1.3　材料的性能

材料的性能是一種參量，用于表征材料在給定外界條件（溫度、載荷、電場、磁場、化學介質等）下的行為，通過測試和表征材料在不同條件下的行為便可得到不同的性能指標。材料的性能可分為簡單性能和復雜性能，簡單性能包括力學性能、化學性能，復雜性能包括復合性能、工藝性能和服役性能。對于航空航天結構材料，其熱學性能、力學性能和耐久性能比較重要。

1.3.1　熱學性能

航空航天材料通常在極端溫度環境下服役，航天器中儲存液氮、液氧的容器必須承受很低的溫度，航天飛行器重返大氣層時要承受很高的溫度，而發動機渦輪葉片的溫度也非常高。材料在不同溫度會表現出不同的熱物理性能，稱為熱學性能，包括熔點、軟化點、熱容、導熱性、熱膨脹系數、抗熱震性等。

1.3.1.1　熔點和軟化點

晶體材料的各種熱學性能的物理本質均與其質點熱振動相關，而質點熱振動的劇烈程度與溫度有關。在低溫時，參與低頻振動的質點較多，隨著溫度升高，參與高頻振動的質點逐漸增多，當溫度高于一個特征溫度（德拜溫度Θ_D）時，幾乎所有質點都以最大頻率ω_m振動。當加熱至一定溫度時，原子的振幅達到使晶格破壞的數值，固態轉變為液態，相應溫度稱為熔點T_m（反之為凝固點）。純金屬有固定的熔點，而合金的晶體組織有較多的缺陷，常常在一個溫度范圍內熔化。

非晶材料加熱時表現出不同的狀態和性能，溫度低于玻璃化溫度T_g時，材料具有剛性、脆性、透明性；溫度高于T_g時，材料具有可塑性、黏性、彈性。玻璃、橡膠、塑料、耐火材料等非晶材料在加熱時會逐漸軟化，使性能發生急劇變化的溫度稱為軟化點T_f，非晶材料的服役溫度應低于軟化點。

1.3.1.2　熱容

在沒有相變和化學反應的條件下，物質溫度升高（或降低）1K所吸收（或放出）的熱量稱為該物質的熱容，通常以大寫的英文字母C表示。熱容與物質系統的質量成正比，單位質量物質的熱容稱為比熱容（質量熱容），通常以小寫的英文字母c表示。不同材料的比熱容不同，不同物態的同種材料的比熱容也不同，水的比熱容最大，材料的含水率越大，比熱容越大。熱容與溫度有關，工程上通常用單位質量的材料從溫度T₁升高到T₂所吸收的熱量的平均值表示其比熱容，稱為平均比熱容。若溫度變化時物質的壓力不變，相應熱容和比熱容為定壓熱容C_p、定壓比熱容c_p，若溫度變化時物質的體積不變，相應熱容和比熱容為定容熱容C_V、定容比熱容c_V，通常C_p>C_V，c_p>c_V。由于溫度變化總會導致體積變化，C_p、c_p可通過實測獲得，C_V、c_V則通過計算獲得。

1.3.1.3　導熱性

導熱性可用熱導率λ表示，在單位溫度梯度下，單位時間內通過單位面積和單位厚度均質材料傳導的熱量為λ。導熱性好的材料有利于散熱，可用于制造航空發動機燃氣輪機葉片等高溫環境下服役的部件；導熱性差的材料有利于保溫或絕熱，可用于制造航天飛行器擋熱板、低溫燃料儲箱等。

金屬擁有大量質量很小的自由電子，可以迅速實現熱量的傳遞，導熱性能較好。晶體缺陷和振動質點是影響熱傳導的主要因素，產生缺陷熱阻和聲子熱阻。純金屬的熱阻主要為聲子熱阻，按照T²的規律上升，其熱導率隨溫度升高而下降；合金的熱阻主要為缺陷熱阻，按照T^-1規律下降，其熱導率隨溫度升高而增大。由于異類原子的作用，合金的熱導率明顯低于純金屬，對于固溶體來說，溶質的結構及質量與溶劑相差越大，固溶后結合力改變越大，晶格畸變產生的散射作用越大，對熱導率的影響越大。金屬熱導率λ與電導率σ間遵從Wiedeman-Franz定律，許多金屬在室溫的λ/σ比值幾乎相同，與溫度T成正比，引入Lorenz常數L，如式（1-1）所示。

　　（1-1）

式中，k_B為玻爾茲曼常數；e為電子電量。當T為0℃以上較高溫度時，L近似為常數，因此可以通過測量電導率來評估金屬的熱導率。

主要依靠質點振動的格波實現傳熱的非金屬材料，其熱導率受結合鍵及鄰近原子的振動、結合的基團及分子間結合力的影響。無機非金屬材料主要依靠聲子和光子導熱，石英、金剛石等由強力共價鍵鍵合的非金屬晶體材料也是良好的導熱體，在較低溫度下的導熱性可以與金屬相提并論。但是，無機非金屬材料的熱導率還受表觀密度、含水率及孔隙率、孔隙尺寸、孔隙特征等的影響。有機材料的熱導率通常低于無機材料，結晶聚合物的熱導率稍高一些，呈現遠程無序結構的非晶聚合物的熱導率較低，沿大分子鏈進行熱傳遞比在分子間進行熱傳遞更為容易，因此，非晶聚合物的熱導率隨分子增大而升高，加入低分子的增塑劑會使熱導率下降。

1.3.1.4　熱膨脹系數

材料的體積或長度隨溫度升高而增大的現象稱為熱膨脹，溫度T升高1K導致體積和線尺寸的相對變化量，分別稱為體膨脹系數（β）和線膨脹系數（α）。通常采用線膨脹系數α來表征熱膨脹，對于各向同性材料，β≈3α；對于各向異性材料，用α₁、α₂、α₃分別表示3個方向的線膨脹系數。固體材料的線膨脹系數隨溫度而變化，其變化規律與熱容隨溫度的變化規律相似。在產品選材、加工、裝配方面，熱膨脹系數是很重要的材料性能指標。在溫度變化較大環境中工作的構件，要采用線膨脹系數較小的材料；焊接兩種材料，其熱膨脹系數不能相差過大。一般用平均線膨脹系數表示材料的熱膨脹特性，常用材料的平均線膨脹系數可以從相關手冊查得。

1.3.1.5　抗熱震性

抗熱震性是材料承受急劇溫度變化（熱沖擊）而不致破壞的能力，又稱為耐急冷急熱性。一般無機材料和其他脆性材料，在環境溫度急劇起伏的熱沖擊下產生熱應力，當內應力超過材料的強度極限時，容易發生突然的開裂或斷裂，稱為熱沖擊斷裂。材料抗熱沖擊斷裂性能指標以其能夠抵抗熱沖擊斷裂的最大溫差ΔT_max表征，ΔT_max值越大，說明材料能承受的溫度變化越大。對于一些多孔材料和非均質的金屬陶瓷，會在熱沖擊循環作用下發生熱疲勞，導致材料表面開裂，裂紋擴展可能受到微孔、晶界或金屬相抑制，使材料不會發生瞬時的完全斷裂，只是開裂、剝落并不斷發展至碎裂或變質，稱為熱沖擊損傷。

在不同工況和服役環境下，對材料的抗熱震性要求也不同，火箭噴嘴要求材料能承受溫差為3000～4000K的熱沖擊。

1.3.2　力學性能

力學性能表征材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力，既是材料自身固有的性質，也受載荷性質、應力狀態、溫度、環境介質等外在因素的影響。國際標準化組織規定，主要采用拉伸試驗、硬度試驗、韌性試驗、疲勞試驗測定材料的力學性能指標。當應變速率小于10^-2s^-1時，可視為靜載作用，在室溫靜載條件下的力學性質稱為常規力學性能，包括彈性、塑性、剛度、強度、硬度等。沖擊載荷、交變載荷、摩擦載荷等為動載，沖擊韌性、斷裂韌性、疲勞強度、耐磨性等為動載荷作用下的力學性能，會隨加載速率變化而變化。

1.3.2.1　硬度

硬度表征材料的軟硬程度，是綜合體現材料彈性、塑性、強度、韌性等的力學性能指標。采用不同測試方法得到不同的硬度指標，壓入法得到的是布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度，彈性回跳法得到的是肖氏硬度，劃痕法得到的是莫氏硬度，其中壓入法應用最多，試驗力的單位是kgf（1kgf=9.80665N）。

以一定直徑的硬質合金球為壓頭，施加一定的試驗力將其壓入試樣表面，保持一定時間后卸載，測量試樣表面殘留壓痕的平均直徑，試驗力除以壓痕面積便得到布氏硬度值。布氏硬度可用硬度值、HBW、球直徑、試驗力、試驗力保持時間（10～15s不標注）表示，后3項間依次用斜線隔開，如300HBW10/1000/30表示用10mm直徑的硬質合金球，在1000kgf 載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為300。布氏硬度測試一般采用直徑較大的壓頭球，所得的壓痕面積較大，試驗數據穩定、重復性高，特別適合測量具有晶粒或組成相的金屬材料的硬度，但是，測量操作麻煩，針對不同材料的布氏硬度試驗需要更換不同直徑的壓頭球并改變試驗力，壓痕直徑測量也比較麻煩。此外，由于壓痕直徑較大，不宜對成品進行試驗。

洛氏硬度測試方法與布氏硬度測試方法相似，壓頭可以是錐角為120°的金剛石圓錐體或一定直徑（1.588mm，3.175mm）的小淬火鋼球、硬質合金球，加載、保壓、卸載后，測量試樣的壓痕深度，以一常數值減去壓痕深度來表征硬度值。洛氏硬度的表示方法為：硬度值、HR、標尺字母，字母A、B、C、D、E、F、G、H、K分別對應9種洛氏硬度標尺，其中 HRA、HRB、HRC較為常用，70HRC表示用C標尺測得的洛氏硬度為70。表面洛氏硬度的表示方法為：硬度值、HR、總試驗力、標尺字母，有N、T、W、X、Y等15個標尺字母，如70HR30N表示用30kgf總試驗力的N標尺測得的表面洛氏硬度值為70。洛氏硬度測試操作簡便、迅速，硬度值可直接讀出，采用不同標尺可測定各種硬度和各種厚度的試樣，廣泛用于熱處理質量檢驗，由于壓痕較小，可檢測成品、小件、薄件。但是，由于壓痕較小，代表性較差，如果材料中有偏析及組織不均勻等缺陷，所測硬度重復性差、分散度大。此外，用不同標尺測得的硬度值彼此沒有聯系，不能直接進行比較。

維氏硬度測試壓頭是兩相對面間夾角為136°的金剛石四棱錐體，通過測量出壓痕對角線平均長度來計算壓痕表面積，試驗力除以壓痕面積便得到維氏硬度值。維氏硬度可用硬度值、HV、試驗力、試驗力保持時間（10～15s不標注）表示，650HV30表示在30kgf載荷作用下保持10～15s測得的維氏硬度值為650。維氏硬度的試驗力可任意選擇，而且壓痕測量精度較高，硬度值較為準確，選擇較小的測試力，可用于表面硬化層和薄片材料的硬度測試。

對于測量材料極小范圍內（晶粒、組成相、夾雜物）的硬度、測量陶瓷材料等脆性材料的硬度，或研究擴散層組織、偏析相、硬化層深度等，上述3種硬度測試方法就不適用了，必須采用顯微硬度測試方法。通常，顯微硬度測試的測試載荷小于2N，常用的有顯微維氏硬度和努氏硬度。顯微維氏硬度測試可測量金屬箔、極薄表面層的硬度和合金中各組成相的硬度，測試原理與維氏硬度試驗相同，仍可用HV表示，但是測試結果必須注明載荷大小，如350HV0.1表示用0.1kgf的載荷測得的顯微維氏硬度為350。努氏硬度試驗方法是維氏硬度試驗方法的發展，采用金剛石長棱形壓頭，如圖1-3所示，兩長棱夾角為172.5°，兩短棱夾角為130°，在試樣上得到的是長、短對角線長度比為7.11的棱形壓痕。努氏硬度用HK表示，以單位壓痕投影面積上所承受的力來定義，由于壓痕淺而細長，更適于測量極薄層（表面淬火層或化學熱處理滲層）、極薄零件，絲、帶等細長件，以及玻璃、瑪瑙等硬而脆的材料，其測量精度高，對表面狀況的敏感程度也高。

1.3.2.2　常規力學性能

材料在外力作用下發生形變，外力去除后能恢復原來大小和形狀的性質稱為彈性。彈性模量E、剪切模量G、泊松比μ是表征材料彈性的3個常數，E=2（1+μ）G，對于各向同性材料，根據其中兩個常數可算出另一個常數。材料產生單位彈性變形所需載荷的大小稱為剛度，為承載截面積與材料彈性模量之積，對于截面積一定的構件，其剛度取決于材料的彈性模量。材料在載荷作用下產生塑性變形而不破壞的能力稱為塑性，以斷后伸長率（延伸率）A和斷面收縮率Z表示。對于單一拉伸條件下工作的長形構件，一般用A表征其塑性，通常認為A>5%的材料為塑性材料；對于非長形構件，如果拉伸時形成縮頸，則采用Z表征其塑性，Z值對冶金因素和組織變化更為敏感。材料在載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力稱為強度，通常指在拉伸、壓縮、剪切、彎曲等靜載荷作用下的強度，相應有抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度、抗彎強度。此外，表征材料強度的指標還有斷裂強度、剝離強度、沖擊強度、疲勞強度等。

通過靜載拉伸試驗可以獲得彈性極限、彈性模量、屈服強度、抗拉強度、塑性等常規力學性能指標。一般按標準將材料加工成圓棒狀或片狀拉伸試樣進行常規拉伸試驗，試驗機緩慢對試樣施加均勻的軸向拉力，并自動記錄載荷-伸長（拉伸）曲線，拉伸曲線的縱坐標和橫坐標分別除以試樣的原始截面積S₀、原始標距長度L₀，得到工程應力-應變曲線。由于小試樣包含的冶金缺陷較少，用小試樣測得的強度和塑性往往高于大尺寸構件的性能指標，為了使不同尺寸試樣得到相同的斷后伸長率（A），要求應用比例試樣，圓柱形試樣的尺寸為L₀=5d₀或L₀=10d₀，分別稱為短比例試樣和長比例試樣，相應斷后伸長率分別為A₅和A₁₀。大多數韌性金屬材料的集中塑性變形量大于均勻塑性變形量，比例試樣的尺寸越短，其斷后伸長率越大，即A₅>A₁₀。

圖1-4為典型的工程應力-應變曲線，其形狀與拉伸曲線相似，縱坐標為工程應力R，由拉伸載荷F除以原始截面積S₀得到，橫坐標為工程應變ε，表示相對伸長量，由試樣的絕對伸長ΔL除以試樣標距長度L₀得到。工程應力-應變曲線一般包括彈性變形、屈服變形、均勻塑性變形、不均勻塑性變形、斷裂5個階段，op段對應彈性變形階段，應力應變關系為線性關系，比例常數為彈性模量E，試樣單位面積所能承受的最大應力為彈性極限；pe對應滯彈性變形階段，應力應變關系非線性，具有滯后性；eh對應微塑性變形階段；hls對應屈服階段，塑性變形急劇增加；sb對應應變硬化階段，發生均勻連續的塑性變形；bk對應縮頸階段，發生集中變形，k點斷裂。

我國制定的金屬室溫拉伸試驗標準（GB/T 228.1—2010）的主要技術內容與國際標準（ISO 6892-1：2009）完全相同，定義了12種可測拉伸性能，如表1-1所示。

實際上，在拉伸過程中，試樣截面積是逐漸變小的，真實應力和真實應變的計算應該采用瞬時截面積和瞬時長度，圖1-5為真應力-真應變曲線，OA段為彈性變形部分，AB段是均勻變形部分，其斜率D為材料的形變強化模數，隨變形增加而減小，自B點開始產生縮頸，BC段為局部變形階段，其斜率D為常數，表示形變強化趨勢穩定，曲線最后一段上翹是因為縮頸發展到一定程度后，三向應力不利于變形而導致的。均勻變形階段，在雙對數坐標下的真應力-真應變曲線是一條直線，在直角坐標中可以用S=keⁿ表示，其中n稱為應變硬化指數，k為強度系數，表征在均勻變形階段材料的形變強化能力。

對于淬火鋼、硬質合金、陶瓷等硬脆材料，可采用彎曲試驗測定其斷裂強度，用最大彎曲撓度表征其塑性。彎曲試樣有圓柱和方形兩種形狀，包括三點彎曲和四點彎曲兩種加載方式，載荷（或彎矩）與試樣最大撓度的關系曲線稱為彎曲圖，由彎曲圖可以確定材料在彎曲載荷下的力學性能，得到抗彎強度、彎曲彈性模量、最大彎曲撓度。彎曲試驗還可用來比較和檢驗表面處理的質量及材料表面的性能。

1.3.2.3　韌性

韌性是材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力，通常以裂紋萌生及擴展的能量消耗或裂紋擴展抗力來表征材料的韌性。靜力韌度U_T是反映材料強度和塑性的綜合指標，其大小取決于靜載拉伸的真應力-真應變曲線所包圍的面積，對于韌性材料，可以根據U_T=R_mA或U_T=（R_p0.2+R_m）A/2計算獲得近似的靜力韌度。

（1）沖擊韌性

沖擊韌性是材料抵抗沖擊破壞的能力，反映材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。火箭發射、飛機起飛和降落時會受到沖擊載荷作用，為了評定材料承受沖擊載荷的能力，主要進行缺口試樣一次沖擊彎曲試驗和小能量多次沖擊試驗。一次沖擊彎曲試驗通常采用擺錘式沖擊試驗機，擺錘刀刃半徑有2mm和8mm兩種，將待測材料加工成標準試樣，如圖1-6所示，放在試驗機的機架上，試樣缺口背向擺錘沖擊方向，將具有一定重量W的擺錘舉至一定高度H₁，使其具有勢能WH₁，然后擺錘落下沖擊試樣，試樣斷裂后擺錘上擺到H₂高度，在忽略摩擦和阻尼等條件下，擺錘沖斷試樣所做的功即為沖擊吸收功，用A_K表示，A_K=W（H₁-H₂）。

《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》（GB/T 229—2007）規定，采用夏比U形或V形兩種缺口試樣，如圖1-7所示，測得的沖擊功分別為A_KU、A_KV。沖擊試樣主要有全尺寸（10mm×10mm×55mm）和半尺寸（5mm×10mm×55mm）兩種規格，測量脆性材料的沖擊功可以采用無缺口的全尺寸試樣。

沖擊功取決于材料本身及其狀態，同時與試樣的形狀、尺寸有關。同種材料的試樣，缺口越深、越尖銳，缺口處的應力集中程度越大，越容易產生變形和斷裂，沖擊功越小，材料表現出的脆性越大。因此，對不同類型材料和尺寸的試樣，其沖擊韌性或沖擊功不能直接比較，同一種材料在相同試驗條件下，A_KU明顯大于A_KV。

沖擊功A_K與沖斷截面積之比為沖擊韌度α_K，沖擊韌度值越大，材料的沖擊韌性越好。但是，上述沖擊韌度α_K是大能量一次沖擊條件下測得的沖擊抗力指標，而絕大多數構件承受的是小能量多次沖擊，通常要采用多次沖擊試驗評價材料的沖擊抗力。圖1-8為多次沖擊試驗示意圖，將具有雙沖點的沖頭以一定的沖擊能量、沖擊頻率和沖擊速度打擊旋轉的試樣，在每一個沖擊能量A下可得到一個沖斷周次N，從而得到試樣斷裂后沖擊功和沖斷周次的關系曲線，一般用沖擊能量A下的沖斷周次N，或用要求的沖擊工作壽命N對應的沖斷能量A來表示材料的多沖抗力。多沖抗力是取決于材料強度和塑性的綜合力學性能指標，隨著條件的變化，其強度和塑性的作用及要求不同，沖擊能量高時，材料的多沖抗力主要取決于塑性；沖擊能量低時，材料的多沖抗力主要取決于強度。航空航天零部件要求的沖擊周次N在數萬甚至數百萬以上，屬于小能量多次沖擊，其多沖抗力主要取決于強度，在選材時應盡量發揮材料的強度，而不應過高追求塑性和沖擊值α_K。在中、低強度范圍，α_K對多沖抗力影響不大，在高強度范圍內，提高α_K值可明顯提高多沖抗力，這對選用高強度材料具有重要的指導意義。

材料的沖擊韌度還與試驗溫度有關，如果材料的A_K值或α_K值在某個溫度點附近急劇下降，如圖1-9所示，則這個溫度為材料的韌脆轉變溫度。可用系列溫度沖擊試驗法測量材料的韌脆轉變溫度， 圖1-10為一種高強鋼的系列溫度沖擊曲線，其中橫坐標為試驗溫度，縱坐標表示沖擊吸收功和脆性斷面率。GB/T 229—2007規定了4種測定韌脆轉變溫度的方法，常用的有兩種，其中一種方法規定脆性斷口面積率為50%所對應的溫度FATT₅₀為韌脆轉變溫度，另一種方法以沖擊吸收功達到上下平臺區間的50%來判定韌脆轉變溫度ETT₅₀。結合上述兩種判定方法確定韌脆轉變溫度，FATT₅₀為-38℃，ETT₅₀為-36.5℃，兩種判定方法確定的韌脆轉變溫度相近。

應變速率對材料的塑性變形、斷裂及有關的力學性能有顯著的影響，當應變速率大于10^-2s^-1時，應變速率增大導致的力學性能變化不可忽視，提高應變速率將導致材料的脆化傾向增大。

（2）斷裂韌性

根據外加應力與裂紋擴展面的位向關系，裂紋擴展分為張開型（Ⅰ）、滑開型（Ⅱ）、撕開型（Ⅲ）3種基本型式，如圖1-11所示，實際裂紋擴展可能是3種型式的組合。當拉應力垂直作用于裂紋擴展面時，如圖1-11（a）所示，發生張開型擴展；當切應力平行作用于裂紋擴展面且與裂紋線垂直時，如圖1-11（b）所示；發生滑開型擴展；當切應力平行作用于裂紋面且與裂紋線平行時，如圖1-11（c）所示，發生撕開型擴展。

如果存在半長度為a的裂紋，裂紋尖端的應力場是裂紋擴展的動力，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂紋尖端應力場可分別用力學參量K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ表征，相應稱為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂紋的應力場強度因子，可用式（1-2）～式（1-4）計算。

　　（1-2）

　　（1-3）

　　（1-4）

式中，σ為拉應力；τ為切應力；a為裂紋半長度，mm； Y為裂紋形狀系數（無量綱系數），與裂紋幾何形狀及加載方式有關，一般Y=1～2。

Ⅰ型裂紋擴展容易導致脆性斷裂，因此多以Ⅰ型裂紋擴展為研究對象。在動態加載中，當應力場σ逐漸加大時，應力場強度因子K_Ⅰ和裂紋尖端各應力分量隨之增大，裂紋a逐漸擴展，當K_Ⅰ增大到臨界值K_c或K_Ⅰc 時，裂紋失穩擴展而導致材料斷裂。K_c為平面應力斷裂韌度，表征平面應力條件下材料抵抗裂紋失穩擴展的能力，當試樣厚度增加，裂紋尖端達到平面應變狀態時，斷裂韌度趨于穩定的最低值K_Ⅰc。K_Ⅰc為平面應變斷裂韌度，是與試樣尺寸無關的材料常數，表征平面應變條件下材料抵抗裂紋失穩擴展的能力，可用式（1-5）計算，式中a_c為臨界裂紋尺寸，σ_c為臨界狀態對應的平均應力，稱為斷裂應力或裂紋體斷裂強度。

　　（1-5）

K_Ⅰ和σ對應，都是力學參量，與載荷及試樣尺寸有關，而與材料無關；K_Ⅰc和σ_c對應，都是力學性能指標，只與材料成分及組織結構有關，而與載荷和試樣尺寸無關。

斷裂韌性是材料抵抗裂紋擴展和斷裂的能力，反映材料對微裂紋等缺陷的敏感性，通常用材料在平面應變和小范圍屈服條件下的應力強度因子K_Ⅰ的臨界值K_Ⅰc來表征，稱為斷裂韌度。《金屬材料　準靜態斷裂韌度的統一試驗方法》（GB/T 21143—2014）規定了測量K_Ⅰc的4種試樣，分別為標準三點彎曲試樣、緊湊拉伸試樣、C形拉伸試樣、圓形緊湊拉伸試樣。圖1-12為兩種最常用的斷裂韌度試樣示意圖。

三點彎曲試樣較為簡單，使用較多，在確定試樣尺寸時，應預估材料的屈服強度和K_Ⅰc值，國標規定了試樣厚度B、裂紋長度a及韌帶寬度（W-a）尺寸。預制裂紋可在高頻疲勞試驗機上進行，疲勞裂紋長度應不小于0.025W，a/W控制在0.45～0.55范圍內，K_max≤0.7K_Ⅰc。對于中低強度高韌性材料，可用彈塑性斷裂力學的臨界J積分（J_c）、裂紋頂端張開位移COD的臨界值δ_c等指標來表征斷裂韌性，δ_c是裂紋頂端塑性應變程度的度量，δ_c越高，斷裂韌性越好。

航空航天構件中不可避免地存在裂紋或類似的缺陷，根據含有預制裂紋的試樣測出的斷裂韌性比較符合實際情況。斷裂韌性的表達式和斷裂強度相關，既是強度指標也是韌性指標，如果知道了所用材料的斷裂韌度K_Ⅰc值，就可以根據公式算出含有某種尺寸裂紋a的構件斷裂時的臨界應力，從而可確定構件所能承受的最大載荷。當載荷大于構件的實際承載能力時，構件中的裂紋就有擴展和斷裂的可能，當知道構件實際承受的載荷時，就可計算構件允許存在的最大裂紋尺寸。

1.3.2.4　超塑性

超塑性是指材料在一定內部條件和外部條件下表現出異常高的流變性能，流變抗力和加工硬化異常小，均勻變形而不出現宏觀縮頸，延伸率δ可達百分之幾百，甚至百分之幾千。根據實施超塑性的條件，超塑性可以分為三類：第一類超塑性為組織超塑性，又稱恒溫超塑性；第二類超塑性為相變超塑性，又稱變態超塑性；第三類超塑性為短暫超塑性。一般超塑性多屬于組織超塑性，具有超細等軸晶粒（晶粒尺寸在0.5～5μm）的材料，在一定溫度和一定應變速率條件下呈現超塑性。相變超塑性不要求有超細晶粒，在一定溫度和外加載荷條件下，經過多次循環相變或同素異構轉變獲得大的延伸率。非超塑性材料在一定條件下快速成形時，會呈現短暫的超塑性現象。

非晶態固體或玻璃一般都具備超塑性，玻璃在高溫條件下通過黏滯性流變可以被拉長很多而不發生縮頸。金屬及合金在正常狀態沒有超塑性，具有超細晶組織的金屬材料在較高變形溫度［T=（0.5～0.65）T_m，T_m為熔點的熱力學溫度］和較低變形速率（=10^-4～10^-2s^-1）條件下會出現超塑性，表現出特別大的均勻塑性變形而不產生縮頸，延伸率可達到500%～2000%。式（1-6）為超塑性的狀態方程。

　　（1-6）

式中，σ為應力；K為由材料決定的常數；為應變速率；m為應變速率敏感性指數，。

晶粒尺寸對流動應力σ、m值、伸長率均有很大影響微細晶組織的m值較高。材料拉伸時均勻流動應力σ對應變速率

很敏感，其關系曲線呈現S形，S形曲線的斜率為m值，如圖1-13所示，可將S形曲線分為三個區域。Ⅰ區和Ⅲ區的m值均很低，Ⅰ區相當于蠕變的低應變速率區，σ值隨著值增加而緩慢上升，近似于蠕變曲線；Ⅲ區相當于一般塑性加工的高應變速率區，σ值的變化近似于一般拉伸曲線。Ⅱ區為呈現超塑性的區域，m值較大且變化較大，m的取值范圍通常為0.3～0.7。m值是評定材料潛在超塑性的重要參數，反映材料拉伸時的抗縮頸能力，間接反映超塑性的組織要求。

具有超塑性的合金，其晶粒在熱變形過程中不能長大或長大很慢，采用較高的溫度以發生擴散和蠕變，采用較低的應變速率以保證晶界滑動和擴散蠕變的充分進行，航空航天用的鋁合金、鈦合金、高溫合金等在一定變形條件下均會出現超塑性，合金的流動性和填充性好，容易成形，能極大地發揮變形材料的塑性潛力，有利于復雜零件的精確成形。

1.3.3　耐久性能

1.3.3.1　耐疲勞性能

在循環加載下，材料、零件和構件的某點或某些點產生局部的永久性損傷，并在一定循環次數后形成裂紋或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現象，稱為疲勞。根據應力狀態，可將疲勞分為彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞、復合疲勞等；根據環境和接觸情況，可將疲勞分為大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、接觸疲勞等；根據應力高低和破壞前所經受的循環次數，可將疲勞分為高周疲勞（HCF）和低周疲勞（LCF）。常見疲勞多屬高周疲勞，斷裂前的循環次數N_f大于10⁵，疲勞壽命主要由裂紋擴展壽命組成，所承受的交變應力遠低于材料的屈服強度，甚至只有屈服極限的1/3，也稱低應力疲勞。低周疲勞斷裂前的循環周次為10²～10⁵，所承受的應力高于屈服極限，每次循環都發生了塑性變形，疲勞斷裂是塑性變形累積的結果，也稱高應力疲勞或應變（塑性）疲勞。

經過無窮多次應力循環而不發生破壞的最大應力值稱為疲勞極限，又稱為持久極限，是材料承受疲勞的能力，一般采用標準試樣（光滑小尺寸試樣）進行疲勞試驗獲得。利用超聲波振動疲勞試驗機可以測試循環次數大于10⁷的超高周疲勞，一般鈦合金為10⁷，鋁合金和高強度鋼均為10⁸。圖1-14為通過疲勞試驗獲得的疲勞應力與疲勞壽命（S-N）曲線，主要用于確定疲勞極限和估計疲勞壽命，其中縱坐標S為循環應力的最大應力或應力幅，橫坐標N為疲勞破壞前的循環周次。對于具有應變時效硬化的金屬材料，當循環應力水平降低到一臨界值時，低應力段趨于水平，表明試樣可以經歷無限次應力循環而不發生疲勞破壞，對應的應力σ_-1稱為疲勞極限；對于不存在應變時效硬化的材料，S-N曲線沒有水平部分，疲勞破壞前循環次數隨著應力降低持續增加，即使循環應力值降到很低，經一定次數循環后材料也會斷裂，不存在真正意義上的疲勞極限。因此，規定循環10⁷周次不發生斷裂的最大應力為條件疲勞極限或疲勞強度σ_-1，通常，σ_-1低于R_p0.2，大多數金屬的σ_-1=（0.4～0.5）R_m。

低周疲勞一般通過拉-壓疲勞試驗獲得的ε-N曲線來描述，對于存在較大塑性變形的低周疲勞，采用以塑性應變幅為參量的疲勞壽命描述方法，這種基于循環應變的表征方法被廣泛用于估計疲勞壽命。

材料的疲勞極限既是材料固有的性質，也受循環特征、變形形式、環境等的影響。同一材料在不同應力狀態測得的疲勞極限不同，常用的疲勞載荷有對稱彎曲、對稱扭轉、對稱拉壓等，相應的疲勞極限分別標記為σ_-1、τ_-1、σ_-1P，手冊上給出的通常是對稱彎曲疲勞σ_-1。

采用帶預置裂紋的標準試樣，如緊湊拉伸（CT）試樣、中間裂紋拉伸（CCT）試樣、三點彎曲（SEB）試樣，在給定載荷條件下進行恒幅疲勞試驗可以獲得a-N曲線，如圖1-15（a）所示，其中橫坐標為疲勞載荷循環次數N，縱坐標為對應循環次數的裂紋長度a，a-N曲線前端接近水平的部分為裂紋萌生階段，循環次數的多少可以大致反映材料抗疲勞載荷的能力。通常用裂紋長度a隨著循環周次N的變化率da/dN表征疲勞裂紋擴展的快慢，稱為疲勞裂紋擴展速率，將（da/dN）_i、（ΔK）_i畫在雙對數坐標系中，得到1-15（b）所示的da/dN-ΔK曲線，表征疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子幅值ΔK的關系。

金屬材料的da/dN-ΔK曲線可分為3個區域（Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區），如圖1-16所示。

Ⅰ區是低速率區，隨著應力強度因子幅值ΔK的降低，裂紋擴展速率迅速下降，當ΔK趨近ΔK_th時，裂紋擴展速率趨近于零。ΔK_th為疲勞裂紋擴展的門檻應力強度因子幅值，稱為疲勞門檻值，是表征材料疲勞裂紋擴展性能的重要參數，當ΔK<ΔK_th時，疲勞裂紋不發生擴展。與疲勞極限σ_-1相似，ΔK_th受材料成分和組織、載荷條件、環境因素的影響，但是，σ_-1為光滑試樣的無限壽命疲勞性能，用于傳統的疲勞強度設計和校核，ΔK_th為裂紋試樣的無限壽命疲勞性能，適用于裂紋件的強度設計和校核。測定材料的ΔK_th時，很難做到da/dN=0，一般規定平面應變條件下da/dN≤10^-7mm/周次所對應的ΔK為ΔK_th，稱為條件（工程）疲勞門檻值，工程金屬材料的ΔK_th為（5%～10%）K_Ⅰc 。

Ⅱ區為中速率區，da/dN與ΔK呈線性關系，可用Paris公式表達，如式（1-7）所示。

　　（1-7）

式中，C是與加載條件及試驗相關的常數；m為材料常數；ΔK為應力強度因子幅度。根據lg（da/dN）-lg（ΔK）曲線的截距和斜率可求得C、m，絕大多數金屬材料的m參數在2～4，鋁合金的da/dN分散度較大，m=2～7。

對疲勞壽命估算最有用的是區域Ⅱ的da/dN-ΔK關系和區域Ⅰ的門檻值ΔK_th、疲勞斷裂韌度K_Ⅰc。根據疲勞斷裂韌度K_Ⅰc、疲勞門檻值ΔK_th、疲勞裂紋擴展速率da/dN可定量估算構件材料的剩余壽命，預防疲勞斷裂。

1.3.3.2　抗蠕變性能

在一定溫度和載荷長期作用下，隨著時間推移，工件變形不斷增加的現象稱為蠕變。對于航空發動機渦輪盤、葉片等在高溫和載荷長時間作用下的構件，要求材料具有一定的蠕變極限和高溫持久強度。圖1-17為通過靜態蠕變試驗（溫度和載荷恒定）獲得的典型蠕變曲線，ε₀為加載瞬間產生的普通變形（并非蠕變），如果應力超過該溫度下的屈服強度，ε₀包括彈性變形和塑性變形兩部分，否則，僅為彈性變形。蠕變曲線可以分為3個階段，Ⅰ為減速蠕變（過渡蠕變）階段，變形隨著加載時間延長而持續發生，但蠕變速率隨時間延長而降低，到B點，蠕變速率達到最小值；Ⅱ為恒定蠕變（穩態蠕變）階段，對應的BC段為線性段，蠕變速率保持恒定，且為最小蠕變速率，稱為穩態蠕變速率；Ⅲ為加速蠕變階段，蠕變速率隨著時間延長逐漸增加，最后產生蠕變斷裂，D點對應的t_r、ε_r分別為蠕變斷裂時間和總蠕變量。陶瓷的典型蠕變曲線與金屬類似，也可分為3個階段，曲線的形狀除受應力、溫度、環境條件影響外，還受晶粒尺寸、氣孔率等自身條件的影響。

溫度和應力對蠕變過程影響較大，圖1-18為不同溫度和應力條件下的蠕變曲線。在低溫（<0.3T_m）或低應力條件下，蠕變第Ⅱ階段持續時間較長，蠕變速率接近于零，甚至可能不出現第Ⅲ階段；相反，在高溫（>0.8T_m）或高應力條件下，蠕變第Ⅱ階段很短，甚至完全消失，很快出現斷裂。

材料在規定蠕變條件（一定溫度和時間內，蠕變變形量或蠕變速度達到規定值）下不失效的最大承載應力稱為蠕變極限，也稱蠕變強度。實際應用中采用失效應力表征蠕變極限，通常以或表示，其中，T表示測試溫度，℃；ε表示變形量，%；t表示持續時間，h；為穩態蠕變速率，%/h。如表示在600℃和10000h內產生1%的應變量的蠕變極限為100MPa，表示在500℃、穩態蠕變速率達到10^-5%/h的蠕變極限為200MPa。這種表示方法通常用于受蠕變變形控制的運行時間較長的構件，蠕變第二階段很明顯，最小蠕變速率容易測量。

持久強度是高溫和載荷長時間作用下的蠕變斷裂判據，有時也用蠕變斷裂壽命（在一定應力下產生斷裂所需的時間）衡量材料抗蠕變能力的高低。材料在規定溫度（T）達到規定持續時間（t）而不發生斷裂的最大應力稱為高溫持久強度，以（MPa）表示，表示材料在500℃工作10000h的持久強度為200MPa，當σ<200MPa或t<10000h時，材料不發生蠕變斷裂。持久強度試驗通常在恒定的溫度和載荷下進行，比蠕變試驗簡單，只需測定試樣在規定溫度和應力作用下的斷裂時間。規定持續時間通常根據設計壽命確定，一般戰斗機噴氣發動機為上千小時，而氣輪機機組的設計壽命為數十萬小時，要進行這么長時間的試驗比較困難，通常根據一些應力較大、斷裂時間較短（數百或數千小時）的試驗數據，將其在lgσ-lgt雙對數坐標系中回歸成直線，用外推法求出數萬甚至數十萬小時的持久強度。為了保證外推結果的可靠性，外推時間一般不得超過試驗時間的10倍。

持久強度對于高溫工作部件，如發動機的葉片、渦輪盤等的意義特別重大，近年來發展出變溫變載的持久強度試驗方法，為接近使用條件下構件持久強度性能測試開拓出新途徑。

1.3.3.3　松弛穩定性

對于容易產生應力松弛的結構件，選材時要考慮材料抵抗應力松弛的能力，即松弛穩定性，可通過應力松弛試驗測得應力松弛曲線來評價材料的松弛穩定性。圖1-19為典型松弛曲線，在給定溫度和總變形量下的應力隨時間而降低的曲線，分為加速松弛階段（Ⅰ）和緩慢松弛階段（Ⅱ）。第Ⅰ階段持續時間較短，σ₀為初始應力，隨著時間延長，應力急劇下降，松弛速率較大，對應過渡蠕變。第Ⅱ階段持續時間較長，松弛速率較小，對應穩態蠕變，σ_sh、σ_s0分別為任一時間試樣的剩余應力和松弛應力。通常以規定時間后的剩余應力σ_sh作為表征材料應力松弛穩定性的指標，對于不同材料或經不同熱處理的同一材料，在相同試驗溫度和初始應力下，經過規定時間后，剩余應力σ_sh越高者，其松弛穩定性越好。

在高溫工作的燃氣輪機的緊固件特別容易發生應力松弛，其初始緊固應力隨著時間延長而不斷下降，通常要進行不同溫度和不同初始應力下的應力松弛試驗，以確定緊固件在高溫長期使用時保持足夠緊固力所需要的初始應力。應力松弛試驗還可用來預測密封墊密封度的減小、彈簧彈力的降低，以及判明鍛件、鑄件和焊接件消除殘余應力所需要的熱處理條件。

1.3.3.4　耐腐蝕性能

耐腐蝕性能是材料抵抗酸、堿、鹽、水、空氣、溶液、潤滑油等介質腐蝕的能力，金屬材料的耐腐蝕性能往往不如非金屬材料。

（1）腐蝕試驗

現場暴露腐蝕試驗是測試材料腐蝕性能最簡單、可靠的試驗方法，其特點是腐蝕環境與實際服役情況相同，但是，由于試驗周期長，不利于材料耐蝕性能的快速評定，而且試驗結果與所處地域有關，使其難以得到推廣和應用。在與現場暴露試驗有較好相關性的基礎上，加速模擬腐蝕試驗可用于預測材料長時間的腐蝕行為，進而估算材料在服役環境中的腐蝕壽命，可以輔助或部分替代現場暴露試驗。常見的加速模擬腐蝕試驗主要有加速老化試驗、鹽霧試驗、循環噴霧腐蝕試驗、全浸試驗、交替浸泡試驗、多因子循環試驗等。

加速老化試驗包括人工氣候試驗、熱老化試驗、UV熒光紫外光老化試驗、氙燈老化試驗、高壓加速老化試驗等，通過提高溫度、濕度、壓強等環境因素來加速試驗過程，能有效測試材料在高溫、高壓、高濕度等嚴酷環境中的耐腐蝕性能。

鹽霧試驗主要用于評估產品或考核材料在鹽霧環境中的耐腐蝕性能，通常采用NaCl溶液作為中性鹽霧腐蝕溶液，NaCl+適量冰醋酸溶液作為酸性鹽霧腐蝕溶液。設置腐蝕試驗溫度為（35±2）℃，鹽霧的沉降率設置在1～2mL/h，將試樣（根據實際要求確定類型、數量、形狀和尺寸）放置在腐蝕試樣箱的支架上，可將試樣水平放置，也可將試樣與垂直方向成45°傾斜放置，試驗時間根據實際需要確定。

靜態全浸泡腐蝕試驗主要用于研究試樣的電化學腐蝕行為和機理。將試樣浸泡在特定的試驗溶液（定時更換）中，隔一定時間將試樣取出，記載試驗后的外觀、去除腐蝕產物后的外觀、腐蝕缺陷（如點蝕、裂紋、氣泡等的分布和數量）、開始出現腐蝕的時間。

（2）耐蝕性能評價

評價工程材料的耐腐蝕性能主要采用重量法、形貌觀察法、電化學測試法、恒應力法。

①重量法　重量法是用試樣腐蝕前后的重量差表征材料的腐蝕速率，分為增重法和失重法，增重法是腐蝕后連同全部腐蝕產物一起稱重，失重法是清除全部腐蝕產物后稱重。對于腐蝕產物疏松、容易脫落且易于清除的情況，通常采用失重法；對于腐蝕產物致密、附著力好且難于清除的情況，通常采用增重法。

②形貌觀察法　形貌觀察法分為宏觀觀察和顯微觀測，宏觀觀察是用肉眼對腐蝕前后的試樣、腐蝕產物、腐蝕液進行觀察分析，顯微觀測是對腐蝕試樣進行金相檢查或斷口分析，或者用掃描電鏡、透射電鏡、電子探針等做微觀組織結構和相成分的分析。形貌觀察法，特別是局部腐蝕形貌觀察，通常既要觀察表面腐蝕形貌，也要觀察截面腐蝕形貌。圖1-20為2297鋁鋰合金剝落腐蝕樣品的表面和截面的金相照片。

③電化學測試法　根據體系狀態，電化學測試可以分為穩態測試和暫態測試。在規定時間范圍內，電極電位及電流、電極表面狀態及濃度分布等電化學系統參量變化甚微（或基本不隨時間變化）的狀態稱為穩態，在體系達到穩態進行的電化學測試稱為穩態法（靜態法）。從開始極化至達到穩態的電極過程中，體系的參量隨時間而發生變化，相應的狀態稱為暫態，在暫態進行的電化學測試稱為暫態法（動態法），動態法可以自動測繪，掃描速率可控，因而測量結果重現性好，適用于對比實驗。根據外加信號，電化學測試可以分為直流測試和交流測試，直流測試包括動電位極化曲線、線性極化法、循環極化法、循環伏安法、恒電流/恒電位法等，交流測試包括阻抗測試和電容測試。

利用電化學工作站測試動電位極化曲線和交流阻抗譜（EIS）是應用最廣泛的腐蝕性能測試方法，圖1-21為典型的三電極電化學測試系統，參比電極（RE）為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極（CE）為高純Pt片，工作電極（WE）為待測試樣。

圖1-22為電化學測試樣品示意圖，在一側鉆孔并用帶有絕緣層的銅質導線進行連接，保證兩者之間導電正常，在試樣中部預留出10mm×10mm區域作為待測區域（工作面），四周邊沿及背面的非測試面、試樣小孔與導線連接處均用松香進行涂覆，嚴格保證1cm²的工作面，而非工作面絕緣、密封。

根據GB/T 24196—2009《金屬和合金的腐蝕　電化學試驗方法　恒電位和動電位極化測量導則》，將試樣、Pt電極、飽和甘汞電極連接成三電極體系，浸泡入腐蝕溶液（腐蝕溶液和浸泡時間根據實際需要確定）中，待測試體系電位穩定后開始測試，測試溫度為25℃，每次測試重復2～3次，以保證實驗結果的可重復性。極化動電位掃描范圍根據需要測試的掃描區間進行調整，一般選取-1000～+1000mV，掃描速率根據需要測試的精度進行調整，通常在0.5～2mV/s，掃描速率越慢，測試點越多，時間越長。

圖1-23為一種Al-Cu-Mg合金在不同溶液中浸泡及浸泡不同時間的動電位極化曲線，浸泡溶液分別為5%NaCl、0.2%NaHSO₃+5%NaCl。表1-2為實驗合金在5%NaCl溶液、0.2%NaHSO₃+5%NaCl溶液中的動電位極化曲線的擬合結果，結果顯示實驗合金在0.2%NaHSO₃+5%NaCl溶液中的自腐蝕電位更負、自腐蝕電流較大。自腐蝕電位決定合金的腐蝕傾向，自腐蝕電位越負，腐蝕傾向越大，自腐蝕電流決定合金的腐蝕程度，自腐蝕電流越大，腐蝕程度越嚴重，說明含硫的腐蝕介質顯著促進合金的腐蝕過程。由圖1-23（a）可以看出，在5%NaCl溶液中，實驗合金表現出明顯的鈍化現象，而在0.2%NaHSO₃+5%NaCl溶液中，實驗合金表面維持鈍化的區間明顯變窄，且陰極電流密度要高于5%NaCl溶液中的陰極電流密度，說明加入NaHSO₃會顯著降低合金表面鈍化膜的穩定性，而水解導致腐蝕介質中有較高的H⁺濃度，促進了陰極反應過程，使陰極電流密度增大。

圖1-23（b）為實驗合金在0.2%NaHSO₃+5%NaCl溶液中浸泡腐蝕0h、48h、96h、192h后的動電位極化曲線，表1-3為通過Tafel外延法得到曲線對應的自腐蝕電位（E_corr）和自腐蝕電流密度（I_corr）。由圖1-23（b）和表1-3可以看出，隨著浸泡時間延長，腐蝕電位負移，說明合金的腐蝕傾向增加；浸泡48h的腐蝕電流密度最高，為5.62×10^-3A/cm²，浸泡96h的腐蝕電流密度下降為2.49×10^-3 A/cm²，浸泡192h的腐蝕電流密度上升為3.58×10^-3 A/cm²。隨著浸泡時間延長，一方面，形成的腐蝕產物阻礙腐蝕過程，造成腐蝕速率下降；另一方面，因腐蝕產物剝落造成新鮮基體暴露，會加快腐蝕過程，在腐蝕后期出現腐蝕產物的剝落、開裂，使腐蝕速率呈現先降后升的趨勢。

對于穩定的線性系統M，將1個角頻率為ω的正弦波擾動電信號X（電壓或電流）輸入其中，該系統相應輸出1個角頻率為ω的正弦波電信號Y（電流或電壓），其中Y=G（ω）X。如果X為正弦波電流信號，Y為正弦波電壓信號，則G（ω）為系統M的阻抗，以G_Z表示；如果X為正弦波電壓信號，Y為正弦波電流信號，則G（ω）為系統M的導納，以G_Y表示。阻抗和導納合稱阻納，是一個當擾動與響應都是電信號且分別為電流信號和電壓信號時的頻響函數，對于穩定的線性系統，當響應與擾動之間存在唯一的因果性時，G_Z和G_Y都取決于系統的內部結構，存在唯一的對應關系（G_Z=1/G_Y）。

在系列不同角頻率下測得的一組頻響函數值就是電極系統的電化學阻抗譜。電化學阻抗譜技術就是測定不同頻率ω（f）的擾動信號X和響應信號Y的比值，得到不同頻率下阻抗的實部Z'、虛部Z″、模值Z_mode、相位角，并繪制成曲線（電化學阻抗，EIS）。測量電化學阻抗譜應具有穩定性、因果性、線性三個前提條件，即擾動不會引起系統內部結構發生變化，擾動信號與響應信號之間具有因果關系且呈線性關系。給電化學系統施加不同頻率的小振幅正弦波電位（或電流），對系統微擾且作用時間短，可以近似認為滿足穩定性條件。若系統的內部結構是線性的穩定結構，則響應信號就是擾動信號的線性函數，因此，可以認為EIS系統的擾動信號與響應信號是近似線性關系，測量結果的數學處理較簡化。EIS是一種頻率域測量方法，可測定的頻率范圍很寬，可比常規電化學方法得到更多的動力學信息及電極界面結構信息。通常，電化學交流阻抗譜測試在開路電位下測定，施加振幅為10mV的正弦交流電流作為激勵信號。

圖1-24為一種Al-Cu-Mg合金在0.2%NaHSO₃+5%NaCl溶液中浸泡不同時間的電化學阻抗譜，浸泡時間分別為0h、48h、96h、192h，掃描頻率的范圍為0.01Hz～100kHz，采用Origin8.5軟件處理實驗數據繪制交流阻抗譜，通過Nova2.1軟件進行擬合分析。Nyqusit圖第一象限的半圓形弧為容抗弧，在低頻處存在收縮現象，若容抗弧在低頻處偏離了第一象限，出現在了第四象限，則為感抗弧。容抗弧的大小代表耐腐蝕性能優劣，容抗弧越大，耐腐蝕性能越好；容抗弧的個數代表時間常數的多少，一個容抗弧代表腐蝕過程存在一個時間常數，兩個容抗弧則代表兩個時間常數。由圖1-24（a）所示的Nyquist圖可以看出，未經浸泡腐蝕的樣品容抗弧半徑最大；浸泡48h的容抗弧半徑明顯下降；浸泡96h的容抗弧半徑比浸泡48h大，在低頻段出現了Warburg阻抗；浸泡腐蝕192h的容抗弧半徑復減小，合金表面阻抗值降低；其變化規律與腐蝕電流密度的變化規律一致。在腐蝕過程中，表面氧化膜發生破損會導致阻抗值明顯降低，而表面堆積的腐蝕產物會阻礙試樣與腐蝕介質之間的電荷交換，導致阻抗值有所回升，隨著浸泡時間進一步延長，表面的腐蝕產物破損嚴重并有部分剝落，實驗合金與腐蝕介質之間的電荷交換通道增加，導致表面阻抗下降，耐蝕性變差。圖1-24（b）、圖1-24（c）為浸泡不同時間樣品的交流阻抗Bode圖，其中圖1-24（b）為掃描頻率與阻抗模值的關系圖，高頻時為近似水平直線，由低頻到高頻的直線的斜率為-1，由斜線與高頻水平線延長線的交點可確定特征頻率；圖1-24（c）為掃描頻率與相位角圖，根據存在的峰值個數可確定時間常數。

④恒應力法　應力腐蝕對航空航天結構件具有普遍性，以鋁材為例，除純鋁、Al-Mn和Al-Mg-Si合金未發現應力腐蝕開裂現象外，其他鋁合金都有不同程度的應力腐蝕開裂敏感性，而且強度越高，應力腐蝕開裂傾向越大。評價材料的抗應力腐蝕性能對保證航空航天器的安全可靠至關重要。通常采用慢應變速率應力腐蝕試驗（又稱慢應變拉伸試驗）、恒應力腐蝕試驗、應力腐蝕疲勞試驗等獲得斷裂壽命或斷裂時間來評價材料在應力作用下的腐蝕行為，用臨界應力強度因子K_ISCC、K_th、裂紋擴展速率da/dt等指標表征材料抵抗應力腐蝕開裂（SCC）及氫脆（HE）斷裂的能力。

恒應力腐蝕試驗是最常用的應力腐蝕性能測試方法，主要有單軸拉伸和C型環加載兩種試驗方法，對應標準為GB/T 15970.4—2000 《金屬和合金的腐蝕　應力腐蝕試驗　第4部分：單軸加載拉伸試樣的制備和應用》和GB/T 15970.5—1998 《金屬和合金的腐蝕　應力腐蝕試驗　第5部分：C型環試樣的制備和應用》。在試樣的工作區段安裝腐蝕溶液槽，在槽內注入腐蝕溶液（推薦為3.5%NaCl溶液，也可根據具體要求進行配比），按照設定的加載力（一般設定為材料屈服強度的百分比，如屈服強度的60%～75%）對試樣加載，加載時間可根據具體情況設定（推薦為720h）。在加載過程中應定期觀察試樣及腐蝕溶液狀況，若試樣斷裂，則記錄斷裂時間，取下并用流動水沖洗、干燥；若超過設定的加載時間試樣仍未斷裂，則用丙酮清洗試樣表面，并用放大鏡觀察是否存在裂紋。腐蝕實驗結束后，在拉伸機上測試用于對比的空白試樣剩余強度，未斷裂的加載試樣也進行腐蝕后的拉伸實驗，計算其強度損失，并對斷口進行觀察分析。