導讀：金屬材料在各行各業的應用特別廣泛，在製造業中，以金屬材料作為主要加工用原材料，特別是模具行業，但金屬材料具有哪些力學性能？（強度、硬度、彈性、塑性）？如何進行測試（拉伸測試、洛氏硬度？布氏硬度？維氏硬度？衝擊測試？）？有很多地方不是很了解，現將個人收集整理的一些資料分享給大家，以便對金屬材料有一個基礎了解？
導致鐵達尼號沉沒的真正原因是什麼？20世紀80年代科學家對打撈出來的鐵達尼號船體材料進行測試發現：使用的材料力學性能「低溫脆性」，抗衝擊力弱！船體與水下冰上相撞時，發生大面積斷裂，船體大量進水導致沉沒！
金屬材料具有哪些力學性能？
力學性能是指：金屬在力的作用下所顯示出的與彈性和非彈性反應相關或涉及應力 - 應變關係的性能。一般來說，如：強度、塑性、硬度、彈性、韌性等。
一. 強度
強度是指：金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力。一般鋼材的屈服強度在 200 ～ 1000Mpa之間。通過拉伸試驗測得大小。強度的大小通常用應力來表示。
應力：應力是在它所作用面積上的力，用N/mm2表示，在米制單位中，用千帕（kPa）或兆帕（MPa）表示。
應變：是被測試材料尺寸的變化率，它是加載後應力引起的尺寸變化。由於應變是一個變化率，所以它沒有單位。
原始標距(Lo)：施力前的試樣標距。
斷後標距(Lu)：試樣斷裂後的標距。
平行長度(Lc)：試樣兩頭部或兩夾持部分(不帶頭試樣)之間平行部分的長度。
斷後伸長率(A)：是斷後標距的殘餘伸長(Lu-Lo)與原始標距(Lo)之比的百分率。
斷面收縮率(Z)：斷裂後試樣橫截面積的最大縮減量(So-Su)與原始橫截面積(So)之比的百分率。
最大力(Fm)：試樣在屈服階段之後所能抵抗的最大力。
屈服強度：當金屬材料呈現屈服現象時，在試驗期間達到塑性變形發生而力不增加的應力點。
上屈服強度：試樣發生屈服而力首次下降前的最高應力。
下屈服強度：在屈服期間，不計初始瞬時效應時的最低應力。
按載荷的作用方式不同，強度可分為：抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度、抗扭強度等。注意：一般多以抗拉強度作為判別金屬強度高低的指標！
拉伸試驗（參照GB/T228.1-2010）測定材料（標準拉伸試樣）在材料試驗機拉伸載荷作用下的一系列特性的試驗。是金屬的抗拉強度和塑性測定的試驗方式。
拉伸試樣必須按照GB6397-86的標準進行取樣。如下圖：試樣的標準
拉伸試驗一般採用萬能材料試驗機，一般有WE系列液壓式（a），WDW系列電子式（b）。如下圖：
在拉伸試驗過程中，依據拉伸試驗曲線（如下圖），可以將試樣拉伸過程分為四個階段：彈性階段、屈服階段、強化階段、頸縮階段等。註：拉伸曲線是指拉伸試驗中得出的拉伸力和伸長量之間關係曲線。
四個階段具體在拉伸曲線中區分，見下圖：
彈性階段是：OP 屈服階段: ss' 強化階段: s『b 頸縮階段：bz
強度指標：
- 屈服點σs材料產生屈服時的最小應力。單位為 Mpa. 公式 σs=Fs/A0
- Fs是屈服時的最小載荷（N）; A0 是試樣原始截面積。
- 對於無明顯屈服現象的金屬材料（人高碳鋼、鑄鐵），測量屈服點很困難，工程上經常採用殘餘伸長為 0.2%原長時的應力σ0.2 作為屈服強度指標，稱為規定殘餘伸長應力。 σ0.2 =F0.2/A0
- 抗拉強度 σb 是材料在拉斷前承受的最大應力，單位為Mpa.抗拉強度表示材料抵抗均勻塑性變形的最大能力，也是設計機械零件和選材的主要依據！ 公式 σb =Fb /A0 Fb 是試樣斷裂前所承受的最大載荷（N）
試樣在試驗中變化過程，如下圖：
a: 試樣（初始） b: 伸長 c: 產生頸縮 d: 斷裂
舉例：脆性材料的拉伸曲線：在斷裂前沒有明顯的屈服現象
強度的意義：強度越高，表明材料在工作時越可以承受較高的載荷。當載荷一定時，選用高強度的材料，可以減小構件或零件的尺寸，從而減小構件自重。因此，提高材料的強度是材料科學中的重要課題！稱之為材料的強化！
二. 塑性
塑性是指：金屬材料在載荷的作用下，產生塑性變形而不斷裂的能力。一般是通過拉伸試驗測得大小。常用的塑性指標有：斷後伸長率 δ 和 端面收縮率 ψ。
塑性對於材料的意義：
1. 是金屬材料進行壓力加工的必要條件；
2. 提高安全性：因零件在工作時萬一超載，也會由於塑性變形使材料強化而避免突然斷裂。
強度與塑性是一對相互矛盾的性能指標。在金屬材料工程應用中，要提高強度，就要犧牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一部分強度。但可以通過細化金屬材料晶體組織（關於晶體組織請關注補天石企業之友的其他文章），可以同時提高材料的強度和塑性。
三.硬度
硬度是指金屬材料在一個小的體積範圍內金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。是材料性能的一個綜合的物料量。
硬度的測量方式主要採取壓入式。不同材料的硬度，採取不同的測量試驗機，因測量試驗機的不同，有三種不同硬度：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、維氏硬度（HV），具體見下圖：
四.韌性
強度、塑性、硬度等力學性能指標都是材料在靜默載荷作用下的表現。材料在工作時還經常受到動態載荷的作用。韌性就是材料在動態載荷作用下抵抗破壞的能力。也稱為衝擊韌性！
在設計和製造受衝擊載荷的零件和工具（如沖床、鑽頭、 頂塊）時，必須考慮所用材料除具有足夠的靜默載荷作用下的力學性能指標（強度、塑性、硬度）外，還必須具有足夠的抵抗衝擊載荷的能力（韌性）。
衝擊載荷與靜默載荷的主要區別是：
1. 衝擊載荷的加載時間短、加載速率高、應力集中。由於加載速率提高，金屬形變速率也隨之增加。
2.衝擊載荷對材料的作用效果或破壞效應大於靜默載荷。（如玻璃，在衝擊載荷作用下非常容易破裂！）
衝擊韌性可以通過一次擺錘衝擊試驗來測定。
衝擊試驗的方式是：
將帶有 U 型 或 V 型缺口的衝擊試樣放在試驗機架的支座上，將擺錘升至高度 H1 ,使其具有勢能 mgH1; 然後，使擺錘由此高度自由下落將試樣沖斷並向另一個方向升高至 H2，這時擺錘的勢能為mgH2.擺錘用於沖端試樣的能量：
Ak =mg（H1 - H2）即為衝擊功率（焦耳 J）
衝擊試樣： U 型 或 V 型缺口 見下圖
備註1：如果不能製作標準試樣，可以採用寬度 7.5mm 或 5mm等小尺寸試樣。試樣的其他尺寸及公差與相應 缺口的標準試樣相同。缺口應開在試樣的窄面上。其中 5mm ×10mm ×55mm試樣常用於薄板材料的試驗。
備註2：焊接接頭衝擊試樣的形狀和尺寸與 相應的標準試樣相同，但其缺口軸線應當垂直焊縫表面。具體見下圖：
衝擊試驗機 和衝擊試驗是試樣的擺放。如下圖
按照GB/T229 -2007,U 型 或 V 型缺口試樣的衝擊能量分別用：KU 和 KV表示。並用下標數字 2 或 8 表示擺錘刀刃半徑，如KU2.衝擊吸收能量的大小直接由試驗機的刻度盤上直接讀出！
衝擊吸收能力的值越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的衝擊載荷；一般把材料衝擊吸收能量較低的材料稱為脆性材料，吸收能量高的材料稱為韌性材料！
衝擊韌性與溫度有密切的關係，溫度降低，衝擊韌性隨之降低，當低於某一溫度時材料的韌性急劇下降，材料將由韌性狀態轉變為脆性狀態。這一溫度成為轉變溫度 Tt. 轉變溫度越低，表明材料的低溫韌性越好，對於材料在低溫或寒冷地區使用十分重要！
金屬材料的成分對脆性轉變溫度的影響很大，一般的碳素鋼，韌性轉變溫度 Tt 大約為 -20℃，某些合金鋼的韌性脆變溫度 Tt 可以達到 -40℃。
因材料脆性導致出現重大的事故，屢見不鮮。如：鐵達尼號的沉沒。
1912年4月，號稱永不沉沒的鐵達尼號，首航沉沒於冰海之中，成為 20世紀令人難以忘懷的悲傷海難，20世紀80年代科學家對打撈出來的鐵達尼號船體材料進行測試發現：船板使用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫下呈脆性，抗衝擊力弱！船體與水下冰上相撞時，發生大面積斷裂，船體大量進水導致沉沒！下圖是取自船體的金屬材料：
如何提高衝擊韌性？
- 改變材料的成分，如加入釩、鈦、鋁、氮等元素，通過細化晶粒來提高其韌性，尤其是低溫韌性。（關於晶體組織請關注補天石企業之友的其他文章）
- 提高材料的冶金質量，減少偏析、夾渣、氣泡等缺陷。
五.疲勞強度
金屬的疲勞是指：在交變應力作用下，零件所承受的應力低於材料的屈服點，但經過較長時間的工作後，產生裂紋或突然發生完全斷裂的現象。
1988年6月3日，德國發生了戰後最慘重的一起鐵路交通事故（如上圖）：一列高速行駛的列車脫軌，造成 100多人遇難！經過對事故原因的調查：是因為一節車廂的車輪「內部疲勞斷裂」引起！
變動載荷是指引起疲勞破壞的外力，是指載荷大小，甚至方向均隨時間變化的載荷。其在單位面積上的平均值即為變動應力！變動應力可分為：規則周期變動應力（也稱循環應力）和無規則隨機變動應力兩種。
a: 應力大小變化；b/c:應力大小和方向都變化；d:應力大小和方向無規則變化
疲勞斷裂是指零件在循環應力作用下，在一處或幾處產生局部永久性累積損傷，經過一定循環次數後突然產生斷裂的過程！疲勞斷裂由：疲勞裂紋產生 - 擴展 - 瞬間斷裂 三個階段組成！
儘管疲勞失效的最終結果是部件的突然斷裂，但實際上，它們是一個逐漸失效的過程，從開始到最後破裂需要經過很長時間。疲勞斷裂的宏觀斷口（主斷口面）一般由三個區域組成：疲勞裂紋產生（裂紋源）、裂紋擴展、最後斷裂區。如下圖:
疲勞斷口的圖片：案例
疲勞強度是指當應力低於某值時，材料經受無限次循環應力也不發生疲勞斷裂，此應力成為材料的抗疲勞強度（材料的疲勞極限）。記作：σR R為應力比。就是 S -N曲線中的平台位置對應的應力。通常，材料的疲勞極限是在對稱彎曲疲勞條件下（R = -1）測定的，對稱彎曲疲勞極限記作 σ-1
疲勞曲線：試驗證明，一般鋼鐵材料所受交變應力最大值 σmax 與其失效前的應力循環次數（疲勞壽命）N 的曲線關係。如下圖：
若，疲勞曲線上沒有水平部分，常以規定斷裂循環次數對應的應力為條件疲勞極限。一般的低、中強度鋼： 107周次；高強度鋼： 108 周次；鋁合金、不鏽鋼： 107 周次。
如何提高疲勞極限（強度）？
- 在零件結構設計中儘量避免尖角、缺口、截面突變；
- 提高零件表面加工質量；
- 對材料表面進行強化處理。
這些是個人了解並收集到的一些關於金屬材料力學性能方面的知識，希望對各位有所幫助。關於更多的信息和資料，將在後續的資料中逐步分享，請關注或聯繫：