2010年4月，應美國Science雜志邀請，我國金屬材料研究領(lǐng)域的代表性人物、中科院金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗室主任、中國科學(xué)院院士盧柯研究員撰寫(xiě)了一篇題為“The Future of Metals”的展望性文章。
文中認為（參照#1），雖然由于比強度和比剛度較低，金屬在工程材料中所占的份額日益減少，在重量作為主要考慮因素的應用領(lǐng)域（如航空及運動(dòng)器材等）正逐步被其他材料所替代，但是，由于金屬材料自身所具有的一些獨特性質(zhì)，如高強度、高斷裂韌性、性能各向一致性、失效強度可預測性、獨特的電磁學(xué)性能、在中高溫度范圍內良好的綜合力學(xué)性能以及可回收性等，金屬在很多工業(yè)領(lǐng)域，尤其是高可靠性和高持久性要求的應用領(lǐng)域仍是不可替代的材料。
而靜態(tài)力學(xué)性能的表現是評價(jià)一種金屬材料能否獲得工程應用的重要參考因素之一，材料人網(wǎng)整理出了幾種常見(jiàn)的金屬材料靜態(tài)力學(xué)性能的相關(guān)知識及測試標準，希望能對研究金屬材料力學(xué)性能的你有所幫助。
#1 常見(jiàn)材料的斷裂韌性-比強度關(guān)系圖
【金屬材料的靜態(tài)力學(xué)性能】
材料的力學(xué)性能是指材料構件在一定環(huán)境條件下，承受載荷或應力作用時(shí)狀態(tài)的變化，變化總體上有三種基本類(lèi)型，即彈性變形（elastic deformation）、塑性變形（plastic deformation）和斷裂（fracture or rupture）。
下面根據靜態(tài)載荷的變形方式來(lái)分別介紹金屬材料拉伸、壓縮、扭轉、彎曲和硬度性能的相關(guān)知識。
（1）拉伸
拉伸試驗是工業(yè)上廣泛應用的力學(xué)性能試驗方法之一，其特點(diǎn)是試驗溫度、應力狀態(tài)及應變速率是恒定的。試驗過(guò)程中通過(guò)試驗機記錄載荷及位移信號，根據樣品的尺寸經(jīng)過(guò)換算就可以得到工程應力應變曲線(xiàn)以及真應力應變曲線(xiàn)。
#2給出了一種典型的結構鋼的拉伸應力應變曲線(xiàn)，其中紅色線(xiàn)條A表示的是工程應力應變曲線(xiàn)，藍色線(xiàn)條B表示的是真應力應變曲線(xiàn)。
我們可以看出，在拉伸過(guò)程的開(kāi)始階段，材料的應力應變保持線(xiàn)性關(guān)系同步提高，材料處于彈性變形階段（卸載后變形可完全恢復），直到應力達到點(diǎn)2，材料發(fā)生屈服，此時(shí)的應力值就是材料的屈服強度（yield strength），接著(zhù)材料進(jìn)入了塑性變形階段（卸載后變形不可完全恢復），隨著(zhù)應變的增加應力緩慢提高，表現出一定程度的加工硬化現象（區域4），當工程應力達到最大值點(diǎn)1（抗拉強度ultimate strength）之后開(kāi)始下降，材料出現頸縮現象（區域5），直至最后發(fā)生斷裂（點(diǎn)3）。
根據材料的拉伸應力應變曲線(xiàn)，可以得到材料的一些基本力學(xué)性能指標，其中比較常用的指標及其定義如下：
（1）彈性模量（elastic modulus）：工程應力應變曲線(xiàn)彈性階段的斜率；
（2）屈服強度（yield strength）：反映材料抵抗塑性變形的抗力，是材料由彈性變形進(jìn)入塑性變形的標志，對于在拉伸過(guò)程中有明顯屈服效應的材料，將其工程應力應變曲線(xiàn)上明顯屈服效應的下屈服應力作為它的屈服強度（如退火低碳鋼），對于在拉伸過(guò)程中沒(méi)有明顯屈服效應的材料，屈服強度一般用名義屈服強度代替，即工程應力應變曲線(xiàn)上對應一定參與應變量（一般為0.2%）時(shí)的應力；
（3）抗拉強度（ultimate strength）:代表材料的最大塑性變形抗力，是拉伸試驗中達到的最大工程應力；
（4）塑性（plasticity）：指材料發(fā)生塑性變形的能力，由均勻塑性變形和非均勻塑性變形兩大部分構成，塑性指標一般可用總延伸率和斷面收縮率來(lái)表示。
#2 一種典型結構鋼的拉伸應力應變曲線(xiàn)[3]
（2）壓縮
金屬拉伸試驗中定義的力學(xué)性能指標和相應的計算公式，在壓縮試驗中基本上都適用。但是，對試樣施加單軸壓縮載荷時(shí)，其應力狀態(tài)軟性系數明顯大于拉伸狀態(tài)，使得有些在拉伸試驗中顯示脆性斷裂的材料（如灰鑄鐵、陶瓷、非晶合金等），在壓縮試驗中有可能會(huì )顯示一定的塑性變形，或顯示較高的強度。
因此，在研究脆性材料的變形和斷裂行為時(shí)往往采用壓縮試驗，同時(shí)測量其強度和塑性。壓縮試樣橫截面一般為圓形或正方形。
（3）彎曲
彎曲試驗一般用于比較脆且難以加工成拉伸棒的材料，如陶瓷、玻璃等，它具有試樣形狀簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn)。另外，彎曲試驗時(shí)試樣表面應力最大，可以靈敏地反應材料表面缺陷，常用于研究表面強化工藝及表面性能。
#3給出了常見(jiàn)的三點(diǎn)彎曲試驗的加載及記錄的載荷撓度曲線(xiàn)示意圖[4]，圖中虛線(xiàn)對應的應力值即為材料的抗彎強度（flexural strength or bend strength）。
#3 彎曲試驗加載及記錄的載荷撓度曲線(xiàn)示意圖[4]
（4）扭轉
扭轉試驗可以實(shí)現高的應變，易于顯示金屬的塑性行為，特別是那些在拉伸時(shí)呈現脆性的金屬材料的塑性性能，它還能比較敏感地反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能。它采用的試樣為圓柱形試樣，實(shí)驗過(guò)程中整個(gè)試樣長(cháng)度上的塑性變形是均勻的，沒(méi)有頸縮。
#4給出了常見(jiàn)的扭轉試驗及扭轉應力應變曲線(xiàn)示意#5，通過(guò)對試樣施加扭轉載荷，記錄扭矩及扭轉角，從而得到扭轉應力應變曲線(xiàn)，從中還可以得到材料的剪切模量（shear modulus）。
#4 扭轉試驗加載及扭轉應力應變曲線(xiàn)示意圖[5]
（5）硬度
硬度表征的是固體材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，反映了金屬材料的軟硬程度。
由于硬度測定比較方便快捷，又能敏感地反映出材料組織結構的差異，因而被廣泛用于檢查熱處理工藝質(zhì)量或研究熱處理相變過(guò)程，它也常用于檢查金屬表面組織結構的變化和表面性能等。
硬度的測試方法可以分為壓入法、彈性回跳法和劃痕法，下面分別進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：
（1）壓入法生產(chǎn)中最常用的就是靜載壓入法硬度試驗，因為這種試驗方法的應力狀態(tài)軟性系數比單向壓縮的還要大，幾乎所有的金屬材料都能產(chǎn)生局部塑性變形，壓入法測量的硬度主要分為三種類(lèi)型，即布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和維氏硬度（HV）。
其中，布氏硬度以試驗力除以壓痕球形面積所得的數值來(lái)作為衡量標準，一般用于較軟的材料，如有色金屬及熱處理之前或退火后的鋼鐵等；洛氏硬度以壓痕深度來(lái)測量硬度，廣泛應用于熱處理的質(zhì)量檢驗；維氏硬度試驗測量范圍較寬，幾乎涵蓋各種材料。
（2）彈性回跳法這種方法測量的硬度稱(chēng)為肖氏硬度（HS），它是一種動(dòng)載荷試驗法，其原理是將一定重量的帶有金剛石圓頭或鋼球的錘，從一定高度落于金屬試樣表面，根據重錘回跳的高度來(lái)表征金屬硬度值大小。因而也稱(chēng)為回跳硬度。
（3）劃痕法這種方法測量的硬度稱(chēng)為莫氏硬度，它應用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所試樣品的表面而產(chǎn)生劃痕，用測得的劃痕深度分十級來(lái)表示硬度的大小，一般用于衡量礦物或寶石等材料的硬度。
#5給出了幾種常見(jiàn)的硬度測量裝置。需要指出的是，硬度的物理意義隨硬度測試方法類(lèi)型的變化而變化，因此，針對不同材料、形狀、尺寸及所要研究的問(wèn)題，需要搞清試驗原理，掌握應用范圍及試驗特點(diǎn)，從而才能選擇正確的硬度測試方法進(jìn)行試驗。
#5 幾種常見(jiàn)的硬度測量裝置
【相關(guān)測試標準匯總】
無(wú)規矩不成方圓，因此，要想對以上提到的金屬材料的靜態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行測試，就需要遵守相應的試驗標準。
小編整理了國標中與金屬材料靜態(tài)力學(xué)性能測試相關(guān)的一些測試標準，其中包括：《GB-T 228-2002_金屬材料室溫拉伸試驗方法》《GB-T 4338-2006_金屬材料高溫拉伸試驗方法》《GB-T 13239-2006_金屬材料低溫拉伸試驗方法》《GB-T 2039-1997_金屬拉伸蠕變及持久試驗方法》《GB-T 7314-2005_金屬材料室溫壓縮試驗方法》《GB-T 232-1999_金屬材料彎曲試驗方法》《GB-T 244-2008_金屬管彎曲試驗方法》《GB-T 14452-1993_金屬彎曲力學(xué)性能試驗方法》《GB-T 10128-2007_金屬材料室溫扭轉試驗方法》《GB-T 239-1999_金屬線(xiàn)材扭轉試驗方法》《GB-T 6400-2007_金屬材料線(xiàn)材和鉚釘剪切試驗方法》
《GB-T 4341-2001_金屬肖氏硬度試驗方法》《GB-T 230.1-2009_金屬材料洛氏硬度試驗_第1部分-試驗方法》《GB-T 231.1-2009_金屬材料布氏硬度試驗-第1部分-試驗方法》《GB-T 4340.1-2009_金屬材料維氏硬度試驗_第1部分-試驗方法》
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