金属材料的力学性能是指金属材料在力或能的作用下，材料所表现出来的一系列力学性能，如强度、弹性、塑性、硬度、韧性和疲劳等。它反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的能力。

1)强度 是指金属材料在缓慢加载的静载荷作用下，抵抗永久变形和断裂的能力，其载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转等方式。按照作用力的性质不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。在工程上常用的是金属的屈服强度和抗拉强度。

2)弹性 金属材料在外力作用下发生变形，当外力去掉后，仍能恢复其原来形状和尺寸的变形，这种变形叫做弹性变形。具有这种弹性变形能力的特性称为弹性。

 3)塑性 当作用在材料上的外力超过某一限度，在去掉外力后大部分变形随之消失(弹性变形部分),但留下部分变形不能完全恢复原来的形状和尺寸，而出现残余变形，这部分残余变形叫做塑性变形。塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。金属塑性主要用断后伸长率、断面收缩率和冷弯角来表示。

4)韧性 韧性是指在冲击载荷的作用下，金属在破断前吸收变形能量的能力。通常用冲击吸收功或冲击韧度来表示。

5)硬度 硬度是指金属抵抗较硬物体压入的能力。它不是一个单纯的物理量，是反映材料强度、塑性、弹性的综合力学性能指标。硬度可以用不同的方法，在不同的仪器上测定，主要有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。

6)疲劳 疲劳是指金属在交变外力的作用下，所承受的最大应力低于屈服点就发生突然断裂的现象，其衡量指标是疲劳极限。

测定上述性能的试验，叫做金属的力学性能试验。力学性能试验的种类主要有：拉伸试验、冲击韧度试验和硬度试验等。此外，还常采用冷弯试验来检验金属原材料或焊接接头的塑性。

轧制金属沿轧制方向和垂直轧制方向的力学性能(特别是塑性和韧性)是不同的，焊接接头及焊缝金属的力学性能，也随着取试样方向的不同，面往往有某些差异。因此，从钢板和焊接试板上截取力学性能试样时，应注意按有关标准规定的取样方向进行取样。

1.拉伸试验

拉伸试验可以测得金属材料的抗拉强度、屈服强度、伸长率和断面收缩率，即从同一个拉伸试样上可以取得四种数据。焊缝金属和焊

接接头的拉伸试验也是暴露焊接缺陷的一种手段。

拉伸试验是用拉伸试样在拉力试验机上进行的。拉伸试样最重要的两个尺寸是：试样的原始横截面积(用S₀表示)和试样原始标距长度(用L。表示)。常用的拉伸试样是圆形断面的，所以，断面尺寸也可以用试样的直径d来表示，在一般情况下，试样的原始标距长度L₀等于试样直径的5倍，也有采用10倍的。这个倍数应在取得的伸长率数据中标明。标明的方法是在伸长率的代表符号8的右下角标明5或10(δ或δ₀)。拉伸试样的示意图见图1-6。

                                              a)拉伸前b)拉伸后

拉伸试验时，将加工好的试样放在拉伸试验机上逐渐增加拉力，直至拉断为止，通过自动记录装置，可测得如图1-7所示的拉力与试样变形量的关系曲线，这种图形曲线称为拉伸曲线。

b上外力/F引&eg”0变形量

图1-7低碳钢拉伸曲线

从图中可见，当拉力小于F。时，oe阶段试样的变形量很小，伸长量与拉力成正比，故oe线为直线。这时，若去掉外力，试样仍可恢复到原来的形状和尺寸，为弹性变形阶段。当拉力增加到F,时，在es段，应力不增加或开始有些下降，在拉伸曲线图上出现了水平或锯齿形的线段，为屈服阶段。屈服后，材料开始产生明显的塑性变形。屈服现象过后，变形 又随着载荷的增加而逐渐增大，整个试样发生均匀而显著的塑性变形。当载荷到达F₆后，在试样的标距长度内出现了局部截面缩小，即发生了颈缩现象。此时，载荷开始下降。故b点为曲线的最高点，变形主要集中在颈部。由于缩颈处试样截面急剧缩小，试样继续变形所需的力迅速降低，直至k点断裂，为断裂阶段。综上所述，金属材料的变形过程可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。

1)抗拉强度 用%表示，指金属材料在拉断前所承受的最大标称拉应力。它表示金属材料抵抗断裂的能力。受压的称抗压强度，受弯的称抗弯强度，受剪的称抗剪强度。抗拉强度计算公式为：

2)屈服强度 用σ₃表示，指金属材料在拉伸过程中，载荷不增加(保持恒定)仍能继续伸长时的应力。它表示金属材料抵抗塑性变形的能力。屈服强度与抗拉强度一样，都是评定金属材料强度的重要指标。屈服强度计算公式如下：

在进行材料的拉伸试验时，如果材料的屈服点不明显或某些材料没有屈服点时，就以变形量达到试样原始标距长度的0.2%时作为该材料的屈服强度，其表示符号为0₀2。

3)伸长率 用δ表示，指试样被拉断后，标距的伸长量与原始标距长度的百分比，它表示材料被拉伸的程度。其计算公式为：

为了便于比较，试样的原始标距长度一般为其直径的5倍或10倍，断后伸长率分别用δ₅或δ₀表示，同种材料的δ₃>810。

4)断面收缩率 用ψ表示，指做拉伸试验时，试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始截面积的百分比，它表示材料被拉细的程度。其计算公式为：

伸长率和断面收缩率是评定塑性好坏的指标。如果焊缝金属的伸长率和断面收缩率达不到正常指标，有时是焊缝金属存在着缺陷的反映。

2.冲击初度试验

冲击韧度指金属材料受冲击力作用时，抵抗变形和断裂的能力，用ax表示。其计算公式如下：

冲击韧度试验时，一般采用夏比冲击试验法的V形缺口或U形缺口试样。由于V形缺口尖锐，应力集中系数较大，对冲击更为敏感，所以，世界各国及我国多采用V形缺口试样，其缺口试样如图1-8所示，试验结果分别表示为Akv、akv或Aku、aKu。

冲击韧度试验大多采用的方法是一次摆锤冲击试验(见图1-9)和小能量多次冲击试验(见图1-10)。目前使用最为普遍的是一次摆锤冲击试验方法。

1)摆锤式一次冲击试验 试验时，将加工好的试样放在试验机的支承面上，并使试样的缺口背向摆锤冲击力的方向，将一定重量的摆锤1放到规定的高度H(m),见图1-9,然后落下，将试样打断。从刻度盘上直接读出试样所做的功Akv,然后按公式计算出冲击韧

度。

2)小能量多次冲击试验 将专门制成的缺口试样，放在多冲试验机上(见图1~10),使之受到试验机锤头2的小能量(<15J)多次冲击，测定材料在一定冲击能量作用下，开始出现裂纹和最后破断的冲击次数作为多次冲击抗力的指标。

在生产实践中，机械零件很少受到大能量的冲击破坏，一般是小能量多次冲击后才破坏的。在这种情况下，用αk值来衡量材料的抗

·冲击能力是不合理的，而应进行多次重复冲击

试验测定其多次抗力。

冲击韧度是金属材料极为重要的力学性能指标，尤其对承受冲击载荷或低温工作环境下的材料，测定其冲击韧度及低温冲击韧度，对合理选择焊接材料，防止脆断具有重要意义。在检验焊接接头的性能时，如果有必要，可以从焊接试板上的不同的部位和不同的方向进行取样，来全面检查接头是否存在脆弱环节。

冲击吸收功或冲击韧度越大，表明材料的韧性越好。冲击断裂可分为脆性断裂和韧性断裂。脆性断裂破坏是突然发生的，断口处没有明显的塑性变形，有金属光泽，而韧性断裂破坏处发生较大的塑性变形，断口呈灰色纤维状。

冲击韧度对材料的脆性转变情况很敏感，用系列冲击韧度试验可以确定钢的冷脆性，如图1-11所示。冲击韧度的高低与试验温度关系密切，在室温(20℃左右)时，不显示脆性；而在较低温度时则可能发生脆断。国际上通用的判据指标为27J,如我国生产的16MnR钢，按此标准其临界脆性转变温度为10℃。

3.弯曲试验

弯曲试验是指把金属材料或焊接接头试样绕一定直径的轴(压头)进行弯曲，以检验材料的塑性和表面质量的试验，见图1-12a所示。在室温下进行这项试验时叫做冷弯试验，焊接接头的弯曲试验土要包括焊缝横向面弯(焊缝正面受拉)、焊缝横向背弯(焊缝根部受拉)和焊缝横向侧弯(焊缝横截面为受拉面)等。

冷弯角是指弯曲试验时，试样弯曲到受拉面出现裂纹时的角度，用α表示(单位为度)。通常的弯曲试验是将冷弯角作为一规定的角度(如50°、90°、100°或180°),见图1-12b、c,将试样弯曲到这一规定的角度，再检查有无裂纹。一般要求压头直径d等于试样板厚δ的2倍或3倍(d=28或d=38,视试件情况而定)。

弯曲试验在检验焊接接头的性能和质量方面有重要意义。焊接接头的塑性主要是通过规定冷弯角的弯曲试验进行检验的，常常可以发现焊缝中有无缺陷，同时还可以反映焊缝金属、热影响区及母材各区域的塑性差别。例如，当焊缝金属强度过高时，往往使变形集中在热影响区，从而使冷弯角达不到要求，此时应适当改换焊条牌号，使焊缝的强度与母材接近。

4.硬度试验

硬度试验是用不同的方法在不同的仪器上进行的金属抵抗较硬物体压入能力的试验。主要有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和维氏硬度(HV)试验。此外还有肖氏硬度(HS)和里氏硬度(HL)试验。

1)布氏硬度 用一定直径的淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷作用下压入被测试金属表面(见图·1-13),保持一定时间后，卸除载荷，测量被测试金属上所形成的压痕直径

d,计算出压痕部分的球形面积A,再求出压

痕的单位面积所承受的平均压力来表示布氏硬度HB的值。

实际应用中，可根据测得的压痕直径，从专门的硬度表中查得HB值。

我国GB/T231—1984标准规定，布氏硬度有两种表示方法：即用HBS和HBW两种符号表示。HBS表示压头为淬火钢球，适用于测量软钢、灰铸铁、有色金属等布氏硬度值在450以下的材料；HBW表示压头为硬质合金球，适用于测量布氏硬度值在650以下的材料。

布氏硬度试验的优点是：因布氏硬度试验法的压痕面积大，能反映出较大范围内被测试金属的平均硬度，测得的值比较准确，且根据硬度值，可近似地确定金属的抗拉强度。

缺点是：受钢球本身硬度的限制，只能测量650HBW以下的材料硬度，比此值更硬的材料，应采用洛氏硬度测量。另外布氏硬度的压痕较大不宜用于产品的检查，更不适合薄件硬度的测量。

2)洛氏硬度 用顶角为120°的金刚石圆锥体作为压头，在一定载荷作用下，压入被测物表面，保持一定时间后，卸除载荷，测量压痕深度。见图1-14所示。它的试验原理与布氏硬度基本相同，也是属于压入法，所不同的是洛氏硬度以压痕深度大小衡量硬度值，而布氏硬度则是以测量压痕的表面积大小表示硬度值。

压痕直径越深，金属的硬度越低，反之硬度越高。硬度值可直接在硬度计表盘上读出。

我国GB/T230—1991标准规定洛氏硬度采用三个标尺测定，HRA、HRB和HRC表示。

A、B和C表示硬度试验时采用的不同压头和

试验载荷，其中HRC应用最广。测试时应根据不同材料，选择不同的标尺。洛氏硬度适用范围见表1-4。

采用洛氏硬度进行试验的优点是：

①测定硬度简单、迅速，可以从表盘上直接读出硬度值，工作效率高。

②适用于成批生产中硬度的检验。由于压痕小，对工件损伤很小，可用于测定成品、半成品的硬度。

③使用两种压头，配合不同负荷，可测量较硬或较软的材料，应用范围广。

缺点是：由于压痕小，硬度波动较大，如测试不均匀合金及组织粗大的金属材料等，一次打在硬质点上，另一次可能打在软质点上，得出的硬度值相差较大。

3)维氏硬度 用相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石作为压头，在选定的载荷F作用下压入被测试金属表面，经规定的保持时间后，卸除载荷，测量压痕两对角线的平均长度，见图1-15所示。维氏硬度用符号HV表示。

维氏硬度试验与布氏硬度及洛氏硬度相比，是最精确、最理想的试验力法。测量精确，测量的硬度范围较宽，可以测量目前使用的大部分材料的硬度，尤其适用于测量焊接接头各区域的硬度值，其缺点是操作麻烦。

4)肖氏硬度 利用一定重量的金刚石球或淬火钢球白一定高度落下，根据回跳高度测定硬度。回跳越高，硬度越高：反之，硬度越低。硬度值可以从表盘上直接读出。这种方法简单，测量迅速，试验后肉眼看不见压痕。但硬度值不够准确。肖氏硬度试验适用于大型零件或工具等，其表示符号为HS。

5)里氏硬度 用规定质量的冲击体在弹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硬度值。里氏硬度计的体积小，重量轻，便于携带，适合于测量不易移动的大型T件和不易拆卸的大型部件及构件的硬度，表示符号为HL。

6)几种硬度间的关系 布氏、洛氏、维氏、肖氏硬度之间，有着近似的关系。换算数据可查看附录I。

布氏硬度在200～400时，IHRC=10HB维氏硬度在200～400时，1HB=1HV,1HRC=10HV,1HB=6.67HS