金属材料(含轴承钢材料)的力学性能检测

金属材料的力学性能检测
金属的力学性能（或叫机械性能）是金属材料抵抗外力作用的能力。钢的力学性能检验，就是利用一定外力或能量作用于钢的试样上，以测定钢的这种能力。根据试验方法的不同，可测得多种力学性能指标。钢的常用力学性能指标包括硬度（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度等）、抗拉强度、屈服点、断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收功等。本章仅选择几种比较重要和常用的力学性能试验方法作简要介绍。

一、硬度试验
   已颁布的硬度试验标准有：GB231-84金属布氏硬度试验方法、GB230-84金属洛氏硬度试验方法、GB4341-84金属肖氏硬度试验方法、GB4340-84金属维氏硬度试验方法、GB4342-84金属显微维氏硬度试验方法等。
   硬度是表示材料表面一个小区域内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的一种能力。测定金属材料的硬度就能够给出其软硬程度的数量概念，因此硬度也是衡量金属软硬程度的判据。实际上，硬度不是一个单纯的物理或力学量．它是代表着弹性、塑性、塑性形变强化率、强度和韧性等一系列不同的物理量组合的一种综合性能指标。
   硬度试验在生产和科学研究中应用极为普遍。它之所以被广泛用来检验和评价金属材料的性能，是由其许多特点决定的。首先，硬度试验设备简单，操作迅速方便，硬度是金属力学性能中最易测量的一种性能；其次，硬度和其它力学性能一样，也决定于金属材料的成分、组织与结构。它与其它力学性能之间存在一定的关系，因此可通过测定金属的硬度间接地获得其它力学性能的数值；最后，硬度试验压痕小，一般不损坏零件，可以直接在成品或半成品上测定，且不受被测物体大小、脆韧的限制。这是其它力学性能试验方法所不可及的优点。
硬度的测试方法很多，一般多采用压人法来测定硬度。常见的有布氏硬度试验、洛氏硬度试验、维氏硬度试验、显微维氏硬度试验等，此外还有肖氏硬度试验（回跳法）、里氏硬度试验。
(一) 布氏硬度
   布氏硬度试验是用一定的静力负荷F，将直径为D的淬火钢球或硬质合金球压人被测材料的表面，保持一定的时间后卸除负荷，测量试样表面的压痕直径d，如图3-27所示。计算单位压痕面积上承受
的压力，即计算试样上的钢球或硬质合金球压痕的球冠面积S上承受的平均压力。
HBS(或HBW)=0.102F/S=0.102F/πDh
式中HBS(或HBW) --布氏硬度值(HBS压头为淬火钢球；HBW压头为硬质合金球)      
在实际试验中，压痕深度h的测量比较困难，而测量压
痕直径d 比较方便，因此将式中的h换算成d。因此计算公
式变为
HBS（或HBW）＝0.204F/πD(D-√D2-d2)
用目测显微镜测出压痕直径d即可计算出硬度值HBS（或HBW）。实际测量时，可根据测出的d值从表中直接查出HBS(或HBW)值。                                           图3-27   布氏硬度试验原理
布氏硬度低于450的金属材料试验时其压头可选用淬火钢球，布氏硬度值在450~650之间的金属材料试验时其压头可选用硬质合金球。在进行布氏硬度试验时，应根据被试金属材料的种类和试样厚度，选用不同大小的压头直径D，施加负荷F和负荷保持时间t。按GB231-84规定，压头直径有10、5、2.5、2和1 mm五种；负荷与压头直径平方的比值（F/D2）有30、15、10、5、2.5、1.25和1七种，；负荷的保持时间为，黑色金属10~15s，有色金属30s，布氏硬度值低于35时为60s。常用的布氏硬度试验规范见表5-1。
布氏硬度单位为kgf/mm2，但习惯上只写明硬度的数值而不标出单位。一般硬度符号HBS(或HBW)前面的数值为硬度值，符号后面的数值依次表示球体直径、负荷大小及负荷保持时间（保持时间为10~15s  时不标注）。例如，120HBS10/1000/30表示用直径为10mm的钢球，在1000kgf(9807N)负荷作用下保持

表3-1    常用布氏硬度试验规范
金属
材料 布氏硬度
HB 试样厚度
mm F/D2 钢球直径D
mm 载荷F
Kgf 加载时间t
S
钢
及
铸
铁 140~450 6~3
4~2
<2 30 10
5
2.5 3000
750
187.5 10
<140 >6
6~3 10 10
5 1000
250 10
有
色
金
属 >130 6~3
4~2
<2 30 10
5
2.5 3000
750
187.5
30

35~130 9~3
6~3 10 10
5 1000
250 30
<35 >6 2.5 10 250 60
30s，测得的布氏硬度值为120。500HBW5/750表示用直径为5mm的硬度合金球，在750kgf (7355N)负荷作用下保持10~15s，测得的布氏硬度值为500。
   布氏硬度试验应在布氏硬度试验机上进行。常见的布氏硬度试验机有油压式和机械式两大类。试验时，(1)首先选定压头，装人主轴衬套中，然后选定负荷，加上相应的祛码，确定加载时间；（2）接通电源，使指示灯燃亮；(3)将试样置于工作台上，顺时针转动手轮，使压头压向试样表面，直至手轮对下面螺母不作相对运动为止；（4）按动试验力按钮，启动电动机即施加试验力，达到所要求的持续时间后，转动即自行停止；（5）逆时针转动手轮，降下工作台，取下试样，用读数显微镜测出压痕直径d，据此值从表中即可查出HB值。
新型的布氏硬度计采用了电子计时取代机械计时，
结构简单，使用更为方便。
布氏硬度试验后，压痕直径d应在0.25D~0.6D范
围，否则试验结果无效。
布氏硬度试验的优点是压痕面积较大，能反映较大    
体积范围的各组成物的平均性能，代表性较全面，试验
结果也比较稳定，和材料的抗拉强度有近似关系。
   对于钢铁材料   σb(MPa)≈3.3HB
在工厂，日常检验大锻件、大铸件的布氏硬度值时，
可采用锤击式简易布氏硬度计(图3-28),它的主要部分           图3-28   锤击式简易布氏硬度计
有钢球3、锤击杆4及标准试样6。试验时使钢球抵住       1-球帽， 2-握持器， 3-钢球， 4-锤击杆
工件表面，并使握持器与被测表面垂直，用手锤敲击锤              5-弹簧，  6-标准试样
击杆顶端一次，钢球在工件表面及标准试样上同时打出一个压痕，测出工件的压痕直径d和标准试样的压痕直径d’，查表就可求得工件的布氏硬度值。        
(二) 洛氏硬度
洛氏硬度试验法是目前工厂生产检验中应用最广泛的硬
度试验方法。洛氏硬度试验的原理是用一个顶角为120&#730;的金
刚石圆锥体或直径为1.588mm（1/16英寸）的淬  
火钢球为压头，在规定的载荷作用下压人被测金属表面，然后根据压痕深度来确定试件的硬度值。
图3-29表示金刚石圆锥压头的洛氏硬度试验原理。试验时，
先加初载荷98.07N(l0kgf)，使压头紧密接触试件表面，此时压入深度为h1，然后加主载荷，继续压人金属中，待总

载荷（初     图3-29  洛氏硬度试验原理示意图
载荷十主载荷）全部加上并稳定后，将主载荷去除，由于被测试件金属弹性变形的恢复，压头压人深度是h3, 压头在主载荷作用下压入金属中的塑性变形深度就是h(h=h3－h1)，并以此来衡量被测金   属的硬度。显然，h越大，金属的硬度越低；反之，硬度越高。考虑到数值越大硬度越高的习惯，故采用一个常数K减去h来表示硬度高低，并用每0.002mm的压痕深度为一个硬度单位，由此     获得的硬度值称为洛氏硬度，用HR表示。即
HR=(K-h)/0.002
式中K为常数，用金刚石圆锥压头时，K= 0.2mm;用淬火钢球压头时，K＝0.26mm。由此获得的洛氏硬度值HR只表示硬度高低而没有单位，试验时，可由硬度计的指示器上直接读出。

  根据金属材料软硬程度不一，可选用不同的压头和载荷配合使用，测得的硬度值分别用不同的符号来表示。三种常用的洛氏硬度符号、试验条件和应用列于表3-2。
表3-2     常用洛氏硬度标尺的试验条件和应用
标尺符号 所用压头 总载荷
/Kgf 测量范围
(HR) 应 用 范 围
HRA 120&#730;金刚石圆锥 60 60~85 碳化物、硬质合金、淬火工具钢、浅层表面硬化钢
HRB 1/16”（Φ1.588mm）钢球 100 25~100 软钢、铜合金、铝合金、可锻铸铁
HRC 120&#730;金刚石圆锥 150 20~70 淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢

常用洛氏硬度试验机如图3-30所示。其主要部件包括：机体和工作台、加载机构、千分表和指示盘。
试验时，将符合要求的试样置于试样台上，顺时针
旋转手轮．使试样与压头缓慢接触，直至表盘小指针指
到红点为止，此时已加预载荷98N (10kgf)。然后将表
盘大指针调整至零点，(HRA、HRC零点为0，HRB零
点为30)。按下按钮，平稳地加上主载荷。表盘中大指
针反向旋转若干格后停止，持续几秒(视材料软硬程度而
定)，之后再顺时针旋转摇柄．直到自锁时，即卸去主载
荷。大指针退回若干格，最后由表盘上可直接读出洛氏硬度值(HRA、HRC读外圈黑刻度，HRB读内圈红刻度)。
上述洛氏硬度试验应在试样的平面上进行，若在曲率
半径较小的柱面或球面上测定硬度时，应在测得的硬度位
上，再加上一定的修正值，曲率半径越小，修正值越大。
修正值的大小可由GB230-83附表中查得。
洛氏硬度试验法的优点是操作迅速简便，由于压痕小，  图3-30   HR-100型洛氏硬度试验机结构图
故可在工件表面或较薄的金属上进行试验。同时，采用不  1--支点；2--指示器；3--压头；4--试样；5--试样台
同压头和载荷，可以测出从极软到极硬材料的硬度。其缺   6--螺杆:7--手轮；8--按钮；9--杠杆；10--纵杆；
度。点是因压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，     11—砝码；12--油压缓冲器；16--转盘
测得的硬度值重复性差，分散度大，另不同的标度测定的硬度值不能直接进行比较。
由于洛氏硬度试验的载荷较大，不宜用来测定极薄的工件及氮化层，金属镀层等的硬度，这时可使用表面洛氏硬度计。其初载荷为3gf(29.4N)，总载荷为15Kgf(147.2N)、30Kgf(294.3N)、45Kgf(441.5N)，常数K取0.1mm，以0.001mm压痕深度为一个硬度单位。
(三) 维氏硬度
维氏硬度的测试原理基本上和布氏硬度试验相同。图3-31为维氏硬度试验原理示意图。它是用一个相对面间夹角为136&#730;的金刚石正四棱锥体压头，在规定载荷F的作用下压人被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷。然后再测量压痕的两对角线长度的平均值d(压痕深度约为压痕对角线长度的1/7), 进
而计算出压痕的表面积S，最后求出压痕表面积上平均压力（F/S），以此作为被测金属的硬度值，称为维氏硬度．用符号HV表示。即
         HV=F/S=1.8544F(Kgf)/d2 =0.1891F(N)/d2
维氏硬度的单位是kgf/mm2，但习惯上只写出硬度数值而不标出单位。与布氏硬度值一样，在硬度符号HV之前的数字为硬度值，HV后的数位依次表示载荷和载荷保持
时间（保持时间为10~15s时不标注）。例如640HV30表示在30kgf
(294.2N)载荷下，保持10~15s测得的维氏硬度值为640。640HV30/20
表示在30kgf(294. 2N)载荷作用下，保持20s测得的维氏硬度位为640。
维氏硬度试验常用的载荷有5 (49.03)、10 (98.07),20 (196.1)、
30 (294.2)、50(490.3)和100 (980.7)kgf(N)等几种。试验时，载荷F应根
据试样的硬度与厚度来选择。一般在试样厚度允许的情况下尽可能选用
较大载荷，以获得较大压痕，提高测量精度。实际测试时，硬度值并不
需要计算，只要用装在机体上的测量显微镜测出压痕两对角线的平均长
度d，就可根据d的大小在GB4340-84附表中查得硬度值。
维氏硬度试验法的优点是所加载荷小，压人深度浅，故适用于测试
零件表面淬硬层及化学热处理的渗层（如渗碳层、渗氮层）的硬度；同    图3-31  维氏硬度试验原理示
时维氏硬度是一个连续一致的标尺，试验时载荷可任意选择，而不影响            意图
其硬度值的大小，因此可测定从极软到极硬的各种金属材料的硬度。维氏硬度试验法的缺点是其硬度值的测定较麻烦，工作效率不如测洛氏硬度高。
为了测量浅层渗层、镀层、极薄片工件等硬度，可选用小负荷维氏硬度计。小负荷维氏硬度计的试验力范围为0.2~<5Kgf(1.961~<49.03N)，其试验原理和操作过程和维氏硬度计完全一样。

(四) 显微硬度
   用布氏、洛氏及维氏硬度试验法测定材料的硬度时，由于其载荷大，压痕面积大，只能得到金属材料组织的平均硬度值。也就是说，当金属材料是由几个相的机械混合物组成时，测得的硬度值只是这个混合物的平均硬度。但是在金属材料的试验工作中，往往需要测定某一组织组成物的硬度，例如测定某个相、某个晶粒、夹杂物或其它组成体的硬度；或者对于研究扩散层组织、偏析相、硬化层深度以及极薄层试样等，这时就可以应用显微硬度试验法。
   显微硬度试验法其原理与维氏硬度试验法一样，也是以载荷与压痕表面积之比来确定，不同的是，显微硬度试验法所采用的载荷很小，一般在1~200gf(0.0098~1.961N)。若载荷F以Kgf为单位，压痕对角线平均长度d以&micro;m为单位计算，则显微硬度值也可用HV表示，其计算公式为
HV=1854.4F(gf)/d2=0.1891F(N)/d2
实际试验时，硬度值并不需要用上述公式计算，只要用测量显微镜测出压痕两对角线的平均长度d，就可根据d的大小查表求得。
显微硬度的表示方法和维氏硬度一样，在硬度符号HV之前的数字为硬度值，HV后的数位依次表示载荷(Kgf)和载荷保持时间（保持时间为10~15s时不标注）。例如450HV0.1表示在0.1kgf(0.98N)载荷下，保持10~15s测得的显微维氏硬度值为450；450HV0.1/30表示在0.1kgf(0.98N)载荷作用下，保持30s测得的维氏硬度值为450。
   显微硬度试验试样的最小厚度如表3-3所列。
                         表3-3  显微硬度试验试样最小厚度
载荷(N)     HV
900 800 700 600 500 400 300 200 100
试样最小厚度(mm)
0.4903 0.015 0.016 0.017 0.019 0.020 0.023 0.026 0.032 0046
0.9807 0.021 0.022 0.024 0.026 0.028 0.032 0.036 0.045 0.065
1.961 0.030 0.032 0.035 0.036 0.041 0.046 0.053 0.065 0.091
2.943 0.037 0.040 0.042 0.046 0.050 0.056 0.065 0.079 0.102
4.9035 0.040 0.051 0.055 0.059 0.065 0.072 0.083 0.102 0.144
9.807 0.068 0.072 0.077 0.083 0.091 0.102 0.118 0.144 0.200
影响显微硬度值的因素：
   1．测量误差  主要是由载荷测量误差及压痕测量误差引起的。因此操作时要细心，并在每次操作前应校正零位。
   2．试样的表面状态  被检测试样的表面状态直接影响测试结果的可靠性，测定显微硬度的试样与普通金相样品的制备相同，磨光、抛光时应尽量避免表层微量的塑性变形，引起加工硬化。
   3．加载部位  压痕在被测晶粒上的部位及被测晶粒的厚度对显微硬度值均有影响。在选择测量对象时应选取较大截面的晶粒。
   4．试验载荷  为保证测量的准确度，试验载荷在原则上应尽可能大，且压痕大小必须与晶粒大小成一定比例，在测定软基体上硬质点时，被测点截面直径必须4倍于压痕对角线长。此外测定脆性相时，高载荷可能出现“压碎”现象，角上有裂纹的压痕表明载荷已超过材料的断裂强度，因而获得的硬度值是不准确的。
 （五）载荷施加速度及保持时间   硬度试验中，由于惯性的作用，加荷机构会产生一个附加载荷，而使硬度值偏低，为了消除附加载荷的影响，在施加载荷时应以尽可能平稳、缓慢的速度进行。载荷要保持足够的时间，载荷保持时间一般为10~15 s。
某公司生产的半自动显微硬度计系统，由一台显微计及一套电脑控制载物台及TV测量系统组成。该设备能用光标在电脑显示屏上测量压痕，减少了测量误差。自动载物台可沿X、Y轴及在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限任意移动(重复精度优于2μm)；在测量硬化层深度时，可以设定一条或多条轨迹，载物台可按照设定自动移动；在测量后可立即打印出硬化层深度报告及曲线图；采用高分辨率图像采集装置可在显示屏上显示清晰图像，并可存储和打印测量结果。
(五) 肖氏硬度
肖氏硬度试验是动力硬度试验中最简单的一种试验方法。试验时，使一定重量的标准冲头（底端镶有金刚石圆柱体）或钢球从一定高度H自由下落于试样表面，然后由于试样的弹性变形，又使其回跳到h高度，因此可用H与h的比值来计算肖氏硬度值HS
HS=K&#8226;h/H                  
式中HS-肖氏硬度；Ｋ-肖氏硬度系数。
肖氏硬度的大小与冲头回跳的高度成正比。因此，它取决于材料的弹性性质，即取决于材料弹性变形能的大小。肖氏硬度又称弹性回跳硬度。                          
肖氏硬度的标定是以完全淬硬的高碳钢为样品，以其回跳的平均
高度为标准，令此高度为100。为了能够测定更高硬度的材料，肖氏
硬度的标定还可向上延仲到120或140。试验时冲头回跳高度所标示
刻度即为肖氏硬度值。

 （六）里氏硬度
里氏硬度是1978年才引入的硬度测量技术，该硬度值的定义为
冲击体反弹速度(υB)与(υA)之比乘以1000，即
HL=υB/υA×1000
材料硬度越高，其反弹速度也越大。
里氏硬度计的构造如图3-32所示，在进行测试时，具有碳化钨测
量头的冲击体借弹簧力打向被测试件表面，冲击后反弹。由于冲击体上
组装有永久磁铁，当冲击体通过线圈时它向前和弹回时均使线圈内感应
出电压，这些电压值正比于速度，经计算机处理后在显示装置上便显示
出理氏硬度值。
里氏硬度计体积小；携带方便；操作简单，适用于各种大型、重型工
件和工件内壁的硬度检测。但试验结果受被测试件表面光洁度影响较大。    图3-32  里氏硬度计构造图

二、拉伸试验
   拉伸试验是力学性能试验中最基本的试验，是检验金属材料质量和研制、开发材料新品种工作中最重要的试验项目之一。在金属材料的技术条件中，绝大部分都以拉伸性能作为主要评定指标。同时，拉伸试验的数据又是机械制造和工程中选材的主要依据。
金属的拉伸试验试样和试验方法，新标准为GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》，旧标准为GB6397-86《金属拉伸试验试样》和GB228-87《金属拉伸试验方法》。
金属的力学性能，主要是指金属的强度和塑性。金属的强度，就是金属抵抗变形和断裂的能力，即单位面积上所能承受的负荷，用符号R（σ）表示，单位为N/mm2（Mpa）。金属的塑性，就是金属在断裂前发生不可逆永久变形的能力，一般用断后伸长率和断面收缩率这两个指标来表示，其符号分别为A（δ）和Z（ψ），二者均以百分比表示。（新标准的符号R、A、Z和旧标准的σ、δ、ψ等同，单位不变）
   金属的拉伸试验可以测得强度和塑性。金属的强度指标主要有规定非比例延伸强度Rp（规定非比例伸长应力σp）、规定总延伸强度Rt（规定总伸长应力σt）、规定残余延伸强度Rr（规定残余伸长应力σr.）、上屈服强度ReH、下屈服强度ReL（上屈服点、下屈服点）、抗拉强度Rm(σb)等；金属的塑性指标主要有断后伸长率A(δ)、屈服点延伸率Ae、最大力下的伸长率Ag、断面收缩率Z等。

 (一) 拉伸试样的制备
1．取样部位  根据检验项目的要求，按GB2975-82《钢材力学及工艺性能试验取样规定》进行取样，
2．拉伸试样  拉伸试样分棒材试样、板材试样、管材试样、铸件试样、锻件试样、线材试样等几种，而每一种拉伸试样又分为比例试样和定标距试样两种形式。下面介绍棒材试样和板材试样。
(1)棒材试样  棒材(包括方材和六方形材)，按标准要求加工成圆形比例试样(图3-33)，试样各部分加工尺寸见表3-4，各部位的尺寸偏差应符合表3-5的规定。

图3-33    圆形比例试样的两种不同形态
表3-4    圆形比例试样各部分尺寸
一 般 尺 寸 短   试   样 长   试   样
d0 r0  （最小） 试样号 L0 Lc 试样号 L0 Lc
单双肩 螺纹
25
20
15
10
8
6
5
3 5
5
4
4
3
3
3
2 12.5
10
7.5
5
4
3.5
3.5
2 R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8 5d0 L0+d0 R01
R02
R03
R04
R05
R06
R07
R08 10d0 L0+d0

表3-5    圆形试样的尺寸偏差
圆形试样直径d0 试样标距部分直径d0的允许偏差 试样标距部分最大与最小直径d0
的允许差值
<5
5~<10
≥10 ±0.05
±0.1
±0.2 0.01
0.02
0.05

   试样需经热处理时．须先将毛坯试样进行热处理，然后再加工成拉伸试样。不需热处理的试样，可直接加工成拉伸试样。
(2)板材试样  对厚板、薄板材，一般截取矩形试样。矩形试样可分为带头和不带头的两种，其形状及侧面加工粗糙度如图3-34所示。带头矩形试样尺寸如表3-6所示。矩形试样加工偏差一般应符合表3-7的规定。对于厚度小于0.5~0.1mm的薄板（带），一般采用定标距试样P8或P9。仲裁试验时，如有关标准无规定试样尺寸，应采用P4（P04）或P5（P05）试样。

 (a)带头                                    (b)不带头
图3-34    带头与不带头的矩形试样形态
表3-6  带头矩形试样各部分尺寸
一 般 尺 寸 短   试   样 长   试   样
a0 b0 r 试样号 L0 Lc 试样号 L0 Lc
0.1~<1.0
1.0~4.0
>4.0~12 10
15
20 25~40 P1
P2
P3 5.65√S0 L0+b0/2 P01
P02
P03 11.3√S0 L0+b0/2

0.5~<4.5
4.5~25 20
30 P4
P5 P04
P05
0.1~<6
4.5~25 12.5
25 P6
P7 P06
P07
0.1~0.5 12.5
20 25~40 P8
P9 50
80 75
120 75
120

表3-7   矩形试样加工尺寸偏差
矩形试样宽度b0 试样标距部分内宽度b0的允许偏差 试样标距部分内最大与最小宽度b0
的允许差值
10
12.5
15 ±0.2 0.1
20
25
30 ±0.5 0.2

(二) 钢材强度指标
钢的强度是通过拉伸试验测定的。拉伸试验一般是在万能试验机上进行的。拉伸试验时，试样在负荷平稳增加下发生变形直至断裂。此时利用万能试验机上的自动绘图装置．可以绘出试样在拉伸过程中伸长与负荷之间的关系曲线．习惯上称此曲线为试样的拉伸曲线，即F-&#8710;L曲线。图3-35为低碳钢试样的拉伸曲线和应力应变曲线。

图3-35   低碳钢试样的拉伸图和应力应变曲线。
 1.　规定非比例延伸强度（Rp）
   规定非比例延伸强度，就是试样标距的非比例延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力。使用的符号应附以下脚注说明所规定的百分率。如Rp0.2、表示规定非比例延伸率为0.2时的应力(图3-36)。
对于拉伸曲线有明显弹性直线段的材料，可使用图解法，或逐级施力法测定规定非比例延伸强度；对于无明显弹性直线段的材料则可采用滞后环法或逐步逼近法。
   采用图解法测定规定非比例伸长应力。用自动记录方法绘制力-伸长曲线图时，力轴每毫米所代表的应力，一般应不大于10Mpa, 曲线的高度应使Fp处于力轴量程的二分之一以上。伸长放大倍数的选择应使图3-35中的OC段的长度不小于5mm。
   作图步骤：在曲线图上，划一条与曲线的弹性直线段部分平行，且在延伸轴上与此直线段的距离等效于规定非比例延伸率（Le&#8226;εp）的直线，此平行线与曲线的交截点给出相应于所求规定非比例延伸强度的力（Fp）。此力除以试样原始横截面积（S0）得到规定非比例延伸强度（Rp）。
Rp=Fp/S0 （N/mm2）
                     
图3-36  规定非比例延伸强度Rp      图3-37   规定总延伸强度Rt        图3-38   规定残余延伸强度Rr
          εp --规定非比例延伸率                εt --规定总延伸率                     εr --规定残余延伸率  
2．规定总延伸强度（Rt）
规定总延伸强度就是试样标距部分的总延伸率（弹性延伸加塑性延伸）等于规定的原始标距百分率时的应力。表示此应力的符号应加脚注说明，例如σt0.5表示规定总延伸率为0.5时的应力(图3-37)。
采用图解法测定规定总延伸强度。用自动记录方法绘制力-延伸曲线图时，力轴每毫米长所代表的应力，一般应不大于10MPa。延伸放大倍数一般至少应为50倍。
   在曲线图上，划一条平行于力轴并与该轴的距离等效于标距的规定总延伸率（Le&#8226;εt）的平行线，此平行线与曲线的交截点给出相应于规定总延伸强度的力（Ft）。此力除以试样原始横截面积（S0）得到规定总延伸强度（Rt）。
Rt=Ft/S0  （N/mm2）
  3．规定残余延伸强度（Rr）
规定残余延伸强度，就是卸除应力后残余延伸率等于规定原始标距百分率时对应的应力。使用的符号应附以下脚注说明所规定的百分率。如Rr0.2、表示规定残余延伸率为0.2时的应力(图3-38)。
测量时，试样施加相应于规定残余延伸强度的力，保持力10s~12s，卸除力后验证标距部分的残余延伸率未超过规定的百分率时的应力。
           Rr=Fr/S0   （N/mm2）
上述三个定义适用于高碳钢和一些调质合金钢，这些钢种在拉伸过程中无明显屈服现象。
4．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。过去曾叫屈服点。
   上屈服强度（ReH）--试样发生屈服而应力首次下降前的最高应力。
   下屈服强度（ReL）--在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力。
试样经过屈服阶段再除去负荷，部分变形不能恢复，这部分不能恢复的残余变形称塑性变形。
图解法测定屈服强度：试验时，用自动记录装置绘制力-延伸曲线或力-位移曲线，力轴每1mm所代
 
图3-39   用图解法从曲线上确定上屈服强度和下屈服强度的方法
表的应力，一般应不大于10MPa，伸长(夹头位移)放大倍数应根据材质进行适当选择，曲线应至少绘制到屈服阶段结束点。在曲线上确定屈服平台恒定的力FeL(图3-39(d))或屈服阶段中力首次下降前的最大力FeH(图3-39(a、b、c))或不计初始瞬时效应时的最小力FeL（图3-39(a、b、c)）。上屈服强度或下屈服强度可分别按以下各式计算：
上屈服点ReH=FeH/S0　　　　　　下屈服点ReL=FeL/S0    （N/mm2）
5．抗拉强度（Rm）
 金属试样屈服后，若要使其继续发生变形，则需增加外力以克服其中不断增长的抗力，这是因为材料在塑性变形过程中不断发生强化。在强化阶段中，试样的变形主要是塑性变形，其变形量要比弹性变形阶段内的变形大得多，试样的变形仍是均匀的，但可以看到整个试样的横向尺寸有显著缩小。当外力继续增加到某一最大值(图3-35曲线m点对应的力)时，试样的局部面积缩小，产生了所谓“缩颈”现象，故载荷也逐渐降低，直到试样被拉断。
   抗拉强度(Rm)是指试样在拉伸试验时的最大力（Fm）除以试样原始横截面积（S0）之商。等同于σb。
Rm=Fm/S0    
式中  Fm --试样承受的最大力，N；
         S0--试样平行长度部分的原始横截面面积，mm2。
抗拉强度在工程技术上是很重要的，因为它表示材料在拉伸条件下所能承受的最大外力，所以，它是零件和工件设计时的主要依据，同时也是评定金属材料的重要指标之一。
(三) 钢材塑性指标
塑性是指材料产生塑性变形而不破坏的能力。在拉伸试验时，金属材料的塑性，可用断后伸长率和断面收缩率表示。
1．断后伸长率（A）
   断后伸长率是试样拉断后断后标距的残余伸长(Lu-L0)与原标距L0之比的百分率((图3-35)。
A＝(Lu-L0)/L0  ×
式中  Lu—试样拉断后的标距长度, mm；
     L0--试样原始标距长度，mm。
断后伸长的测定  将拉断后的试样断裂处紧密对接．尽量使其轴线位于一直线上，以测量断后长度。
断后标距Lu的测量：
 1）直测法  拉断处到最邻近标距端点的距离大于L0/3时，可直接测量标距两端点间的距离。
图3-40   移位法测定断后伸长率示意图
2) 移位法  若拉断处到最邻近标距端点的距离小于或等于L0/3时，则按下述方法测定Lu：在长段上从拉断处O取基本等于短段格数，得B点，接着取等于长段所余格数(偶数，图3-40 (a))的一半，得C点；或者取所余格数(奇数，图3-40(b))分别减1与加1的一半，得C和C1点。移位后的Lu分别为：AB＋2BC和AB＋BC＋BC1。
强度指标的测定，一般不受试样长短的影响。而伸长率则随标距的增加而减小。因为长、短试样拉断后都有一个颈缩部分，把颈缩部分平均到短试样中，比平均到长试样中所占的比例大，所以，同一材料的短试样(L0 =5d0)测得的伸长率要稍大于长试样(L0 =10d0)，其值因钢种不同而异。因此，对于比例试样，若原始标距不为5.65√S（L0 =5d0）时，符号A应附以下脚注说明所使用的比例系数。例如，A11.3表示原始标距为11.3√S(L0 =10d0)的断后伸长率。对于非比例试样，符号A应以下脚注说明所使用的原始标距，以毫米（mm）表示，例如A80mm表示原始标距（L0）为80mm的断后伸长率。
   最大力伸长率  就是试样拉到最大力时原始标距的伸长与原始标距之比的百分率。应区分最大力总伸长率（Agt）和最大力非比例伸长率（Ag）
屈服点延伸率(Ae)  就是呈现明显屈服现象的金属材料，屈服开始至均匀加工硬化开始之间标距的延伸量与引伸计标距之比的百分率。
2．断面收缩率（Z）
断面收缩率就是试样拉断后，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。
Z＝(S0-Su)/S0 ×
式中  S0--试样原始横截面积，mm2；
           Su--试样拉断后缩颈处的截面积, mm2。
试样断裂处的截面积的测定方法是：对圆形试样在缩颈处两个相互垂直方向上测量其直径，用二者的算术平均值计算。矩形试样用缩颈处的最大宽度乘以最小厚度求得。求出试样断裂处的截面积。
通常，A、Z的数值越大，材料的塑性越好。反之，材料的塑性越差，脆性越大。根据金属材料的伸长率A和断面收缩率Z的大小，很容易确定各种材料的塑性好坏。
钢的强度、塑性与其含碳量有着密切关系。随着钢的含碳量的增加，其强度增高而塑性减小。
钢的强度和塑性还与温度有关。一般来说，温度越高．强度越低，塑性越好。所以，钢材的轧制和锻造时都将其加热到高温使其组织转变为塑性良好的奥氏体，以便于塑性成形。

三、冲击试验
金属材料在服役中，不仅受到静负荷的作用，而且还受到速度很快的冲击负荷的作用。如火车车轮对铁轨的冲击，锻锤对铁砧的冲击等。由于冲击负荷的加载速度高，作用时间短，使金属在受冲击时，应力分布和变形很不均匀，工件往往易断裂。因此，对于承受冲击负荷的零件或工具来说，仅具有高的强度是不够的，还必须具有足够的抗冲击负荷的能力。
金属材料在冲击负荷作用下，抵抗破坏的能力称为冲击韧性，金属材料的冲击韧性的好坏可通过冲击试验来测定。目前最普遍应用的一种冲击试验是一次摆锤弯曲冲击试验。通过冲击试验来测定材料承受冲击负荷的能力，无疑对设计计算和对材料进行评定均有重要的意义。由一次摆锤弯曲冲击试验获得的一次冲击韧性值ak对材料的一些缺陷很敏感，它能反映出材料的宏观缺陷和显微组织方面的微小变化，因而是检验材料或工件中的白点、夹杂物、层状、夹渣、气泡、压力加工产品各向异性、淬火过热、过烧、变形时效及回火脆性等的有效方法之一。另外，ak对材料的脆性转化也很敏感，可利用低温冲击试验测定钢的冷脆性。因此冲击试验得到了广泛应用。
(一) 冲击试样的制备
冲击试样的制取，与拉伸试样的制取相同，通常二者是一起制备的。
为了使试验结果能相互比较，所用试样必须标准化。按GB229-84和GB2106-80规定，冲击试验标准试样有夏比U型缺口试样和夏比V型缺口试样两种，习惯上前者称为梅氏试样，后者称为夏氏试样。两种试样的尺寸及加工要求如图3-41所示。两种试样的缺口深度一样，而缺口底部半径不同，U型为1 mm，V型为0. 25mm，因此，V型缺口应力相对集中，当试样受到冲击时，就显得更敏感。

 
         （a）                                              (b)
图3-41   夏比u型缺口试样(a)和夏比V型缺口试样(b)
(二) 室温冲击试验
摆锤冲击试验，就是将标准冲击试样置于冲击试验机支座上(图3-42)，然后释放具有一定位能的重锤，把试样一次冲断(图3-43)。击断试样所作的功Akv或Aku,即为冲击吸收功。冲击吸收功可直接从冲击试验机表盘上读出。它表示具有规定形状和尺寸的金属试样，在一次冲击力作用下折断时所吸收的功，单位为焦耳（J）。材料的冲击韧性可用一次冲击韧性值ak表示，aK值可用下式计算：
                 aK = AK/So
式中  AK --冲击吸收功，J;
             So--试样缺口底部处横截面面积，cm2.
   冲击试验时，首先要校正冲击机，使第一次空摆冲击时，被动指针对零，其偏差不应超过最小分度的四分之一；借助样规将试样对准冲击中心(偏差不得大于0.2mm)，置于支撑板上；试样冲断后，从试验机表盘上直接读出AK(AKV或AKU)／J。冲击试样未完全折断时，应在试验记录和报告中注明“＞”或“未断”字样，例如AK＞32J。试验时的室温一般应为23士5℃。
         
图3-42试样置放示意图                          图3-43冲击试验机
1-试样；2-试样支撑面；3-重锤            1-重锤；2-试样；3-支撑面；4-指针；5-刻度盘
 (三) 低温冲击试验
通常，有些材料在室温下进行冲击试验时并不显示脆性，而在低温下则可能发生脆断，这一现象称为冷脆现象。为了测定金属材料开始发生这种冷脆现象的温度，应在不同温度下进行一系列冲击试验，测出该材料的冲击韧性值与试验温度间的关系曲线。图3-44为某些材料的冲击吸收功随温度变化的情况示意图。由图可见，冲击吸收功随温度的降低而减小，
当试验温度降低到某一温度范围时，其冲击吸收功急剧降低，使试样的断口由韧性断口过渡为脆性断口。这个温度
范围称为脆性转变温度范围。在这一温度范围内，通常以试样断口面积上，出现50脆性断口时的温度作为脆性转变温度。脆性转变温度与钢的成分、显微组织、试验条件密切相关。脆性转变温度越低，材料的低温冲击性能越好。因此，         图3-44   冲击吸收功-温度曲线
脆性转变温度的高低是金属材料的质量指标之一。      
   低温冲击试验，是将试样置于某种冷却剂中，冷却到规定的温度后再进行试验，以测定其低温冲击吸收功，作出冲击吸收功随温度变化曲线，从而求出材料的脆性转变温度。