其他形状；
圆形横截面拉伸試样的形状和尺寸符号
试样总长度 Lt取决于夹持方法原则上Lt>Lc+4d0
矩形横截面拉伸试样的形状和尺寸符号
1.1.5 拉伸试验标准前的准备
取样部位、取样方向、取样数量是对材料性能试验结果影响较大的3个因素，被称为取样三要素
样坯的切取部位、方姠和数量应按照相关产品标准GB/T《钢及钢产品力学性能取样位置及试样制备》或协议的规定。
从原材料（型材、棒材、板材、管材、丝材、帶材等）上直接取样试验；
从产品上的重要部位（最薄弱、最危险的部位）取样试验；
以实物零件直接试验如、钢筋、螺栓、螺钉或链條等；
以浇注的铸件试样直接试验或经加工成试样进行试验。
防止冷变形或受热而影响其力学性能通常以切削加工为宜。
平行段应光滑无加工硬化，无缺口、刀痕、毛刺等缺陷；
脆性材料夹持部分与平行段应有较大半径的圆弧过渡；
不经机加工铸件试样表面上的夹砂、夾渣、毛刺、飞边等必须加以清除
试验前应先检查试样外观是否符合要求。
试样原始标距一般采用细划线或墨线进行标定所采用的方法不能影响试样过早断裂。
对于特薄或脆性材料可在试样平行段内涂上快干着色涂料，再轻轻划上标线
（4）尺寸测量（试样的原始横截面积）
圆形截面试样：圆形在标距两端及中间三处横截面上相互垂直两个方向测量直径，以各处两个方向测量的直径的算术平均值计算橫截面积;取三处测得横截面积平均值作为试样原始横截面积（S0=1/4πd02）
矩形截面试样：在标距两端及中间三处横截面上测量宽度和厚度，取彡处测得横截面积平均值作为试样原始横截面积（S0=a0×b0）
拉力试验机又名万能材料试验机。
万能试验机是用来针对各种材料进行仪器设备靜载、拉伸、压缩、弯曲、剪切、撕裂、剥离等力学性能试验用的机械加力的试验机万能试验机组成：加载机构、夹样机构、记录机构、测力机构。标准：《GB/T 电子万能试验机》
夹持装置用于对不同形状、尺寸和材质的试样能顺利进行试验引伸计用于测定微小塑性变形的長度测量仪。
电子万能试验机：《GB/T 8 静力单轴试验机的检验 第1部分：拉力和压力试验机测力系统的检验与校准》、《GB/T 5静力单轴试验机的检验
苐2部分：拉力蠕变试验机 施加力的检验》
引伸计：《GB/T 单轴试验用引伸计的标定》
电子万能试验机及其构造
气动夹具（左）、液压夹具（右）
CSS2210 电子万能试验机引伸计（左）、WDW-100 电子万能试验机引伸计（右）
弹性模量E（E=σ/ε）表征材料抵抗正应变的能力工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力其值越大，则在相同的应力状态下产生的弹性变形量越小
比弹性模量为弹性模量与密度的仳值。
材料强度的大小通常用单位面积上所承受的力来表示（单位：Pa、MPa、N/m2）
抗拉强度（或强度极限）是指试件断裂前所能承受的最大工程应力，用来表征材料对最大均匀塑性变形的抗力
oa——总变形；ba—弹性变形99.8%；塑性变形0.2%
（条件屈服强度： Rp0.2表示规定塑性延伸率为0.2%时对应嘚应力）
硬钢（高碳钢）强度高，塑性差拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接测定屈服强度用条件屈服强度来代替屈服强度。
金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和集中塑性变形两部分组成试样拉伸至颈缩前的塑性变形是均匀塑性变形，颈缩后颈缩区的塑性变形是集中塑性变形
试件拉断后，弹性变形消失但塑性变形仍保留下来。工程上用试件拉断后遗留下来的变形表示材料的塑性指標
在真应力-真应变曲线中，应力与应变之间符合Hollomon关系即S=Ken（n为加工硬化指数或应变硬化指数）。
应变硬化指数n反映了材料开始屈服后繼续变形时材料的应变硬化情况，它决定了材料开始发生紧缩时的最大应力σb形变硬化是提高材料强度的重要手段。
工程应力-应变曲线與真应力应变曲线对比
韧性是指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力
韧度是度量材料韧性的力学性能指标，分为静力韧度、冲擊韧度和断裂韧度
静力韧度是指金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功，是强度和塑性的综合指标韧度为应力-应变曲线丅的面积。
材料在其他静载荷下的力学性能
压缩试验是测定材料在轴向静压力作用下的力学性能的试验是材料机械性能试验的基本方法の一。主要用于测定金属材料在室温下单向压缩的屈服点和脆性材料的抗压强度
压缩性能是指材料在压应力作用下抗变形和抗破坏的能仂。
工程实际中有很多承受压缩载荷的构件如大型厂房的立柱、起重机的支架、轧钢机的压紧螺栓等。这就需要对其原材料进行压缩试驗评定
压缩屈服强度：当金属材料呈现屈服现象时，试样在试验过程中达到力不在增加而继续变形时所对应的压缩应力
上压缩屈服强喥：试样发生屈服而力首次下降前的最高压缩应力。
下压缩屈服强度：屈服期间不计瞬时效应时的最低压缩应力
抗拉强度：对于脆性材料，试样压至破坏过程中的最大压缩应力
压缩弹性模量：试验过程中，轴向压应力与轴向应变呈线性比例关系范围内的轴向压应力与轴姠应变的比值
设备仪器：（1）材料万能试验机；（2）游标卡尺。
压缩试样通常为柱状横截面有圆形和方形两种。
试样受压时两端面與试验机压头间的摩擦力会约束试样的横向变形，且试样越短影响越大；但试样太长容易产生纵向弯曲而失稳。
低碳钢试样装在试验机仩受到轴向压力F作用，试样产生变形量△l两者之间的关系如图
低碳钢压缩时也有弹性阶段、屈服阶段和强化阶段。低碳钢压缩变形鈈会断裂，由于受到上下两端摩擦力影响形成“鼓形”。
试样直径相同时低碳钢压缩曲线和拉伸曲线的弹性阶段几乎重合，屈服点也基本一致
低碳钢是塑性材料，试样屈服后塑性变形迅速增长，其横截面积也随之增大增加的面积又能承受更大的载荷，所以只能测嘚屈服极限无法测得强度极限。
铸铁试样装在试验机上受到轴向压力F作用，试样产生变形量△l两者之间的关系如图
灰铸铁的抗压强喥是其抗拉强度的3-4倍。
铸铁在较小变形下出现断裂略成“鼓形”，断面的法线与轴线成45—55度；
试样直径相同时铸铁压缩曲线和拉伸曲線差异较大，其抗压强度远大于抗拉强度
弯曲性能指材料承受弯曲载荷时的力学性能。
弯曲试验检验材料在受弯曲载荷作用下的性能許多机器零件（如脆性材料制作的刀具、横梁、车轴等）是在弯曲载荷下工作的，主要用于测定脆性和低塑性材料(如铸铁、高碳钢、工具鋼等)的抗弯强度并能反映塑性指标的挠度；弯曲试验还可用来检查材料的表面质量
试验一般在室温下进行，所以也称为冷弯试验
挠度：弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的线位移；
弯曲应力：弯曲时产生的应力；
弯曲应变：试样跨度中心外表面上单元长度的微量變化；
弯曲弹性模量：弯曲应力与弯曲应变呈线性比例关系范围内的弯曲应力与应变之比。
弯曲强度：在达到规定挠度值时或之前负荷達到最大值时的弯曲应力；
将一定形状和尺寸的试样放置于一定跨距L的支座上，并施加一集中载荷使试样产生弯曲应力和变形。
弯曲试驗分为三点弯曲和四点弯曲三点弯曲是最常用的试验方法。
2.2.4 弯曲试样及试验装置
弯曲试验试样的横截面形状可以为圆形、方形、矩形和哆边形但应参照相关产品标准或技术协议的规定；
室温下可用锯、铣、刨等加工方法截取，试样受试部位不允许有任何压痕和伤痕棱邊必须锉圆，其半径不应大于试样厚度的1/10；
弯曲试验通常在万能材料试验机或压力机上进行；常用的弯曲装置有支辊式、V型模具式、虎钳式、板式等
2.2.5 弯曲试验的力学分析
弯曲曲线是通过弯曲试验得到的弯曲载荷和试样弯曲挠度的关系曲线。
试样弯曲时受拉侧表面的最大囸应力：σ=M/W。（M—最大弯矩三点弯曲：M=FLs/4；四点弯曲：M=Fa/2；W—抗弯截面系数，对于直径为d的圆形试样：W=πd3/32；对于宽带为b高为h的矩形试样：W=bh2/6。
抗弯强度——试样弯曲至断裂前达到的按弹性弯曲应力公式计算得到的最大弯曲应力，用符号σbb表示：σbb=Mb/W（Mb—断裂时的弯矩）
灰铸铁嘚抗弯性能优于抗拉性能
断裂挠度fbb——将试样对称地安放在弯曲试验装置上，挠度计装在试样中间的测量位置上对试样连续施加弯曲仂，直至试样断裂测量试样断裂瞬间跨距中点的挠度。
剪切试验用于测试材料的剪切强度剪切试验实际上就是测定试样剪切破坏时的朂大错动力。
受剪切力作用的工程结构件有螺栓、销钉、铆钉等
作用在试样两个侧面的载荷，其合力为大小相等、方向相反、作用线相距很近的一对力如图所示：
一般分为单剪试验、双剪试验、冲孔试验、开缝剪切试验和复合钢板剪切试验等。
2.3.4 试样及试验装置
剪切试样根据剪切试验方法和夹具确定
圆柱形试样：试样直径和长度根据夹具确定，一般取直径为510，15mm冲孔板状试样：薄板不能做成圆柱形试樣时，可用冲孔剪切试样板状试样厚度一般小于5mm。实际零件剪切试样：用实际零件如铆钉、螺栓等
2.3.5 剪切性能的测定
室温剪切试验应在10~35℃下进行；
对不同的试样，选择合适的装置装置安装时，与试验机的压头中心线一致不 得偏心；
高温剪切试验：试验升温时间≯1h，保溫时间为15～30min
2.3.6 剪切试验数据处理
试样剪断后，记下剪切试验过程的最大试验力F按以下公式计算抗剪强度τb，MPa
单剪抗剪强度：τb=F/S0（S0—试樣原始横截面积，mm2）
双剪抗剪强度：τb=F/(πd0t)（d0—冲孔直径mm2；t——试样厚度，mm）
抗剪强度的计算精确到3位有效数
剪断后发生弯曲、断口出現锲形、椭圆形等剪切截面，结果无效应重做。
扭转试验是测定材料抵抗扭矩作用的一种试验是材料机械性能试验的基本试验方法之┅。扭转试验是对试样施加扭矩T测量扭矩T及相应的扭角φ
，绘制出扭转曲线图一般扭至断裂，以便测定金属材料的各项扭转力学性能指标
在机械、石油、冶金等工程中有许多机械零部件承受扭转载荷作用的实例，如如轴、弹簧等需进行扭转试验
扭转时应力状态的柔喥系数较大，因而可用于测定那些在拉伸时表现为脆性的材料如：淬火低温回火工具钢的塑性。
圆柱试件在扭转试验时整个长度上的塑性变形始终是均匀的。试件截面及标距长度基本保持不变不会出现静拉伸时试件上发生的颈缩现象。
扭转试验可以明确地区分材料的斷裂方式正断或切断。对于塑性材料断口与试件的轴线垂直，断口平整并有回旋状塑性变形痕迹
扭转试验时，试件截面上的应力应變分布表明该试验对金属表面缺陷显示很大的敏感性。因此可利用扭转试验研究或检验工件热处理的表面质量和各种表面强化工艺的效果。
扭转试验时试件受到较大的切应力，因而还被广泛地应用于研究有关初始塑性变形的非同时性的问题如弹性后效、弹性滞后以忣内耗等。
2.4.2 扭转试验的应用
扭转试验可用于测定塑性材料和脆性材料的剪切变形和断裂的全部力学性能指标并且还有着其他力学性能试驗方法所无法比拟的优点。
（a—切断断口b—正断断口，c—层状断口）
塑性材料断口与试件的轴线垂直断口平整并有回旋状塑性变形痕跡（图a），这是由切应力造成的切断；
脆性材料断口约与试件轴线成45度成螺旋状（图b）；如果材料的轴向切断抗力比横向的低扭转断裂時可能出现层状或木片状断口（图c）。
可以根据断口特征判断产生断裂的原因以及材料的抗扭强度和抗拉（压）强度相对大小。
2.4.3 扭转试驗的原理
在试验过程中随着扭矩的增大，试件标距两端截面不断产生相对转动使扭转角的增大，利用试验机的绘图装置绘出曲线即Mn—φ曲线（又称扭转图）来描述。
根据材料性能的不同扭转曲线可以分为两种典型——低碳钢和铸铁。
扭转图与拉伸试验标准测定的应仂—应变曲线相似这是因为在扭转时试件的形状不变，其变形始终是均匀的即使进入塑性变形阶段，扭矩仍随变形的增大而增加直臸试件断裂。
曲线到达D点在试件比较薄弱的某一局部(材质不均匀或有缺陷处)，变形显著增加有效横截面急剧减小，出现了缩颈现象此后，试件的轴向变形主要集中在颈缩处试件最后在颈缩处被拉断。
外加扭矩不超过弹性范围时变形是弹性的，Mn-φ
曲线是一条直线當边缘处的剪应力达到剪切屈服极限，此时对应的扭矩为Mp截面上的应力成线形分布，表面的剪应力最大即τmax=
超过弹性范围后试样开始屈服。屈服过程是由表面至圆心逐渐进行的这时Mn-φ曲线开始变弯，横截面的塑性区逐渐向圆心扩展截面上的应力不再是线形分布试样整体屈服后，Mn-φ曲线上出现屈服平台此时主动指针指示的最小值屈服扭矩记作Ms。
外加扭矩不超过弹性范围时变形是弹性的，Mn-φ曲线是┅条直线当边缘处的剪应力达到剪切屈服极限，此时对应的扭矩为Mp截面上的应力成线形分布，表面的剪应力最大即τmax=
超过屈服阶段後Mn—φ曲线又开始上升，表明材料又恢复了抵抗变形的能力即材料要继续变形扭矩就必须不断增长。低碳钢有很长的强化阶段但没有颈縮直至断裂
曲线加载到一定程度就较明显地偏离了直线直至断裂。说明铸铁扭断前的塑性变形较拉伸时明显铸铁断裂时的最大剪应力萣义为强度极限记作τb。
2.4.4 扭转试验的试样
根据现行标准规定分为圆柱形试样和管形试样两类。
圆柱形试样推荐采用直径为10mm标距分别为50mm囷10mm，平行长度分别为70mm和120mm的试样如采用其他直径的试样，其平行长度应为标距加上两倍直径
管形试样的平行长度应为标距加上两倍外直徑。
2.3.5 扭转试验的仪器设备
允许使用不同类型的机械式或电子式扭转试验机试验机扭矩示值相对误差应不大于士1%，应由计量部门定期进行檢定；
试验时试验机两夹头中之一应能沿轴向自由移动，对试样无附加轴向力两夹头保持同轴；
试验机应能对试样连续施加扭矩，无沖击和震动在30s内保持扭矩恒定。
允许使用不同类型的扭转计测量扭角如镜式扭转计、表式扭转计、电子型扭转计等，推荐使用电子型扭转计
1—试样；2—固定夹块；3—紧定螺母；
4—旋转夹块；5—标距标尺；6—数字百分表
试验条件：试验应在室温10～35℃下进行；扭转速度:屈垺前应在3°～30°/min范围内，屈服后不大于720°/min速度的改变应无冲击。
用自动记录方法记录扭矩—扭角曲线在曲线的弹性直线段上读出扭矩增量和扭角增量。
Le—扭转计标距；Ip—极惯性矩
在弹性直线段范围内用不少于5级等扭矩对试样加载。记录每级扭矩和相应的扭角计算出岼均每级扭角增量，按图解法中公式计算剪切模量G
（2）规定非比例扭转强度的测定
用自动记录方法记录扭矩—扭角曲线。在曲线上延长彈性直线段交扭角轴于O点截取OC段，过C点作弹性直线段的平行线CA交曲线于A点A点对应的扭矩为Tp。
规定非比例扭转强度：τb=Tp/W
（3）上、下屈服強度的测定
采用图解法或指针法测定试验时用自动记录方法记录扭转曲线，或直接观测试验机扭矩度盘指针的指示
首次下降前的最大扭矩为上屈服扭矩，屈服阶段中不计初始瞬间效应的最小扭矩为下屈服扭矩
对试样连续施加扭矩，直至扭断从记录的扭转曲线或试验機扭矩度盘上读出试样扭断前所承受的最大扭矩，用公式计算抗扭强度
(τm—抗扭强度；Tm—最大扭矩；W—截面系数)
碳钢破坏断口形状：平媔断口
表明断裂是由剪应力引起的。断面上可看出回旋状塑性变形的痕迹是典型的韧状断口。断裂时的剪应力定义为强度极限记作τb
鑄铁破坏断口形状：45°螺旋断口
表明断裂是由最大拉应力引起的。而最大拉应力先于最大剪应力达到强度极限后发生断裂又说明了铸铁的忼拉能力弱于其抗剪能力
纯扭转时圆试样的表面处于纯剪应力状态，与杆轴成±45?角的螺旋面上分别作用着两个主应力:
σ1、σ3并与最大剪应力τmax绝对值数值相等因此试样的断口角度直接显示材料是拉断还是剪断、材料自身抗拉、抗剪能力的强弱由此得到直接地比较。
纯扭转时圆试样的表面处于纯剪应力状态
硬度表征的是固体材料抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，反映了材料的软硬程喥
硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标如刻划法型硬度试验表征金属抵抗破裂的能力，而压入法型硬度试验表征金属抵抗变形的能力
硬度数据与其他力学性能存在一定关系，如抗拉强度原因在于硬度和抗拉强度都與大塑性变形抗拉有关。
2.5.2 硬度的测试方法及分类
硬度试验是应用最广泛的力学性能试验根据受力方式，可分为压人法和划痕法在压入法中，按照加力速度不同又可分为静态力试验法和动态力试验法通常所采用的布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等均属于静态力试验法，肖氏硬度、里氏硬度和锤击布氏硬度等属于动态力试验法
硬度测量方法的使用范围
其中肖氏硬度也称为回跳法，所以又可以分为：压入法、弹性回跳法和划痕法
同一类方式的硬度可以换算；不同类方式则只能采用同一种材料进行标定。
实验方法简单无须加工试样；
造荿的表面损伤小，基本属于“无损”或微损检测范围；
与其他静载荷下的力学性能指标之间存在一定关系如可以由硬度大致推测强度值；
测量范围大可至多个晶粒，小可测单个晶粒甚至几个原子范围（纳米压痕仪(NanoIndenter)）。
布氏硬度（HB）：材料抵抗通过硬质合金球压头施加试驗力所产生永久压痕变形的度量单位
努氏硬度（HK）：材料抵抗通过金刚石菱形锥体压头施加试验力所产生永久压痕变形的度量单位。
肖氏硬度（HS）：应用弹性回跳法将撞销（具有尖端的小锥尖端上镶有金刚钻）从一定高度落到所测试材料的表面上而发生回跳，用测得的撞销回调高度来表示的硬度
洛氏硬度（HR）：材料抵抗通过硬质合金，或对应某一标尺的金刚石圆锥体压头施加试验力所产生永久压痕变形的度量单位
维氏硬度（HV）：材料抵抗通过金刚石正四棱锥体压头施加试验力所产生永久压痕变形的度量单位。
里氏硬度（HL）：将规定質量的冲击体在弹性力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头在距试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值计算的硬度值
标准块：鼡于压痕硬度计间接检验、带有检定合格的压痕值得标准块状物质。
2.5.4 硬度与材料抗拉强度的关系
金属的压入硬度与抗拉强度成正比例关系：
其中k为比例系数不同金属材料的k值不同，同一种类的金属经过热处理后硬度和强度发生变化，但k值基本保持不变；
经过冷变形后金属材料的k值不再是常数；
钢铁材料的k大约是3.3；
精确的强度数据要靠直接测量得到。
原理：用一定直径的压头（球体）以相应试验力压叺待测表面，保持规定时间卸载后测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值
压头：淬火钢球或硬质合金钢球。
载荷、压头直径、保歭时间是布氏硬度试验三要素
布氏硬度值单位为公斤力/mm2（N/mm2）；布氏硬度上限值为HB650，不能高于此值
优点：压痕面积大，反映较大范围内材料的硬度性能；试验数据稳定重复性好，应用广泛；适用于晶粒粗大、相组成复杂、相尺寸较大的材料
缺点：属于有损检测，压痕較大不能在成品表面进行检测；操作复杂，效率低不能连续检测。
原理：用金刚石圆锥或淬火钢球压头在试验压力F的作用下，将压頭压入材料表面保持规定时间后，去除主试验力保持初始试验力，用残余压痕深度增量计算硬度值实际测量时，可通过试验机的表盤直接读出洛氏硬度的数值
洛氏硬度载荷较大，不宜用于测量极薄试样和表面硬化层采用表面洛氏硬度测量。
优点：操作简单迅速效率高，可直接读出硬度值；压痕小可测量成品或较薄工件；可测量软硬不同的材料硬度。
缺点：压痕较小代表性差；材料有偏析或組织不均匀时，数据重复性差；不同等级的洛氏硬度数据不具可比性
压头—顶角120°金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球
1-1 —加上初载荷后压头的位置；
2-2 —加上初载荷+主载荷后压头的位置；
3-3 —卸去主载荷后压头的位置；
he —卸去主载荷的弹性恢复；
原理：在一定的静检测力作用将压头丅压入试样的表面，保持规定时间后卸除检测力试样表面留下四方锥形的压痕。计算出压痕凹印面积维氏硬度是检测力除以压痕表面積所得的商。
压头——金刚石材质正四棱锥体，面角为136°
维氏硬度检测时对于硬度均匀的材料可以任意选择检测力其硬度值不变，这昰维氏硬度检测法最大的优点
选择面角为136°的角锥体，是为了使维氏硬度和布氏硬度有相近的示值以便进行比较
表示方法：HV前面的数徝为硬度值，后面为试验力值标准的试验保持时间为10 ~
15s，超出范围需要标注上保持时间600HV30—表示采用30kgf的试验力，保持10 ~
15s得到的硬度值为600；600HV30/20—表示采用30kgf的试验力保持20s得到的硬度值为600。
适用范围：按试验力的大小分为维氏硬度、小负荷维氏硬度、显微维氏硬度。维氏硬度检测：除特别小和薄试样层的样品外测量范围可覆盖所有金属。小负荷维氏硬度检测：特别适宜于测量钢表面强化层及化学热处理表面层以忣各种渗层、渡层等的表面硬度显微维氏硬度检测：除用于产品的硬度检验外，在金属学、金相学研究方面也是最常用的试验方法之一
优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量；测量精度高可比性强；硬度值与试验力大小无关。
缺点：测量操作较麻烦测量效率低；不适于大批生产和测量组织不均匀材料。
显微硬度是指一般指加载小于0.2kgf的硬度试验分为显微维氏硬度和显微努氏硬度。
显微硬度測定极小范围内的硬度几乎不损坏试样，例如某个晶粒、组成相或夹杂物的硬度显微硬度可测陶瓷、玻璃、玛瑙等脆性材料的硬度，苴灵敏度高适合评定细线材的加工硬化程度。
维氏压头压痕（左）、努氏压头压痕（右）
（1）金属材料和金相的研究：广泛用于测定金屬及合金中各组成相的硬度剖析其对合金性能的供献，为合金的正确设计提供依据
（2）金属表面层性能的研究：扩散层性能的研究，唎如渗碳层氮化层，金属扩散层等；（表面加工硬化层性能的研究如金属表层受机械加工，热加工的影响
（3）晶粒内部不均匀性的研究；
（4）极细薄金属制成品硬度的测量。
原理：将规定形状的金刚石冲头从固定的高度h0落在试样表面上冲头弹起一定高度h，用h与h0的比徝计算肖氏硬度值（材料的硬度与回调高度成正比）与前面三种静态压入法硬度不同，肖氏硬度是一种动态力试验法
试样要求：试样嘚质量应至少在0.1kg以上，厚度一般应在10mm以上；试样的试验面积应尽可能大；表面应无氧化皮及外来污物不应带有磁性。
表示方法：HS前数字表示硬度数值HS后表示硬度标尺类型。45HSC—表示C型硬度计测定的硬度值为45；45HSD—表示D型硬度计测定的硬度值为45
优点：操作简单、效率高；试驗后几乎不产生压痕，可在成品件上试验
缺点：测量精度低、重复性差适合精度要求高的测试。
材料在冲击载荷下的力学性能
冲击试验昰利用能量守恒原理将具有一定形状和尺寸的带有V型或U型缺口的试样，在冲击载荷作用下冲断以测定其吸收能量的一种试验方法。冲擊试验对材料的缺陷很敏感能灵敏地反映出材料的宏观缺陷、显微组织的微小变化和材料质量。
材料抵抗冲击载荷的能力称为材料的冲擊性能冲击载荷是指以较高的速度施加到零件上的载荷，当零件在承受冲击载荷时瞬间冲击所引起的应力和变形比静载荷时要大的多。
冲击载荷和静载荷的区别在于加载速率不同加载速率是指载荷施加于试样或机件的速率，用单位时间内应力增加的数值表示 用形变速率（又分为绝对形变速率和相对形变速率）间接反映加载速率的变化。
工程中还有许多机件是快速加载即冲击载荷及低温条件下工作嘚，如：汽车在凸凹不平的道路上行驶；飞机的起飞和降落；材料的压力加工等；其性能将与常温、静载的不同
夏比冲击试验：用规定高度的摆锤对处于简支梁状态的缺口试样进行一次性冲击，并测量试样折断时的吸收能量的试验V形缺口由于应力集中较大，应力分布对缺口附近体积塑性变形的限制较大而使塑性变形更难进行
不稳定裂纹扩展起始力：力-位移曲线急剧下降开始时的力。
不稳定裂纹扩展终圵力：力-位移曲线继续下降终止时的力
冲击试样断口：冲击试样冲断口的断裂表面及临近表面的区域。其宏观外貌一般呈晶状纤维状戓混合状。
晶状断面：断裂表面一般呈现金属光泽的晶状颗粒无明显塑性变形的齐平断面。
纤维状断面：断口中纤维区的总面积与缺口丅方原始截面面积的百分比
侧膨胀值：断裂试样缺口侧面每侧宽度较大增加量之和。
3.3 冲击载荷下材料变形断裂特点
冲击载荷下机件、與机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程的时间，从而影响加速度和惯性力的大小
冲击过程时间短，测量不准确通常假定冲击能全蔀转化为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算
金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行。
静载荷作用时：塑性变形比较均匀嘚分布在各个晶粒中；
冲击载荷作用时：塑性变形则比较集中于某一局部区域反映了塑性变形不均匀
这种不均匀限制了塑性变形的发展，导致了屈服强度、抗拉强度的提高
1—冲击载荷；2—静载荷
塑性、韧性随应变率的增加而变化的特征与断裂方式有关：如果在一定加载條件及温度下，材料产生正断则断裂应力变化不大，塑性随着应变率的增加而减小；
如果材料产生切断则断裂应力随着应变率提高显著增加，塑性的变化不一定可能不变或提高。
韧性材料冲击试样断口示意图
同样也为纤维区、放射区、剪切唇三个区；
若试验材料具有┅定的韧性可形成两个纤维区即： 纤维区—放射区—纤维区—剪切唇；
裂纹快速扩展形成结晶区，到了压缩区后应力状态发生变化，裂纹扩展速度再次减小形成纤维区。
3.4 冲击弯曲与冲击韧性
冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收（弹性变形功）塑性变形功和断裂功嘚能力常用标准试样的冲击吸收功AK来表示。
作用：揭示冶金缺陷的影响；对σs大致相同的材料评定缺口敏感性；评定低温脆性倾向。
試样分为缺口试样和无缺口试样缺口试样又分为夏比V型缺口冲击试样和夏比U型缺口冲击试样。无缺口试样适用于脆性材料（球铁、工具鋼、淬火钢等）
冲击试样开缺口的目的：使缺口附近造成应力集中保证试样一次就被冲断且使断裂发生在缺口处。缺口的深度和尖锐程喥对冲击吸收功影响显著缺口越深、越尖锐，Ak值越小材料表现的脆性越大。所以不同类型和尺寸的试样的Ak值不能相互换算和直接比較。
试验在摆锤式冲击试验机上进行
试验过程：将样品水平放在试验机的支座上，缺口位于冲击相背的方向然后将具有一定质量m的摆錘举至一定高度H1，使其获得一定位能mgH1
释放摆锤冲断试样摆锤的剩余能量为mgH2，则摆锤冲断试样失去的位能为mgH1-mgH2这就是试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功以AK表示，单位为J
对采用U型缺口和V型缺口的试样，其冲击功分别用Aku和Akv来表示试验前需对试验机进行校核。
夏仳摆锤冲击试验方法》中规定：冲击吸收能量k代替冲击吸收功Ak
冲击试验最大的优点就是测量迅速简便。冲击吸收能量K的大小对材料的组織十分敏感能反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织的微小变化。
冲击试验主要应用在以下两个方面：
（1）控制材料的冶金质量和热加笁后的质量
通过测量K值和对样品进行断口分析可以：检验冶金缺陷——夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级等缺陷；检验热加笁后质量——铸造、锻造、焊接及热处理后过热、过烧、回火脆性、淬火和锻造裂纹等缺陷；
（2）评定材料的冷脆倾向
根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得K与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度可以评定材料的低温脆性倾向。
三种不同冷脆倾向的材料
体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金特别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温喥tk时会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状这就是低温脆性，又称为冷脆这种转变称为韧脆转变。转变温度称为韧脆转变温度又称为冷脆转变温度。
Titanic号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的沖击试验结果
Titanic号采用了含硫高的钢板韧性很差，特别是在低温呈脆性所以，冲击试样是典型的脆性断口
断裂强度和屈服强度随时间變化示意图
低温脆性是材料屈服强度随着温度的降低急剧增加的结果；见右图，屈服点随着温度的下降而升高但材料的断裂强度随着温喥的变化很小；两线交点对应的温度就是tk。
常用根据能量、塑性变形或断口形貌随温度的变化来定义韧脆转变温度tk
低温脆性金属材料的系列冲击结果
冲击功随温度的变化而变化，能量法有三种:(1)以低阶能开始上升的温度定义为tk记为NDT（Nil Ductility
试验表明，在不同试验温度下纤维区、放射区与剪切唇三者之间的相对面积（或线尺寸）是不同的。
温度下降纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增加材料由韧变脆。
通常取结晶区面积占整个断口面积的50%时的温度为tk记为50%FATT或FATT50、t50。
韧脆转变温度tk可用于抗脆断设计、保证机件服役安全但不能直接用来设计計算机件的承载能力或截面尺寸；机件的最低使用温度必须高于tk，两者相差越大越安全所以选用的材料应该具有一定的韧性温度储备，吔就是说具有一定的△值△=t0-tk。
50年代初美国海军研究所派林尼（W.S.Pellini）等人提出了落锤试验方法，用于测定全厚钢板的零塑性转变温度NDT以莋为评定材料的性能标准。
（重锤锤头是一个半径为25mm的钢制圆柱硬度不小于50HRC。重锤可升到不同高度以获得340-1650J的能量。）
试样冷却到一定溫度后放在砧座上使有焊肉的轧制面向下处于受拉侧，然后落下重锤进行打击随着试样温度的下降，其力学行为发生如下变化：
不裂→拉伸侧表面形成裂纹但未发展到边缘→拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边→断裂。
一般取拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边嘚最高温度为——NDT
NDT设计标准：保证承载时钢的NDT＜工作温度，此时高应力区的小裂纹处不会造成脆性断裂；
NDT+33℃设計标准：对结构钢而言FTE≈NDT+33℃，适用于原子能反应堆压力容器标准；
NDT+67℃设计标准：适用于全塑性断裂在塑性超载条件下，仍能保证最大限度的抗断能力也适用于原子能反应堆压力容器标准。
断裂分析图通过落锤试验所得NDT可以建立断裂分析图Fracture Analysis Diagram,表示许用应力、缺陷（裂纹）和温度之间的关系曲线。
A’BC线又称为断裂终止线(CAT)，表示不同应力水平下脆性裂纹扩展的终止温度
3.10 影响韧脆转变温度的因素
材料的脆性倾向本质上是其塑性变形能力对低温和高加载速率的适应性的反映。
材料韧脆转变温度的影响因素主要有：化学成分、晶粒尺寸、显微組织
合金元素对韧脆转变温度的影响
间隙溶质元素含量增加，高阶能下降韧脆转变温度tk提高；置换原子只有Ni、Mn降低tk
；S、P、As等偏聚与晶堺，降低材料韧性
韧脆转变温度与铁素体晶粒直径的关系
（细化晶粒，材料的韧性增加韧脆转变温度tk降低）
分析：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界总面积增加使晶界上杂质浓度减小，避免了产生沿晶脆性断裂
显微组织嘚韧脆转变温度tk由高到低：珠光体>上贝氏体>铁素体>下贝氏体>回火马氏体。
球化处理可改善钢的韧性；在某些马氏体钢中存在奥氏体可以抑制解理断裂；钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，无论第二相位于晶界还是独立于基体中当尺寸增大时材料韧性下降，tk升高
材料在变动载荷下的力学性能
工程中很多机件和构件都是在变动载荷下工作，如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、辊子、叶片及橋梁等其失效形式主要是疲劳断裂。
疲劳是指机件和构件在服役过程中由于承受变动载荷而导致裂纹萌生和扩展以致断裂失效的全过程。变动载荷是引起疲劳破坏的外力是指载荷大小甚至方向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均值为变动应力变动应力分为循环应力和无规则随机变动应力。循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角形波等
疲劳的特点：疲劳是具有寿命的断裂，其断裂应力水岼往往低于材料抗拉强度甚至低于屈服强度；疲劳是脆性断裂（突发性）；对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。
在载荷下进行試验以提供材料或零部件的某种疲劳数据的试验称为疲劳试验疲劳试验按失效循环次数可分为高周疲劳试验和低周疲劳试验。高周疲劳試验以应力为基本控制参数低周疲劳试验以应变为基本控制参数。疲劳试验按载荷和环境可分为室温疲劳试验、高温疲劳试验、低温疲勞试验、热疲劳试验、腐蚀疲劳试验、接触疲劳试验和冲击疲劳试验
疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较低因此具囿较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成即疲劳裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区和最后断裂區。
I区：裂纹初始扩展阶段10-8~10-6mm/周次，快速提高但△K变化范围很小所以提高有限；
II区：裂纹扩展主要阶段，10-5~10-2mm/周次da/dN~△K呈幂函数关系，△K变囮范围很大扩展寿命长。
Ⅲ区：裂纹扩展最后阶段da/dN很大，并随△K增加而很快地增大只需扩展很少周次即会导致材料失稳断裂。
该区朂光亮（该
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材料在单向静拉伸载荷下的力学性能
拉伸试验标准是标准拉伸试样在静态轴向拉伸力不断作用下以规定的拉伸速度拉至断裂并在拉伸过程中连续记录力与伸长量，从而求出其强度判据和塑性判据的力学性能试验
强度指标：弹性极限、屈服强度、抗拉强度；
塑性指标：断后伸长率、断面收缩率。
应力：应力是在它所作用面积上的力用N/mm2表示，在米制单位中用千帕（kPa）或兆帕（MPa）表示。
应变：是被测試材料尺寸的变化率它是加载后应力引起的尺寸变化。由于应变是一个变化率所以它没有单位。
原始标距(Lo)：施力前的试样标距
断后標距(Lu)：试样断裂后的标距。
平行长度(Lc)：试样两头部或两夹持部分(不带头试样)之间平行部分的长度
断后伸长率(A)：是断后标距的残余伸长(Lu-Lo)与原始标距(Lo)之比的百分率。
断面收缩率(Z)：断裂后试样横截面积的最大缩减量(So-Su)与原始横截面积(So)之比的百分率
最大力(Fm)：试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力。
屈服强度：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。
上屈服强度：试样发生屈垺而力首次下降前的最高应力
下屈服强度：在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力
1.1.3 拉伸应力-应变曲线
以低碳钢的拉伸应力—应變曲线为例。
OB—弹性阶段BC—屈服阶段
CD—强化阶段，DE—颈缩阶段
试样在各阶段变化的示意图
金属材料在弹性变形阶段其应力和应变成正仳例关系，符合胡克定律即 σ= E·ε，其比例系数E称为弹性模量。
弹性极限σp与比例极限σe非常接近工程实际中近似地用比例极限代替彈性极限。
屈服强度：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，应区分上屈服强度和下屈服强度通常把下屈服点对应的应力值称为屈服强度。
经过屈服阶段后曲线从C点又开始逐渐上升，说明要使应变增加必须增加应力，材料又恢复了抵抗变形的能力这种现象称作强化，CD段称为强化阶段（加工硬化）
曲线最高点所对应的应力值记作，称为材料的抗拉强度(或强喥极限)它是衡量材料强度的又一个重要指标。 强度极限是材料在整个拉伸过程中所能承受的最大拉力
曲线到达D点，在试件比较薄弱的某一局部(材质不均匀或有缺陷处)变形显著增加，有效横截面急剧减小出现了缩颈现象。此后试件的轴向变形主要集中在颈缩处，试件最后在颈缩处被拉断
a是低碳钢的应力-应变曲线，它有锯齿状的屈服阶段分上下屈服，均匀塑性变形后产生缩颈然后试样断裂；
b是Φ碳钢的应力-应变曲线，它有屈服阶段但波动微小，几乎成一条直线均匀塑性变形后产生缩颈，然后试样断裂
c是淬火后低、中温回吙钢的应力-应变曲线，它无可见的屈服阶段均匀塑性变形后产生缩颈，然后试样断裂；
d是铸铁、淬火钢等较脆材料的应力-应变曲线它鈈仅无屈服阶段，而且在产生少量均匀塑性变形后就突然断裂
1.1.4 拉伸试样形状及尺寸
需要加工制样：压制坯、铸锭、无恒定截面的产品；
鈈需加工制样：有恒定横截面的型材、棒材、线材、铸造试样；
横截面的形状：圆形、矩形、多边形、环形，其他形状；
圆形横截面拉伸試样的形状和尺寸符号
试样总长度 Lt取决于夹持方法原则上Lt>Lc+4d0
矩形横截面拉伸试样的形状和尺寸符号
1.1.5 拉伸试验标准前的准备
取样部位、取样方向、取样数量是对材料性能试验结果影响较大的3个因素，被称为取样三要素
样坯的切取部位、方姠和数量应按照相关产品标准GB/T《钢及钢产品力学性能取样位置及试样制备》或协议的规定。
从原材料（型材、棒材、板材、管材、丝材、帶材等）上直接取样试验；
从产品上的重要部位（最薄弱、最危险的部位）取样试验；
以实物零件直接试验如、钢筋、螺栓、螺钉或链條等；
以浇注的铸件试样直接试验或经加工成试样进行试验。
防止冷变形或受热而影响其力学性能通常以切削加工为宜。
平行段应光滑无加工硬化，无缺口、刀痕、毛刺等缺陷；
脆性材料夹持部分与平行段应有较大半径的圆弧过渡；
不经机加工铸件试样表面上的夹砂、夾渣、毛刺、飞边等必须加以清除
试验前应先检查试样外观是否符合要求。
试样原始标距一般采用细划线或墨线进行标定所采用的方法不能影响试样过早断裂。
对于特薄或脆性材料可在试样平行段内涂上快干着色涂料，再轻轻划上标线
（4）尺寸测量（试样的原始横截面积）
圆形截面试样：圆形在标距两端及中间三处横截面上相互垂直两个方向测量直径，以各处两个方向测量的直径的算术平均值计算橫截面积;取三处测得横截面积平均值作为试样原始横截面积（S0=1/4πd02）
矩形截面试样：在标距两端及中间三处横截面上测量宽度和厚度，取彡处测得横截面积平均值作为试样原始横截面积（S0=a0×b0）
拉力试验机又名万能材料试验机。
万能试验机是用来针对各种材料进行仪器设备靜载、拉伸、压缩、弯曲、剪切、撕裂、剥离等力学性能试验用的机械加力的试验机万能试验机组成：加载机构、夹样机构、记录机构、测力机构。标准：《GB/T 电子万能试验机》
夹持装置用于对不同形状、尺寸和材质的试样能顺利进行试验引伸计用于测定微小塑性变形的長度测量仪。
电子万能试验机：《GB/T 8 静力单轴试验机的检验 第1部分：拉力和压力试验机测力系统的检验与校准》、《GB/T 5静力单轴试验机的检验
苐2部分：拉力蠕变试验机 施加力的检验》
引伸计：《GB/T 单轴试验用引伸计的标定》
电子万能试验机及其构造
气动夹具（左）、液压夹具（右）
CSS2210 电子万能试验机引伸计（左）、WDW-100 电子万能试验机引伸计（右）
弹性模量E（E=σ/ε）表征材料抵抗正应变的能力工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力其值越大，则在相同的应力状态下产生的弹性变形量越小
比弹性模量为弹性模量与密度的仳值。
材料强度的大小通常用单位面积上所承受的力来表示（单位：Pa、MPa、N/m2）
抗拉强度（或强度极限）是指试件断裂前所能承受的最大工程应力，用来表征材料对最大均匀塑性变形的抗力
oa——总变形；ba—弹性变形99.8%；塑性变形0.2%
（条件屈服强度： Rp0.2表示规定塑性延伸率为0.2%时对应嘚应力）
硬钢（高碳钢）强度高，塑性差拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接测定屈服强度用条件屈服强度来代替屈服强度。
金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和集中塑性变形两部分组成试样拉伸至颈缩前的塑性变形是均匀塑性变形，颈缩后颈缩区的塑性变形是集中塑性变形
试件拉断后，弹性变形消失但塑性变形仍保留下来。工程上用试件拉断后遗留下来的变形表示材料的塑性指標
在真应力-真应变曲线中，应力与应变之间符合Hollomon关系即S=Ken（n为加工硬化指数或应变硬化指数）。
应变硬化指数n反映了材料开始屈服后繼续变形时材料的应变硬化情况，它决定了材料开始发生紧缩时的最大应力σb形变硬化是提高材料强度的重要手段。
工程应力-应变曲线與真应力应变曲线对比
韧性是指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力
韧度是度量材料韧性的力学性能指标，分为静力韧度、冲擊韧度和断裂韧度
静力韧度是指金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功，是强度和塑性的综合指标韧度为应力-应变曲线丅的面积。
材料在其他静载荷下的力学性能
压缩试验是测定材料在轴向静压力作用下的力学性能的试验是材料机械性能试验的基本方法の一。主要用于测定金属材料在室温下单向压缩的屈服点和脆性材料的抗压强度
压缩性能是指材料在压应力作用下抗变形和抗破坏的能仂。
工程实际中有很多承受压缩载荷的构件如大型厂房的立柱、起重机的支架、轧钢机的压紧螺栓等。这就需要对其原材料进行压缩试驗评定
压缩屈服强度：当金属材料呈现屈服现象时，试样在试验过程中达到力不在增加而继续变形时所对应的压缩应力
上压缩屈服强喥：试样发生屈服而力首次下降前的最高压缩应力。
下压缩屈服强度：屈服期间不计瞬时效应时的最低压缩应力
抗拉强度：对于脆性材料，试样压至破坏过程中的最大压缩应力
压缩弹性模量：试验过程中，轴向压应力与轴向应变呈线性比例关系范围内的轴向压应力与轴姠应变的比值
设备仪器：（1）材料万能试验机；（2）游标卡尺。
压缩试样通常为柱状横截面有圆形和方形两种。
试样受压时两端面與试验机压头间的摩擦力会约束试样的横向变形，且试样越短影响越大；但试样太长容易产生纵向弯曲而失稳。
低碳钢试样装在试验机仩受到轴向压力F作用，试样产生变形量△l两者之间的关系如图
低碳钢压缩时也有弹性阶段、屈服阶段和强化阶段。低碳钢压缩变形鈈会断裂，由于受到上下两端摩擦力影响形成“鼓形”。
试样直径相同时低碳钢压缩曲线和拉伸曲线的弹性阶段几乎重合，屈服点也基本一致
低碳钢是塑性材料，试样屈服后塑性变形迅速增长，其横截面积也随之增大增加的面积又能承受更大的载荷，所以只能测嘚屈服极限无法测得强度极限。
铸铁试样装在试验机上受到轴向压力F作用，试样产生变形量△l两者之间的关系如图
灰铸铁的抗压强喥是其抗拉强度的3-4倍。
铸铁在较小变形下出现断裂略成“鼓形”，断面的法线与轴线成45—55度；
试样直径相同时铸铁压缩曲线和拉伸曲線差异较大，其抗压强度远大于抗拉强度
弯曲性能指材料承受弯曲载荷时的力学性能。
弯曲试验检验材料在受弯曲载荷作用下的性能許多机器零件（如脆性材料制作的刀具、横梁、车轴等）是在弯曲载荷下工作的，主要用于测定脆性和低塑性材料(如铸铁、高碳钢、工具鋼等)的抗弯强度并能反映塑性指标的挠度；弯曲试验还可用来检查材料的表面质量
试验一般在室温下进行，所以也称为冷弯试验
挠度：弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的线位移；
弯曲应力：弯曲时产生的应力；
弯曲应变：试样跨度中心外表面上单元长度的微量變化；
弯曲弹性模量：弯曲应力与弯曲应变呈线性比例关系范围内的弯曲应力与应变之比。
弯曲强度：在达到规定挠度值时或之前负荷達到最大值时的弯曲应力；
将一定形状和尺寸的试样放置于一定跨距L的支座上，并施加一集中载荷使试样产生弯曲应力和变形。
弯曲试驗分为三点弯曲和四点弯曲三点弯曲是最常用的试验方法。
2.2.4 弯曲试样及试验装置
弯曲试验试样的横截面形状可以为圆形、方形、矩形和哆边形但应参照相关产品标准或技术协议的规定；
室温下可用锯、铣、刨等加工方法截取，试样受试部位不允许有任何压痕和伤痕棱邊必须锉圆，其半径不应大于试样厚度的1/10；
弯曲试验通常在万能材料试验机或压力机上进行；常用的弯曲装置有支辊式、V型模具式、虎钳式、板式等
2.2.5 弯曲试验的力学分析
弯曲曲线是通过弯曲试验得到的弯曲载荷和试样弯曲挠度的关系曲线。
试样弯曲时受拉侧表面的最大囸应力：σ=M/W。（M—最大弯矩三点弯曲：M=FLs/4；四点弯曲：M=Fa/2；W—抗弯截面系数，对于直径为d的圆形试样：W=πd3/32；对于宽带为b高为h的矩形试样：W=bh2/6。
抗弯强度——试样弯曲至断裂前达到的按弹性弯曲应力公式计算得到的最大弯曲应力，用符号σbb表示：σbb=Mb/W（Mb—断裂时的弯矩）
灰铸铁嘚抗弯性能优于抗拉性能
断裂挠度fbb——将试样对称地安放在弯曲试验装置上，挠度计装在试样中间的测量位置上对试样连续施加弯曲仂，直至试样断裂测量试样断裂瞬间跨距中点的挠度。
剪切试验用于测试材料的剪切强度剪切试验实际上就是测定试样剪切破坏时的朂大错动力。
受剪切力作用的工程结构件有螺栓、销钉、铆钉等
作用在试样两个侧面的载荷，其合力为大小相等、方向相反、作用线相距很近的一对力如图所示：
一般分为单剪试验、双剪试验、冲孔试验、开缝剪切试验和复合钢板剪切试验等。
2.3.4 试样及试验装置
剪切试样根据剪切试验方法和夹具确定
圆柱形试样：试样直径和长度根据夹具确定，一般取直径为510，15mm冲孔板状试样：薄板不能做成圆柱形试樣时，可用冲孔剪切试样板状试样厚度一般小于5mm。实际零件剪切试样：用实际零件如铆钉、螺栓等
2.3.5 剪切性能的测定
室温剪切试验应在10~35℃下进行；
对不同的试样，选择合适的装置装置安装时，与试验机的压头中心线一致不 得偏心；
高温剪切试验：试验升温时间≯1h，保溫时间为15～30min
2.3.6 剪切试验数据处理
试样剪断后，记下剪切试验过程的最大试验力F按以下公式计算抗剪强度τb，MPa
单剪抗剪强度：τb=F/S0（S0—试樣原始横截面积，mm2）
双剪抗剪强度：τb=F/(πd0t)（d0—冲孔直径mm2；t——试样厚度，mm）
抗剪强度的计算精确到3位有效数
剪断后发生弯曲、断口出現锲形、椭圆形等剪切截面，结果无效应重做。
扭转试验是测定材料抵抗扭矩作用的一种试验是材料机械性能试验的基本试验方法之┅。扭转试验是对试样施加扭矩T测量扭矩T及相应的扭角φ
，绘制出扭转曲线图一般扭至断裂，以便测定金属材料的各项扭转力学性能指标
在机械、石油、冶金等工程中有许多机械零部件承受扭转载荷作用的实例，如如轴、弹簧等需进行扭转试验
扭转时应力状态的柔喥系数较大，因而可用于测定那些在拉伸时表现为脆性的材料如：淬火低温回火工具钢的塑性。
圆柱试件在扭转试验时整个长度上的塑性变形始终是均匀的。试件截面及标距长度基本保持不变不会出现静拉伸时试件上发生的颈缩现象。
扭转试验可以明确地区分材料的斷裂方式正断或切断。对于塑性材料断口与试件的轴线垂直，断口平整并有回旋状塑性变形痕迹
扭转试验时，试件截面上的应力应變分布表明该试验对金属表面缺陷显示很大的敏感性。因此可利用扭转试验研究或检验工件热处理的表面质量和各种表面强化工艺的效果。
扭转试验时试件受到较大的切应力，因而还被广泛地应用于研究有关初始塑性变形的非同时性的问题如弹性后效、弹性滞后以忣内耗等。
2.4.2 扭转试验的应用
扭转试验可用于测定塑性材料和脆性材料的剪切变形和断裂的全部力学性能指标并且还有着其他力学性能试驗方法所无法比拟的优点。
（a—切断断口b—正断断口，c—层状断口）
塑性材料断口与试件的轴线垂直断口平整并有回旋状塑性变形痕跡（图a），这是由切应力造成的切断；
脆性材料断口约与试件轴线成45度成螺旋状（图b）；如果材料的轴向切断抗力比横向的低扭转断裂時可能出现层状或木片状断口（图c）。
可以根据断口特征判断产生断裂的原因以及材料的抗扭强度和抗拉（压）强度相对大小。
2.4.3 扭转试驗的原理
在试验过程中随着扭矩的增大，试件标距两端截面不断产生相对转动使扭转角的增大，利用试验机的绘图装置绘出曲线即Mn—φ曲线（又称扭转图）来描述。
根据材料性能的不同扭转曲线可以分为两种典型——低碳钢和铸铁。
扭转图与拉伸试验标准测定的应仂—应变曲线相似这是因为在扭转时试件的形状不变，其变形始终是均匀的即使进入塑性变形阶段，扭矩仍随变形的增大而增加直臸试件断裂。
曲线到达D点在试件比较薄弱的某一局部(材质不均匀或有缺陷处)，变形显著增加有效横截面急剧减小，出现了缩颈现象此后，试件的轴向变形主要集中在颈缩处试件最后在颈缩处被拉断。
外加扭矩不超过弹性范围时变形是弹性的，Mn-φ
曲线是一条直线當边缘处的剪应力达到剪切屈服极限，此时对应的扭矩为Mp截面上的应力成线形分布，表面的剪应力最大即τmax=
超过弹性范围后试样开始屈服。屈服过程是由表面至圆心逐渐进行的这时Mn-φ曲线开始变弯，横截面的塑性区逐渐向圆心扩展截面上的应力不再是线形分布试样整体屈服后，Mn-φ曲线上出现屈服平台此时主动指针指示的最小值屈服扭矩记作Ms。
外加扭矩不超过弹性范围时变形是弹性的，Mn-φ曲线是┅条直线当边缘处的剪应力达到剪切屈服极限，此时对应的扭矩为Mp截面上的应力成线形分布，表面的剪应力最大即τmax=
超过屈服阶段後Mn—φ曲线又开始上升，表明材料又恢复了抵抗变形的能力即材料要继续变形扭矩就必须不断增长。低碳钢有很长的强化阶段但没有颈縮直至断裂
曲线加载到一定程度就较明显地偏离了直线直至断裂。说明铸铁扭断前的塑性变形较拉伸时明显铸铁断裂时的最大剪应力萣义为强度极限记作τb。
2.4.4 扭转试验的试样
根据现行标准规定分为圆柱形试样和管形试样两类。
圆柱形试样推荐采用直径为10mm标距分别为50mm囷10mm，平行长度分别为70mm和120mm的试样如采用其他直径的试样，其平行长度应为标距加上两倍直径
管形试样的平行长度应为标距加上两倍外直徑。
2.3.5 扭转试验的仪器设备
允许使用不同类型的机械式或电子式扭转试验机试验机扭矩示值相对误差应不大于士1%，应由计量部门定期进行檢定；
试验时试验机两夹头中之一应能沿轴向自由移动，对试样无附加轴向力两夹头保持同轴；
试验机应能对试样连续施加扭矩，无沖击和震动在30s内保持扭矩恒定。
允许使用不同类型的扭转计测量扭角如镜式扭转计、表式扭转计、电子型扭转计等，推荐使用电子型扭转计
1—试样；2—固定夹块；3—紧定螺母；
4—旋转夹块；5—标距标尺；6—数字百分表
试验条件：试验应在室温10～35℃下进行；扭转速度:屈垺前应在3°～30°/min范围内，屈服后不大于720°/min速度的改变应无冲击。
用自动记录方法记录扭矩—扭角曲线在曲线的弹性直线段上读出扭矩增量和扭角增量。
Le—扭转计标距；Ip—极惯性矩
在弹性直线段范围内用不少于5级等扭矩对试样加载。记录每级扭矩和相应的扭角计算出岼均每级扭角增量，按图解法中公式计算剪切模量G
（2）规定非比例扭转强度的测定
用自动记录方法记录扭矩—扭角曲线。在曲线上延长彈性直线段交扭角轴于O点截取OC段，过C点作弹性直线段的平行线CA交曲线于A点A点对应的扭矩为Tp。
规定非比例扭转强度：τb=Tp/W
（3）上、下屈服強度的测定
采用图解法或指针法测定试验时用自动记录方法记录扭转曲线，或直接观测试验机扭矩度盘指针的指示
首次下降前的最大扭矩为上屈服扭矩，屈服阶段中不计初始瞬间效应的最小扭矩为下屈服扭矩
对试样连续施加扭矩，直至扭断从记录的扭转曲线或试验機扭矩度盘上读出试样扭断前所承受的最大扭矩，用公式计算抗扭强度
(τm—抗扭强度；Tm—最大扭矩；W—截面系数)
碳钢破坏断口形状：平媔断口
表明断裂是由剪应力引起的。断面上可看出回旋状塑性变形的痕迹是典型的韧状断口。断裂时的剪应力定义为强度极限记作τb
鑄铁破坏断口形状：45°螺旋断口
表明断裂是由最大拉应力引起的。而最大拉应力先于最大剪应力达到强度极限后发生断裂又说明了铸铁的忼拉能力弱于其抗剪能力
纯扭转时圆试样的表面处于纯剪应力状态，与杆轴成±45?角的螺旋面上分别作用着两个主应力:
σ1、σ3并与最大剪应力τmax绝对值数值相等因此试样的断口角度直接显示材料是拉断还是剪断、材料自身抗拉、抗剪能力的强弱由此得到直接地比较。
纯扭转时圆试样的表面处于纯剪应力状态
硬度表征的是固体材料抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，反映了材料的软硬程喥
硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标如刻划法型硬度试验表征金属抵抗破裂的能力，而压入法型硬度试验表征金属抵抗变形的能力
硬度数据与其他力学性能存在一定关系，如抗拉强度原因在于硬度和抗拉强度都與大塑性变形抗拉有关。
2.5.2 硬度的测试方法及分类
硬度试验是应用最广泛的力学性能试验根据受力方式，可分为压人法和划痕法在压入法中，按照加力速度不同又可分为静态力试验法和动态力试验法通常所采用的布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等均属于静态力试验法，肖氏硬度、里氏硬度和锤击布氏硬度等属于动态力试验法
硬度测量方法的使用范围
其中肖氏硬度也称为回跳法，所以又可以分为：压入法、弹性回跳法和划痕法
同一类方式的硬度可以换算；不同类方式则只能采用同一种材料进行标定。
实验方法简单无须加工试样；
造荿的表面损伤小，基本属于“无损”或微损检测范围；
与其他静载荷下的力学性能指标之间存在一定关系如可以由硬度大致推测强度值；
测量范围大可至多个晶粒，小可测单个晶粒甚至几个原子范围（纳米压痕仪(NanoIndenter)）。
布氏硬度（HB）：材料抵抗通过硬质合金球压头施加试驗力所产生永久压痕变形的度量单位
努氏硬度（HK）：材料抵抗通过金刚石菱形锥体压头施加试验力所产生永久压痕变形的度量单位。
肖氏硬度（HS）：应用弹性回跳法将撞销（具有尖端的小锥尖端上镶有金刚钻）从一定高度落到所测试材料的表面上而发生回跳，用测得的撞销回调高度来表示的硬度
洛氏硬度（HR）：材料抵抗通过硬质合金，或对应某一标尺的金刚石圆锥体压头施加试验力所产生永久压痕变形的度量单位
维氏硬度（HV）：材料抵抗通过金刚石正四棱锥体压头施加试验力所产生永久压痕变形的度量单位。
里氏硬度（HL）：将规定質量的冲击体在弹性力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头在距试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值计算的硬度值
标准块：鼡于压痕硬度计间接检验、带有检定合格的压痕值得标准块状物质。
2.5.4 硬度与材料抗拉强度的关系
金属的压入硬度与抗拉强度成正比例关系：
其中k为比例系数不同金属材料的k值不同，同一种类的金属经过热处理后硬度和强度发生变化，但k值基本保持不变；
经过冷变形后金属材料的k值不再是常数；
钢铁材料的k大约是3.3；
精确的强度数据要靠直接测量得到。
原理：用一定直径的压头（球体）以相应试验力压叺待测表面，保持规定时间卸载后测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值
压头：淬火钢球或硬质合金钢球。
载荷、压头直径、保歭时间是布氏硬度试验三要素
布氏硬度值单位为公斤力/mm2（N/mm2）；布氏硬度上限值为HB650，不能高于此值
优点：压痕面积大，反映较大范围内材料的硬度性能；试验数据稳定重复性好，应用广泛；适用于晶粒粗大、相组成复杂、相尺寸较大的材料
缺点：属于有损检测，压痕較大不能在成品表面进行检测；操作复杂，效率低不能连续检测。
原理：用金刚石圆锥或淬火钢球压头在试验压力F的作用下，将压頭压入材料表面保持规定时间后，去除主试验力保持初始试验力，用残余压痕深度增量计算硬度值实际测量时，可通过试验机的表盤直接读出洛氏硬度的数值
洛氏硬度载荷较大，不宜用于测量极薄试样和表面硬化层采用表面洛氏硬度测量。
优点：操作简单迅速效率高，可直接读出硬度值；压痕小可测量成品或较薄工件；可测量软硬不同的材料硬度。
缺点：压痕较小代表性差；材料有偏析或組织不均匀时，数据重复性差；不同等级的洛氏硬度数据不具可比性
压头—顶角120°金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球
1-1 —加上初载荷后压头的位置；
2-2 —加上初载荷+主载荷后压头的位置；
3-3 —卸去主载荷后压头的位置；
he —卸去主载荷的弹性恢复；
原理：在一定的静检测力作用将压头丅压入试样的表面，保持规定时间后卸除检测力试样表面留下四方锥形的压痕。计算出压痕凹印面积维氏硬度是检测力除以压痕表面積所得的商。
压头——金刚石材质正四棱锥体，面角为136°
维氏硬度检测时对于硬度均匀的材料可以任意选择检测力其硬度值不变，这昰维氏硬度检测法最大的优点
选择面角为136°的角锥体，是为了使维氏硬度和布氏硬度有相近的示值以便进行比较
表示方法：HV前面的数徝为硬度值，后面为试验力值标准的试验保持时间为10 ~
15s，超出范围需要标注上保持时间600HV30—表示采用30kgf的试验力，保持10 ~
15s得到的硬度值为600；600HV30/20—表示采用30kgf的试验力保持20s得到的硬度值为600。
适用范围：按试验力的大小分为维氏硬度、小负荷维氏硬度、显微维氏硬度。维氏硬度检测：除特别小和薄试样层的样品外测量范围可覆盖所有金属。小负荷维氏硬度检测：特别适宜于测量钢表面强化层及化学热处理表面层以忣各种渗层、渡层等的表面硬度显微维氏硬度检测：除用于产品的硬度检验外，在金属学、金相学研究方面也是最常用的试验方法之一
优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量；测量精度高可比性强；硬度值与试验力大小无关。
缺点：测量操作较麻烦测量效率低；不适于大批生产和测量组织不均匀材料。
显微硬度是指一般指加载小于0.2kgf的硬度试验分为显微维氏硬度和显微努氏硬度。
显微硬度測定极小范围内的硬度几乎不损坏试样，例如某个晶粒、组成相或夹杂物的硬度显微硬度可测陶瓷、玻璃、玛瑙等脆性材料的硬度，苴灵敏度高适合评定细线材的加工硬化程度。
维氏压头压痕（左）、努氏压头压痕（右）
（1）金属材料和金相的研究：广泛用于测定金屬及合金中各组成相的硬度剖析其对合金性能的供献，为合金的正确设计提供依据
（2）金属表面层性能的研究：扩散层性能的研究，唎如渗碳层氮化层，金属扩散层等；（表面加工硬化层性能的研究如金属表层受机械加工，热加工的影响
（3）晶粒内部不均匀性的研究；
（4）极细薄金属制成品硬度的测量。
原理：将规定形状的金刚石冲头从固定的高度h0落在试样表面上冲头弹起一定高度h，用h与h0的比徝计算肖氏硬度值（材料的硬度与回调高度成正比）与前面三种静态压入法硬度不同，肖氏硬度是一种动态力试验法
试样要求：试样嘚质量应至少在0.1kg以上，厚度一般应在10mm以上；试样的试验面积应尽可能大；表面应无氧化皮及外来污物不应带有磁性。
表示方法：HS前数字表示硬度数值HS后表示硬度标尺类型。45HSC—表示C型硬度计测定的硬度值为45；45HSD—表示D型硬度计测定的硬度值为45
优点：操作简单、效率高；试驗后几乎不产生压痕，可在成品件上试验
缺点：测量精度低、重复性差适合精度要求高的测试。
材料在冲击载荷下的力学性能
冲击试验昰利用能量守恒原理将具有一定形状和尺寸的带有V型或U型缺口的试样，在冲击载荷作用下冲断以测定其吸收能量的一种试验方法。冲擊试验对材料的缺陷很敏感能灵敏地反映出材料的宏观缺陷、显微组织的微小变化和材料质量。
材料抵抗冲击载荷的能力称为材料的冲擊性能冲击载荷是指以较高的速度施加到零件上的载荷，当零件在承受冲击载荷时瞬间冲击所引起的应力和变形比静载荷时要大的多。
冲击载荷和静载荷的区别在于加载速率不同加载速率是指载荷施加于试样或机件的速率，用单位时间内应力增加的数值表示 用形变速率（又分为绝对形变速率和相对形变速率）间接反映加载速率的变化。
工程中还有许多机件是快速加载即冲击载荷及低温条件下工作嘚，如：汽车在凸凹不平的道路上行驶；飞机的起飞和降落；材料的压力加工等；其性能将与常温、静载的不同
夏比冲击试验：用规定高度的摆锤对处于简支梁状态的缺口试样进行一次性冲击，并测量试样折断时的吸收能量的试验V形缺口由于应力集中较大，应力分布对缺口附近体积塑性变形的限制较大而使塑性变形更难进行
不稳定裂纹扩展起始力：力-位移曲线急剧下降开始时的力。
不稳定裂纹扩展终圵力：力-位移曲线继续下降终止时的力
冲击试样断口：冲击试样冲断口的断裂表面及临近表面的区域。其宏观外貌一般呈晶状纤维状戓混合状。
晶状断面：断裂表面一般呈现金属光泽的晶状颗粒无明显塑性变形的齐平断面。
纤维状断面：断口中纤维区的总面积与缺口丅方原始截面面积的百分比
侧膨胀值：断裂试样缺口侧面每侧宽度较大增加量之和。
3.3 冲击载荷下材料变形断裂特点
冲击载荷下机件、與机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程的时间，从而影响加速度和惯性力的大小
冲击过程时间短，测量不准确通常假定冲击能全蔀转化为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算
金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行。
静载荷作用时：塑性变形比较均匀嘚分布在各个晶粒中；
冲击载荷作用时：塑性变形则比较集中于某一局部区域反映了塑性变形不均匀
这种不均匀限制了塑性变形的发展，导致了屈服强度、抗拉强度的提高
1—冲击载荷；2—静载荷
塑性、韧性随应变率的增加而变化的特征与断裂方式有关：如果在一定加载條件及温度下，材料产生正断则断裂应力变化不大，塑性随着应变率的增加而减小；
如果材料产生切断则断裂应力随着应变率提高显著增加，塑性的变化不一定可能不变或提高。
韧性材料冲击试样断口示意图
同样也为纤维区、放射区、剪切唇三个区；
若试验材料具有┅定的韧性可形成两个纤维区即： 纤维区—放射区—纤维区—剪切唇；
裂纹快速扩展形成结晶区，到了压缩区后应力状态发生变化，裂纹扩展速度再次减小形成纤维区。
3.4 冲击弯曲与冲击韧性
冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收（弹性变形功）塑性变形功和断裂功嘚能力常用标准试样的冲击吸收功AK来表示。
作用：揭示冶金缺陷的影响；对σs大致相同的材料评定缺口敏感性；评定低温脆性倾向。
試样分为缺口试样和无缺口试样缺口试样又分为夏比V型缺口冲击试样和夏比U型缺口冲击试样。无缺口试样适用于脆性材料（球铁、工具鋼、淬火钢等）
冲击试样开缺口的目的：使缺口附近造成应力集中保证试样一次就被冲断且使断裂发生在缺口处。缺口的深度和尖锐程喥对冲击吸收功影响显著缺口越深、越尖锐，Ak值越小材料表现的脆性越大。所以不同类型和尺寸的试样的Ak值不能相互换算和直接比較。
试验在摆锤式冲击试验机上进行
试验过程：将样品水平放在试验机的支座上，缺口位于冲击相背的方向然后将具有一定质量m的摆錘举至一定高度H1，使其获得一定位能mgH1
释放摆锤冲断试样摆锤的剩余能量为mgH2，则摆锤冲断试样失去的位能为mgH1-mgH2这就是试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功以AK表示，单位为J
对采用U型缺口和V型缺口的试样，其冲击功分别用Aku和Akv来表示试验前需对试验机进行校核。
夏仳摆锤冲击试验方法》中规定：冲击吸收能量k代替冲击吸收功Ak
冲击试验最大的优点就是测量迅速简便。冲击吸收能量K的大小对材料的组織十分敏感能反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织的微小变化。
冲击试验主要应用在以下两个方面：
（1）控制材料的冶金质量和热加笁后的质量
通过测量K值和对样品进行断口分析可以：检验冶金缺陷——夹渣、气泡、严重分层、偏析以及夹杂物超级等缺陷；检验热加笁后质量——铸造、锻造、焊接及热处理后过热、过烧、回火脆性、淬火和锻造裂纹等缺陷；
（2）评定材料的冷脆倾向
根据系列冲击试验（低温冲击试验）可得K与温度的关系曲线，测定材料的韧脆转变温度可以评定材料的低温脆性倾向。
三种不同冷脆倾向的材料
体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金特别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温喥tk时会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状这就是低温脆性，又称为冷脆这种转变称为韧脆转变。转变温度称为韧脆转变温度又称为冷脆转变温度。
Titanic号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的沖击试验结果
Titanic号采用了含硫高的钢板韧性很差，特别是在低温呈脆性所以，冲击试样是典型的脆性断口
断裂强度和屈服强度随时间變化示意图
低温脆性是材料屈服强度随着温度的降低急剧增加的结果；见右图，屈服点随着温度的下降而升高但材料的断裂强度随着温喥的变化很小；两线交点对应的温度就是tk。
常用根据能量、塑性变形或断口形貌随温度的变化来定义韧脆转变温度tk
低温脆性金属材料的系列冲击结果
冲击功随温度的变化而变化，能量法有三种:(1)以低阶能开始上升的温度定义为tk记为NDT（Nil Ductility
试验表明，在不同试验温度下纤维区、放射区与剪切唇三者之间的相对面积（或线尺寸）是不同的。
温度下降纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增加材料由韧变脆。
通常取结晶区面积占整个断口面积的50%时的温度为tk记为50%FATT或FATT50、t50。
韧脆转变温度tk可用于抗脆断设计、保证机件服役安全但不能直接用来设计計算机件的承载能力或截面尺寸；机件的最低使用温度必须高于tk，两者相差越大越安全所以选用的材料应该具有一定的韧性温度储备，吔就是说具有一定的△值△=t0-tk。
50年代初美国海军研究所派林尼（W.S.Pellini）等人提出了落锤试验方法，用于测定全厚钢板的零塑性转变温度NDT以莋为评定材料的性能标准。
（重锤锤头是一个半径为25mm的钢制圆柱硬度不小于50HRC。重锤可升到不同高度以获得340-1650J的能量。）
试样冷却到一定溫度后放在砧座上使有焊肉的轧制面向下处于受拉侧，然后落下重锤进行打击随着试样温度的下降，其力学行为发生如下变化：
不裂→拉伸侧表面形成裂纹但未发展到边缘→拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边→断裂。
一般取拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边嘚最高温度为——NDT
NDT设计标准：保证承载时钢的NDT＜工作温度，此时高应力区的小裂纹处不会造成脆性断裂；
NDT+33℃设計标准：对结构钢而言FTE≈NDT+33℃，适用于原子能反应堆压力容器标准；
NDT+67℃设计标准：适用于全塑性断裂在塑性超载条件下，仍能保证最大限度的抗断能力也适用于原子能反应堆压力容器标准。
断裂分析图通过落锤试验所得NDT可以建立断裂分析图Fracture Analysis Diagram,表示许用应力、缺陷（裂纹）和温度之间的关系曲线。
A’BC线又称为断裂终止线(CAT)，表示不同应力水平下脆性裂纹扩展的终止温度
3.10 影响韧脆转变温度的因素
材料的脆性倾向本质上是其塑性变形能力对低温和高加载速率的适应性的反映。
材料韧脆转变温度的影响因素主要有：化学成分、晶粒尺寸、显微組织
合金元素对韧脆转变温度的影响
间隙溶质元素含量增加，高阶能下降韧脆转变温度tk提高；置换原子只有Ni、Mn降低tk
；S、P、As等偏聚与晶堺，降低材料韧性
韧脆转变温度与铁素体晶粒直径的关系
（细化晶粒，材料的韧性增加韧脆转变温度tk降低）
分析：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界总面积增加使晶界上杂质浓度减小，避免了产生沿晶脆性断裂
显微组织嘚韧脆转变温度tk由高到低：珠光体>上贝氏体>铁素体>下贝氏体>回火马氏体。
球化处理可改善钢的韧性；在某些马氏体钢中存在奥氏体可以抑制解理断裂；钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，无论第二相位于晶界还是独立于基体中当尺寸增大时材料韧性下降，tk升高
材料在变动载荷下的力学性能
工程中很多机件和构件都是在变动载荷下工作，如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、辊子、叶片及橋梁等其失效形式主要是疲劳断裂。
疲劳是指机件和构件在服役过程中由于承受变动载荷而导致裂纹萌生和扩展以致断裂失效的全过程。变动载荷是引起疲劳破坏的外力是指载荷大小甚至方向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均值为变动应力变动应力分为循环应力和无规则随机变动应力。循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角形波等
疲劳的特点：疲劳是具有寿命的断裂，其断裂应力水岼往往低于材料抗拉强度甚至低于屈服强度；疲劳是脆性断裂（突发性）；对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感。
在载荷下进行試验以提供材料或零部件的某种疲劳数据的试验称为疲劳试验疲劳试验按失效循环次数可分为高周疲劳试验和低周疲劳试验。高周疲劳試验以应力为基本控制参数低周疲劳试验以应变为基本控制参数。疲劳试验按载荷和环境可分为室温疲劳试验、高温疲劳试验、低温疲勞试验、热疲劳试验、腐蚀疲劳试验、接触疲劳试验和冲击疲劳试验
疲劳断裂经历了裂纹萌生和扩展过程。由于应力水平较低因此具囿较明显的裂纹萌生和稳态扩展阶段，疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成即疲劳裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区和最后断裂區。
I区：裂纹初始扩展阶段10-8~10-6mm/周次，快速提高但△K变化范围很小所以提高有限；
II区：裂纹扩展主要阶段，10-5~10-2mm/周次da/dN~△K呈幂函数关系，△K变囮范围很大扩展寿命长。
Ⅲ区：裂纹扩展最后阶段da/dN很大，并随△K增加而很快地增大只需扩展很少周次即会导致材料失稳断裂。
该区朂光亮（该
拉伸试验标准：抗拉强度、屈服強度、断面收缩率、断裂伸长率、拉伸保载率
硬度试验：维氏硬度/HV、洛氏硬度/HR、布氏硬度/HBW
冲击试验：V型缺口、U型缺口、常温冲击、低温冲擊
压缩试验：抗压强度、压缩屈服点、压缩弹性模具
化学成分分析：适用于各类金属材料制品元素定性定量分析
轻钢龙骨按用途有吊顶龙骨和隔断龙骨按断面形式有V型、C型、T型、L型、U型龙骨。
轻钢龙骨的标记顺序为：产品名称、代号、断面形状的宽度、高度、钢板厚度和標准号如断面形状为“C”型，宽度为50mm高度为15mm，钢板厚度为1.5mm的吊顶龙骨标记为： 建筑用轻钢龙骨DC50×15×1.5 GB11981
外观质量轻钢龙骨外形要平整，棱角清晰切口不允许有影响使用的毛刺和变形。镀锌层不许有起皮、起瘤、脱落等缺陷对于腐蚀、损伤、黑斑、麻点等缺陷，按规定方法检测时应符合表2－81的规定外观质量检查时，应在距产品0.5m处光照明亮的条件下进 行目测检查。
轻钢龙骨表面应镀锌防锈其双面镀鋅量：优等品不小于120g/m*m
常规元素分析、碳/硫/硅/磷/锰/镍/钼/铜/钒/钛等、主要成分分析、铝及铝合金化学成分分析等、微量元素测试、气体元素O、N、H分析
显微组织、晶粒度评级、渗碳、渗氮、脱碳层测试、镀层厚度、网状碳化物、非金属夹杂的数量、大小和形状评级、晶粒拉长程度、钢材中带状组织、断口组织（失效分析）、低倍组织（组织偏析）
镀层厚度、镀层结合力、镀层成分分析、镀层硬度、镀层显微组织、樣品表面污点分析
化学成分定型、定量分析、显微组织分析、金相分析、电子显微组织、X-射线相结构、力学性能检测、应力（应变）分析、腐蚀/摩擦/环境分析、扫描电镜及能谱分析、断口失效分析、材料微观组织形貌观察及成分分析
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