金屬零件受到一定外力作用時，對金屬材料有一定的破壞作用。因此要求金屬材料具有抵抗外力的作用而不被破壞的性能，這種性能稱為機(jī)械性能。金屬材料的機(jī)械性能主要包括：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度等。它們的具體數(shù)值是在專門的試驗機(jī)上測定出來的。
在舊石器時代和新石器時代之后，出現(xiàn)了金屬的時代。其年代，在東方大約開始于公元前3500年左右，在西方則為公元前2000年左右。Z初出現(xiàn)的金屬是青銅器，后來發(fā)展為鐵器。金屬的使用使社會生產(chǎn)力大幅度的提高，而用于戰(zhàn)爭的武器也大大改進(jìn)，從某種意義上說，金屬的發(fā)現(xiàn)和使用間接導(dǎo)致了原始公社制的解體和奴隸制度的產(chǎn)生。而那個時候，不可能有機(jī)器來對金屬的機(jī)械性能進(jìn)行測試，人們對金屬性能的理解和掌握，也是從各種應(yīng)用中得到的。 而在業(yè)內(nèi)，普遍認(rèn)為，對于金屬材料的機(jī)械性能測試歷史，已有約700年。下面的三張圖片，就是在700多年前，科學(xué)家們對于金屬進(jìn)行的拉伸測試。

圖a是1500年達(dá)芬奇進(jìn)行的一個測試， 另外兩個由伽利略分別在1591和1516年完成。

下面這個設(shè)備，測試Tinius Olsen在19世紀(jì)80年代設(shè)計研發(fā)的小巨人杠桿式試驗機(jī)，當(dāng)初的設(shè)計初衷是用來測試鍋爐板的強(qiáng)度。

而到了現(xiàn)在，隨著人們對于材料應(yīng)用的需求，出現(xiàn)了各種滿足需求的測試設(shè)備。我們也對需要測試金屬的何種參數(shù)來滿足其應(yīng)用需求有了更明確的理解。

金屬材料機(jī)械性能詳解

1、金屬材料的變形和應(yīng)力金屬材料受外力作用時引起的形狀改變稱為變形。變形分為彈性變形（當(dāng)外力取消后，變形消失并恢復(fù)到原來形狀）和塑性變形（當(dāng)外力除去后，不能恢復(fù)到原來形狀，保留一部分殘余形變）。 當(dāng)金屬材料受外力作用時，其內(nèi)部還將產(chǎn)生一個與外力相對抗的內(nèi)力，它的大小與外力相等，方向相反。單位截面上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。在拉伸和壓縮時應(yīng)力用符號σ表示。

σ=P/F
式中：σ — 應(yīng)力，MPa;P — 拉伸外力，N；F — 試樣的橫截面積，mm²。 

2、強(qiáng)度

強(qiáng)度是金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。強(qiáng)度可通過拉力試驗來測定。將圖（a）所示標(biāo)準(zhǔn)樣安裝在拉力試驗機(jī)上，對其施加一個平穩(wěn)而無沖擊逐漸遞增的軸向拉力，隨著拉力的增加試樣產(chǎn)生形變?nèi)鐖D（b）直到斷裂如圖（c）。

以試樣的受拉力P為縱坐標(biāo)，伸長值⊿L為橫坐標(biāo)，給制出拉伸曲線。

金屬材料由彈性變形過渡到塑性變形時的應(yīng)力稱為彈性極限，用σ_e表示。

σ_e=P_e/F_o

式中：  

σ_e— 彈性極限，MPa；

P_e — 材料開始塑性變形時的負(fù)荷，N；

F_o — 試樣原橫截面積，mm²。 

OE段的負(fù)荷與伸長成線性關(guān)系，是材料的彈性變形階段。當(dāng)負(fù)荷超過E點(diǎn)，試樣開始產(chǎn)生塑性變形，這一段曲線幾乎呈水平，表明試樣在拉伸過程中，負(fù)荷不增加甚至有降低，試樣繼續(xù)塑性形變，材料喪失了抵抗變形的能力。這種現(xiàn)象稱為屈服。 

產(chǎn)生現(xiàn)象時的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)，用σs表示。

σ_s=P_s/F_o

式中： σ_s— 屈服點(diǎn)，Mpa ；

P_s  — 材料產(chǎn)生明顯形變時的負(fù)荷，N；

F_o — 試樣原橫截面積，mm²。 

負(fù)荷超過S點(diǎn)后，形變量隨負(fù)荷增加而急劇增加，當(dāng)過B點(diǎn)，形變部位出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，試樣已不能抵抗外力作用，在K點(diǎn)發(fā)生斷裂。試樣拉斷前能承受的ZD負(fù)荷P_b所對應(yīng)的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用σ_b表示。

σ_b=  P_b/F_o

式中： 

σ_b — 抗拉強(qiáng)度，Mpa ；

P_b — 試樣拉斷前的ZD拉力，N；

Fo — 原橫截面積，mm²。 

屈服強(qiáng)度（σ_s），抗拉強(qiáng)度（σ_b）和屈強(qiáng)比（屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比σ_s/σ_b）是評定金屬材料質(zhì)量的重要機(jī)械性能指標(biāo)，是設(shè)計和選材的主要依據(jù)之一。 

3、塑性

塑性是金屬材料受外力作用時斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。通常用兩種方法來表示。 

（1）伸長率：

試樣拉斷后標(biāo)距部分所增加的長度與原標(biāo)距長度的百分比，用δ表示。

δ=（L₁－L₀）/L₀×100%

式中：δ — 試樣的伸長率，%；

L₁ — 試樣拉斷后標(biāo)距長度，㎜；

L₀  — 試樣原標(biāo)距長度，㎜。 

（2）  斷面收縮率：試樣拉斷后縮頸處橫截面積的ZD縮減量與原截面積的百分比，用φ表示。

φ=（F₀-F₁）/F₀

式中：

φ — 試樣的斷面收縮率，%；

F₀ — 試樣原橫截面積，mm² ；

F₁ — 試樣拉斷后縮頸處的Z小橫截面積，mm² 。 

δ、φ的數(shù)值越大，說明金屬材料的塑性越好，反之亦然。良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。 

4、硬度

硬度是金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力，一般說，硬度高的材料耐磨性較好，強(qiáng)度也比較高。硬度是評價金屬材料質(zhì)量的機(jī)械性能指標(biāo)，也是機(jī)械零件設(shè)計要求的技術(shù)條件之一。 生產(chǎn)中有不同的測定方法，常用的有布氏硬度和洛氏硬度。 

(1) 布氏硬度：

用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保荷時間后卸除試驗力，測量試樣表面壓痕直徑。以壓痕球狀表面積所承受的平均負(fù)荷作為布氏硬度值，用符號HBS（HBW）表示。

式中：

HBS（HBW）— 布氏硬度值，kgf－mm² ;

P — 加在淬火鋼球上的負(fù)荷，kgf；

D — 淬火鋼球直徑，㎜。 

壓頭為鋼球時用HBS，適用于布氏硬度值在450以下的材料，如鑄鐵和有色金屬。壓頭為硬質(zhì)合金球時用HBW，適用于布氏硬度值在650以下的材料。 

(2) 洛氏硬度：

用壓頭壓入的壓痕深度表示材料的硬度值。壓痕越深表示材料越軟，硬度值越低。兩種硬度可以利用特制的表格進(jìn)行換算。  

硬度表示金屬材料在局部范圍內(nèi)對塑性變形的抗力，所以硬度與強(qiáng)度間有一定的換算關(guān)系。 

5、沖擊韌性

沖擊韌性是金屬材料抗擊沖擊負(fù)荷的能力?，F(xiàn)在普通采用一次擺錘沖擊試驗來測定材料的沖擊韌性。 

實驗表明，材料受小能量多次重復(fù)沖擊的能力，主要取決于材料強(qiáng)度。強(qiáng)度越高，壽命越長，設(shè)計中可不必過分追求高沖擊值。
6、疲勞強(qiáng)度
實際中許多工件所承受負(fù)荷的方向和大小是周期變化的。這種周期變化的負(fù)荷稱為交變負(fù)荷。金屬工件在交變負(fù)荷作用下，經(jīng)長時間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為金屬疲勞。 

在交變負(fù)荷作用下金屬工件所受應(yīng)力大小和斷裂前應(yīng)力交變循環(huán)的次數(shù)有關(guān)。應(yīng)力越大，則斷裂前能隨承受的循環(huán)次數(shù)越低。當(dāng)鋼鐵材料的循環(huán)次數(shù)達(dá)到107，有色金屬的循環(huán)次數(shù)達(dá)到108時，若試樣仍不發(fā)生疲勞破壞，其ZD應(yīng)力稱為該材料的疲勞極限。當(dāng)應(yīng)力交變循環(huán)對稱時，疲勞極限用σ-1表示。 

生產(chǎn)中多數(shù)金屬工件是在交變負(fù)荷下工作的，疲勞破壞是破裂的主要形式。因此疲勞強(qiáng)度設(shè)計是材料的重要強(qiáng)度計算之一。另外，改善零件結(jié)構(gòu)形狀避免應(yīng)力集中；降低表面粗糙度；采取表面強(qiáng)化處理等都能有效提高金屬工件的抗疲勞能力。 

影響金屬材料伸長率結(jié)果的因素

我們通過相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來確定金屬材料的這些性能是否達(dá)標(biāo)，伸長率作為表示材料均勻變形或穩(wěn)定變形的重要參數(shù)，其結(jié)果通常會受到以下幾個因素的影響：

● 測試速度

● 試樣的幾何結(jié)構(gòu)

● 夾具和引伸計由于動能損耗所引起的散熱

● 試樣的表面處理情況

● 對中

● 試樣在夾具內(nèi)的安裝方法

因此我們在測試時，也需要對這些可能影響試驗結(jié)果的因素加以注意。