拉伸试验可测得材料的强度和硬度

取缔地条钢

2005年12月，国家发展和改革委员会发布的《产业结构调整指导目录（2005年本）》明确规定，地条钢属于国家明令淘汰的产品。

地条钢为什么会被淘汰？钢材的力学性能如何衡量？怎样检验钢材的力学性能？

金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中表现出来的各种性能，包括物理性能、化学性能和力学性能等。工艺性能是指金属材料在加工过程中适应各种加工工艺方法的性能，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和可加工性能等。

由于材料的用途不同，对材料的性能要求也不同。如设计电线时要考虑材料的导电性；设计化工容器时要考虑材料的耐蚀性。大多数机械零件是在受力状态下工作的，因此选择材料时要考虑材料的力学性能。

1.1.1 金属材料的力学性能

金属材料的力学性能是指金属在各种载荷作用下所表现出来的性能。常用的力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度、断裂韧度等。

1.载荷、变形与应力

（1）载荷 金属材料在加工和使用过程中都受到外力的作用，这种外力称为载荷。根据载荷作用性质不同，它可分为静载荷、冲击载荷及交变载荷。其中，静载荷是指大小不变或变化过程缓慢的载荷；冲击载荷是指在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷；交变载荷是指大小、方向或大小和方向都随时间周期性变化的载荷。

（2）变形 当金属材料受到载荷作用时，它会产生几何形状及尺寸的变化，这种变化称为变形。金属材料的变形分为弹性变形和塑性变形。在弹性变形状态，金属材料的变形随载荷的作用而产生，随载荷的去除而消失；在塑性变形状态，金属材料的变形随载荷的作用而产生，随载荷的去除不能完全消除。

（3）应力 金属材料受外力作用时，为保持其几何形状不变形，在金属材料内部会产生与外力相对抗的力，这种力称为内力。单位面积上的内力称为应力。

2.强度和塑性

强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。强度和塑性是通过拉伸试验测定的。拉伸试验是指用静拉伸力对试样轴向拉伸，通过测量载荷及相应的伸长量来测定其力学性能的试验。

1）拉伸试样

拉伸试样的形状与尺寸取决于被试验的金属产品的形状与尺寸。通常试样从产品、压制坯或铸锭上切取，并进行必要的加工制成。试样的横截面可为圆形、矩形、多边形、环形，特殊情况下可以为某些其他形状。图1－1所示为圆形和矩形拉伸试样。图中d为圆形试样直径，a、b分别为矩形试样截面的宽度和高度，L0为试样原始标注长度，S0为试样原始横截面积。GB 228.1—2010对试样的具体尺寸有明确规定。

图1－1 圆形、矩形拉伸试样

2）拉伸曲线

拉伸曲线是指拉伸试验中记录的拉伸力（载荷）与伸长的关系曲线，如图1－2所示。

图1－2 力－伸长曲线示意图

试验时，将试样装夹在拉伸试验机上缓慢增加拉力，试样的伸长量也逐渐增加。

图1－2（a）所示是低碳钢试样的力－伸长曲线。图中纵坐标表示力F，单位为N；横坐标表示试样的伸长量，单位为mm。根据力－伸长曲线，低碳钢试样的拉伸过程分以下几个阶段。

（1）弹性变形阶段（Op段） 在进行拉伸试验时，若载荷不超过Fp，卸载后试样立即恢复原状，此阶段的变形为弹性变形。Fp为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉力。

（2）屈服阶段（pe段） 若载荷超过Fp，卸载后试样的变形不能完全消失，而是保留一部分残余变形，试样开始塑性变形。当载荷达到Fe时，试样开始明显的塑性变形，在曲线上就会出现平台或锯齿状，这表示外力维持不变，试样还在继续伸长，这种现象称为屈服。Fe为屈服载荷。

（3）强化阶段（em段） 当载荷超过Fp后，试样开始出现明显的塑性变形。要使试样继续伸长，载荷必须不断增加，当试样变形不断增大时，它所需要的载荷也不断增加，这种随着塑性变形量的不断增加，试样对变形的抗力也不断增大的现象称为形变强化。在此阶段的变形是均匀发生的。Fm为试样拉伸时承受的最大拉力。

（4）缩颈阶段（mz段） 当拉伸的载荷达到最大值Fm时，试样开始产生局部收缩变形，试样的横截面积减小，这种现象称为“缩颈”。由于试样的横截面积不断减小，拉伸载荷也逐渐降低，直到试样断裂。

工程上使用的金属材料中，许多材料没有明显的屈服现象，有些脆性材料不仅没有屈服现象，而且也不会产生缩颈现象，如铸铁等。图1－2（b）所示为铸铁的力－拉伸曲线。

3）强度指标

（1）屈服强度 金属材料产生屈服时的应力称为屈服强度，屈服强度分为上屈服强度和下屈服强度，分别用符号Re H和Re L表示。上屈服强度计算公式为

式中：Re H——上屈服强度，即试样发生屈服而载荷首次下降前的最高应力（MPa）；Fe H——上屈服载荷，即试样发生屈服而载荷首次下降前的最高载荷（N）；S0——试样原始截面尺寸（mm2）。

下屈服强度的计算公式为

式中：Re L——下屈服强度，即在屈服期间的恒定应力或不计初始瞬时效应时的最小应力（MPa）；Fe L——下屈服载荷，即在屈服期间的恒定应力或不计初始瞬时效应时的最小载荷（N）；S0——试样原始截面尺寸（mm2）。

图1－3 规定残余延伸强度的确定

不少金属材料在拉伸试验中没有明显的屈服现象，难以测出屈服点（如铸铁、铜合金等）。此时，可用规定残余延伸强度Rr0.2表示。Rr0.2表示卸载后试样标距部分的残余延伸达到规定原始标距的0.2％时所对应的应力，如图1－3所示，其计算公式为

式中：Rr0.2——规定残余延伸强度（MPa）；Fr0.2——规定残余伸长率达到0.2％时所对应的载荷（N）；S0——试样原始截面尺寸（mm2）。

屈服强度Re L和规定残余延伸强度Rr0.2都是衡量金属材料塑性变形抗力的指标。

（2）抗拉强度 抗拉强度是指试样拉断前承受的最大标准拉应力，用符号Rm表示。其计算公式为

式中：Rm——抗拉强度（MPa）；Fm——试样在屈服阶段所能承受的最大载荷（N）；S0——试样原始截面尺寸（mm2）。

零件在工作过程中所受的应力如果超过了抗拉强度，就会发生断裂。因此在机械零件设计时，抗拉强度是重要的设计依据之一，同时也是评定金属材料强度的重要指标。

4）塑性指标

（1）断后伸长率 试样拉断后标距的伸长量与原始标距之比的百分率，用字母A表示。断后伸长量示意图如图1－4所示，其计算公式为

式中：A——断后伸长率（％）；L0——试样的原始标距（mm）；Lu——试样拉断后的标距（mm）。

同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长率是不同的。长、短试样的断后伸长率分别用A11.3和A表示。不同符号的伸长率不能相互比较。

图1－4 断后伸长量示意图

（2）断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处横截面面积的最大缩减量与原始横截面面积之比的百分率，用字母Z表示。其计算公式为

式中：Z——断后收缩率（％）；S0——试样原始横截面面积（mm2）；Su——试样拉断后断口处的最小横截面面积（mm2）。

断面收缩率不受试样尺寸的影响，比较确切地反映了材料的塑性。

金属材料的塑性对零件的加工和使用有重要意义。塑性好的金属材料才能通过拉伸、冲压、弯曲等塑性变形实现成形加工。拉伸试验表明，经过明显塑性变形（屈服）之后的金属材料将得到强化。因此，塑性好的机械零件万一超载时，具有一定的安全储备，当零件发生明显的塑性变形时，使用者应该对零件进行更换或维修，避免因突然断裂而造成的损失。

3.硬度

硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。在规定的载荷下将压头压入材料表面，用压痕深度或压痕表面积来评定的硬度，称为压痕硬度。布氏硬度和洛氏硬度都属于压痕硬度。

1）布氏硬度试验

布氏硬度试验是指用一定直径的钢球或硬质合金球以规定的载荷压入试样表面。保持规定时间后卸除载荷，根据试样表面压痕直径计算压痕表面积，进而求得硬度的一种压痕硬度试验。图1－5是布氏硬度测定的原理图。

图1－5 布氏硬度试验原理图

布氏硬度值是用球面压痕面积上所承受的平均压力来表示的。当压头为淬硬钢球时，测得的布氏硬度值用HBS表示；当压头为硬质合金球时，测得的布氏硬度值用HBW表示。即

式中：HBS（HBW）——用钢球（硬质合金球）试验的布氏硬度值；F——载荷（N）；D——球体直径（mm）；d——压痕平均直径（mm）。

因压头本身的弹性变形，当布氏硬度值超过350时，使用钢球和硬质合金球得到的试验结果明显不同。钢球适用于测定布氏硬度值在450以下的材料；硬质合金球适用于测定布氏硬度值在650以下的材料。布氏硬度试验常用来测定灰铸铁、有色金属及经退火、正火和调质处理的钢材等材料的硬度。因压痕较大，布氏硬度不适宜检验薄件或成品。

2）洛氏硬度试验

洛氏硬度试验是指用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的钢球作压头，在规定的载荷下，将压头压入试样表面，经规定的保持时间后卸除载荷，用测量的残余压痕深度增量计算的硬度，如图1－6所示。

图1－6 洛氏硬度试验原理图

图1－6中0－0表示120°金刚石圆锥体压头尚未与试样表面接触的位置；1－1表示压头在初始载荷作用下压入试样后的位置，此时深度为ab；2－2表示压头加主载荷后的位置，此时压入深度为ac；3－3表示卸除主载荷并保持初始载荷的条件下，压头因试样弹性恢复而获得残余压痕深度增量bd的位置。洛氏硬度用bd的大小来衡量。

HR＝K－bd／0.002 （1－8）

式中：K——常数（对于金刚石压头，K＝100；对于钢球压头，K＝130）。

常用的洛氏硬度标度有三种：HRA、HRB、HRC，见表1－1。

表1－1 三种洛氏硬度试验规范

测定洛氏硬度时可以在表盘上直接读出硬度值，比较方便。而测定布氏硬度时需要计算或查表，比较麻烦。洛氏硬度试验时所使用的压头尖或直径小，压痕小，对金属表面的损伤小，可以直接测定成品件和较薄工件的硬度。但测定的硬度值不如布氏硬度值准确、稳定。故要求在试件上的不同部位测定三点，取其算术平均值。洛氏硬度试验不适于测定各微小部分性能不均匀的材料（如铸铁）的硬度。

3）维氏硬度试验

布氏硬度试验不适于测定硬度较高的金属，洛氏硬度试验虽可测定硬度较高的各种金属的硬度，但由于采用的压头不同，硬度值之间不能相互换算和比较。为了从软到硬对各种金属进行连续一致的硬度标度，制定了维氏硬度试验法。维氏硬度测定原理与布氏硬度类似，它是将夹角为136°的正四棱锥体金刚石作为压头，以选定的试验载荷（49.03～98.07N）压入试样表面，经规定的保持时间后，去除试验载荷，则试样表面压出一个正四棱锥形的压痕，测量压痕对角线的平均长度，计算硬度值。维氏硬度用符号HV表示。

式中：F——试验载荷（N）；d——压痕对角线长度的平均值（mm）。

4）硬度指标的实用性

硬度实际上反映了金属材料的综合力学性能。金属抵抗局部变形（特别是塑性变形）的能力实际上从金属表面层的一个局部反映了材料的强度；压痕的大小或深浅则反映了材料的塑性；金属的硬度与其耐磨性也有关系。对于研磨磨损，钢的耐磨性随硬度提高而增加。实验表明，硬度由62～63HRC降至60 HRC，其耐磨性下降25％～30％。

硬度试验和拉伸试验都是利用静载荷确定金属材料力学性能的方法，拉伸试验属于破坏性试验，测定方法相对复杂。硬度试验则简便迅速，对金属材料没有大的损伤，不需要做专门的试样，而可以直接在工件上测试。因此硬度试验在生产中得到更为广泛的应用。人们常常把各种硬度判据作为技术要求标注在零件工作图上。

4.冲击韧度

大多数机械零件是在动载荷作用下工作的。而塑性、强度、硬度等都是金属在静载荷作用下测得的，不能反映零件在动载荷作用下的力学性能。金属材料在动载荷作用下的力学性能可以用韧度来衡量。韧度是指金属断裂前吸收变形能量的能力。金属的韧度一般随加载速度提高而减小。在冲击力作用下折断时吸收变形能量的能力，称为冲击韧度。通过金属夏比冲击试验可以测定金属材料的冲击韧度。

图1－7 冲击试验示意图

1—摆锤；2—试样

夏比冲击试验的方法为：用规定高度的摆锤对处于简支梁状态的V形缺口试样（或U形缺口试样）进行一次性冲击，测量试样折断时的冲击吸收能量，如图1－7所示。

试验时，将试样2放在冲击试验机的支座上，使试样缺口背向摆锤的冲击方向。然后，把摆锤举至H1高度，使之具有势能GH1。摆锤落下冲断试样后升至H2高度，此时的势能为GH2。试样在冲击载荷作用下折断时吸收能量为KV（U形缺口试样为KU），其单位为J。冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收能量，称为冲击韧度，用符号“ak”表示。其计算公式为

式中：ak——冲击韧度（J／cm2）；

KV——采用V形缺口试样时的冲击吸收能量（J）；

KU——采用U形缺口试样时的冲击吸收能量（J）；

S0——冲击试样缺口处横截面积（cm2）。

5.疲劳强度

许多机械零件，如减速器的齿轮和轴、弹簧、载重汽车的车桥等是在循环应力和应变的作用下工作的。这些零件工作时即使所承受的应力小于材料的屈服点，工作较长时间后仍有可能发生断裂，这就是疲劳断裂。疲劳断裂前不产生明显的塑性变形，是突然发生的，因而具有极大的危险性，常造成严重事故。事实上，大部分损坏的机械零件都是因疲劳造成的。

疲劳是由于材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂。图1－8所示是通过试验测定的材料交变应力和断裂前应力循环次数之间的关系曲线，即疲劳曲线。曲线表明，材料的交变应力越大，则断裂时应力循环次数越少。反之，则应力循环次数越大。当应力低于一定值时，疲劳曲线出现一个水平段，说明当应力值低于某值时，试样经无限次循环也不破坏，此时的应力值称为材料的疲劳强度，用S表示。工程上把钢经受107周次、有色金属和不锈钢经受108周次交变应力作用时不发生破坏时的应力作为材料的疲劳强度。

图1－8 钢铁材料的疲劳曲线示意图

6.断裂韧度

金属材料的组织中一般会有微裂纹，金属中的夹杂、气孔等缺陷也可理解为材料中的裂纹，当材料受外力作用时，会在裂纹的尖端附近产生应力集中，当外力逐渐增大时，裂纹也逐渐扩大，直至材料发生断裂。断裂韧度就是用来反映材料抵抗脆性断裂能力的性能指标。其测定方法是：把试验材料制成一定形状和尺寸的试样，在试样上预制出能反映材料实际情况的疲劳裂纹，然后施加载荷。用仪器自动记录并绘制出外力与裂纹扩展之间的关系曲线，然后分析曲线，计算出断裂韧度。

1.1.2 金属的理化及工艺性能

1.金属的物理性能

金属的物理性能主要有密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等。机械设计时，零件的用途决定了选材时对材料物理性能的要求。如飞机零件要求选用密度小的铝合金来制造；而电动机、电器设计中常考虑材料的导电性等。

金属材料的某些物理性能对于加工工艺有一定影响。如高速钢的导热性差，在锻造时就应该用很低的速度升温，以免产生裂纹，而锡基轴承合金、铸铁和铸钢熔点不同，在铸造的熔炼工艺就有较大区别。

2.金属的化学性能

金属的化学性能是指金属在室温或高温时抵抗各种化学作用的能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。在腐蚀介质中或在高温下工作的零件，比在室温或空气下的腐蚀更为强烈，在设计时，就应该选用化学稳定性良好的合金，如各种不锈钢等。

3.金属的工艺性能

工艺性能是物理、化学、机械性能的综合体现。按工艺方法不同，可分为铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。例如，灰铸铁的铸造性能良好，切削性能也很好，但它的锻造性、焊接性很差。