材料力学性能概述
材料力学性能的定义
材料力学性能，又称机械性能，是指材料在外加载荷作用下所表现出的变形与断裂行为，这是材料固有的属性，由其内部物质结构所决定。
例如，金属材料在拉伸时会有明显的塑性变形，而陶瓷材料则往往表现出脆性断裂。
材料力学性能的重要性
- 在工程设计中，材料力学性能是选材的关键依据。比如，航空航天领域需要材料具备高强度、低密度的特性，以减轻飞行器重量并保证结构安全。
- 建筑行业则要求建筑材料有足够的抗压、抗弯强度，确保建筑物的稳固。
- 对于材料研发，深入了解材料力学性能有助于开发新型材料，满足不同领域对材料性能的特殊需求，推动科技进步。
常见工程材料分类
金属材料
钢铁、铝合金、铜合金等
高分子材料
塑料、橡胶、纤维等
陶瓷材料
结构陶瓷、功能陶瓷等
复合材料
纤维增强、颗粒增强等
主要力学性能指标
强度
材料抵抗永久变形和断裂的能力。
- 抗拉强度：材料在拉伸过程中所能承受的最大应力值
- 屈服强度：材料开始产生明显塑性变形时的最小应力值
- 抗压强度：材料承受压缩载荷时所能承受的最大应力
塑性
材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。
- 伸长率：材料在拉伸断裂后，标距部分的总伸长与原始标距长度的百分比
- 断面收缩率：材料拉伸断裂后，断口处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比
硬度
衡量材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。
- 布氏硬度：用一定直径的钢球或硬质合金球压入试样表面测量
- 洛氏硬度：采用金刚石圆锥体或钢球作为压头测量
- 维氏硬度：以正四棱锥金刚石压头压入试样表面测量
韧性与疲劳性能
材料抵抗冲击和循环载荷的能力。
- 冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力
- 断裂韧性：衡量含有裂纹的材料抵抗裂纹扩展的能力
- 疲劳强度：材料在无限多次交变载荷作用下不发生疲劳破坏的最大应力值
典型材料的应力-应变曲线
低碳钢
具有明显的弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段
铸铁
几乎没有塑性变形，表现为典型的脆性材料特性
铝合金
塑性较好但无明显屈服点，需用规定塑性延伸强度表示
材料力学性能常用测试技术
拉伸性能测试
拉伸试验是最常用的材料力学性能测试方法之一，通过对试样施加轴向拉力，测定材料的强度和塑性指标。
试验设备与原理
常用设备为万能试验机、高速试验机等。通过电机驱动横梁移动，对固定在上下夹具间的试样施加拉力，同时利用高精度传感器实时测量力值、位移和变形数据。
主要测试指标
- 屈服强度
- 抗拉强度
- 伸长率
- 断面收缩率
- 弹性模量
拉伸试样类型
金属拉伸试样通常制成圆截面或矩形截面棒体，对长度、直径、标距等尺寸有明确规定，需符合相关标准。
主要测试标准组织
ISO
国际标准化组织，制定全球统一的材料测试标准
ASTM
美国材料与试验协会，发布材料测试的标准方法
GB
中国国家标准，规定国内材料测试的方法和要求
JIS
日本工业标准，日本国内的材料测试标准体系
测试技术的应用与发展
在各行业的应用案例
航空航天领域
在航空发动机叶片材料的选择和研发中，通过材料力学性能测试，确保叶片材料具备高温下的高强度、抗疲劳和抗氧化性能，保障发动机在极端工况下稳定、安全运行。新型高温合金材料的研发就依赖于对其拉伸、疲劳、蠕变等性能的精确测试。
汽车制造行业
汽车零部件如发动机曲轴、底盘悬挂部件等，在设计和生产过程中，利用材料力学性能测试技术，优化材料选择和工艺参数，提高零部件的强度、韧性和疲劳寿命，降低车辆故障风险，提升汽车的整体性能和安全性。
建筑工程行业
建筑材料如钢材、混凝土等的力学性能测试至关重要。通过对钢材的拉伸、弯曲性能测试，以及混凝土的抗压、抗折性能测试，保证建筑结构的承载能力和稳定性，确保建筑物在各种荷载作用下的安全。
测试技术的发展趋势
智能化与自动化
未来测试设备将配备更先进的人工智能和大数据技术，实现自动控制、智能分析和预测。设备可根据测试数据自动判断材料性能是否合格，并预测材料在不同工况下的使用寿命。
高精度与高灵敏度
不断提高测试精度和灵敏度，以满足高性能材料和微纳材料的测试需求。开发新型传感器和测试方法，能够测量更微小的力、位移和变形，获取更精确的材料性能数据。
多功能集成化
集成更多测试功能，如将拉伸、压缩、弯曲、疲劳、蠕变等多种测试功能集成在一台设备上，实现一机多用，减少设备成本和测试时间，提高测试效率。