工程材料的静态力学性能

崔永广 河南科技学院高等职业技术学院

工业生产中使用的各类机器设备以及日常生活中使用的诸多生活用品，都是由各种材料经过加工制造而成的。可以说，材料是科学技术发展、现代化工业生产以及人们日常生活的重要物质基础。因此，了解和熟悉材料的性能，不仅是机械零件设计、选材和制订各种加工工艺的主要依据，同时也是生活在工业现代化社会中的每个人必须具备的基础知识。

材料的性能是指材料对产品设计、制造、使用等要求的满足程度，也就是材料本身所具有的性质和能力。只有全面了解材料的各种性能，才能正确、经济、合理地选择使用材料，准确制定各种加工工艺，从而达到既节约材料又保证产品质量的目的。材料的性能主要包括使用性能、工艺性能等。其中使用状态下表现出来的性能最为重要，尤以力学性能为首。

一、拉伸试验

材料抵抗外力作用下变形和断裂的能力称为强度。通过拉伸试验可以测定材料的强度和塑性。目前金属材料室温拉伸试验方法采用GB/T228-2002标准，但新标准的采用也有一个过程，本文为叙述方便仍采用旧标准（GB/T228-1987）符号。

图1 拉伸试样图

从一个完整的拉伸试验记录中，可以得到许多有关该材料的重要指标，如材料的弹性、塑性变形的特点和程度、屈服强度和抗拉强度等。以低碳钢为例，拉伸试验的试样通常加工成圆形或矩形截面，如图1所示。拉伸试样的两端放在拉伸试验机的夹头内夹紧，然后缓慢而均匀地施加轴向拉力，随着拉力的增大，试样开始被拉伸，直到拉断为止。由试验机带有的自动记录装置，将负荷-伸长以至断裂的全过程绘出曲线图，称为拉伸曲线图。如果把拉力除以试样的原始横截面积S0，得到拉应力σ，把伸长量△L除以试样的标距长度L0得到应变ε。根据σ和ε，则可以画出应力-应变曲线（如图2b所示）。应力-应变曲线不受试样尺寸的影响，可以从图上直接读出材料的一些常规力学性能指标。

图2 退火低碳钢的应力-应变曲线

二、应力-应变曲线分析

如图2所示的应力-应变曲线，可以分为以下几个变形阶段。

（一）oe段

试样在oe段所产生的变形，当外载荷去除后试样将恢复原来的形状，也就是所谓的弹性变形，因此一般称为弹性变形阶段。需要注意的是在oe段中的op是直线，在此阶段中应力与应变成完全正比关系，其比例系数为op段的斜率tanα，称为弹性模量E。

oe段中有两个应力σp和σe需特别注意，其中σe是试样去除外载荷后能恢复到原来形状和尺寸的最大加载应力，称为弹性极限。σp是应力与应变成完全正比关系的最大加载应力，称为比例极限。由于p点与e点两点之间非常的接近，一般不严格区分σp和σe，均可统称为弹性极限，用σe表示。

（二）sc段

当施加的应力超过σe，去除外载荷后，试样的变形就只能部分恢复，而保留了一部分残余变形，这种不能恢复的残余变形称为塑性变形。在图中可以看到，在此阶段图形曲线出现明显的锯齿形或平台，这表明此阶段在外载荷不增加甚至略有减小时，试样的变形会继续增加，这种现象称为屈服现象。σs是屈服阶段中最小的应力值，称为屈服应力。材料出现屈服后，将开始出现明显的塑性变形，因此工程中常根据σs来确定材料的许用应力。

（三）cb段

在屈服阶段后，要使试样继续伸长就必须不断增加外载荷。随着外载荷的增加，塑性变形也不断增大，随着变形量的增大，试样变形抗力也在不断的增加，这种现象称为材料的变形强化，也就是生产中常说的加工硬化。在此阶段中试样的变形是均匀发生的，σb是拉伸试验中，试样不发生断裂所能承受的最大外载荷，称为抗拉强度。抗拉强度是零件设计时的重要依据，同时也是评定金属材料强度的重要指标。

（四）bk段

当外载荷超过抗拉强度σb后，试样的直径会发生明显的局部收缩，这种收缩称为缩颈。此时施加的外载荷逐渐减小，但试样的变形继续增加，直至达到k点时试样发生断裂。

三、弹性极限与刚度

σ-ε曲线中开始一段为直线。在该段的加载过程中若中途卸除载荷，则试样即恢复原状，这种不产生永久变形的能力称为弹性，弹性段对应的最大应力称为弹性极限，如图2中的σe（MPa）。σ-ε曲线中直线部分的斜率E称为弹性模量，其数值为单位MPa，此值仅与材料有关，反映了材料抵抗弹性变形能力的大小，即刚度。E愈大，则弹性愈小，刚度愈大；反之，E愈小，则弹性愈大，刚度愈小。材料在使用中，如刚度不足，则会由于发生过大的弹性变形而失效。

四、强度

（一）屈服强度

屈服强度是指材料开始产生明显塑性变形时所对应的最小应力，反映了材料抵抗塑性变形的能力，如图2所示的σs（MPa）。

式中Fs—试样产生屈服时的最小载荷（N）；

A0—试样原始横截面积（mm2）。

需要注意的是对于铸铁和高碳钢等脆性材料，没有明显的屈服现象，按国标 GB/T228的规定，可以测定其规定残余伸长应力值σr（MPa），它表示材料在去除外载荷后，试样的残余伸长率达到规定数值时的应力。如σ0.2表示规定残余伸长率为0.2%时的应力，σ0.2可用来表示脆性材料开始产生塑性变形时所对应的最小应力，即以σ0.2作为脆性材料的屈服强度。屈服强度是机械零件设计中的主要依据，也是评定金属材料性能的主要指标之一。

（二）抗拉强度

抗拉强度σb是指材料在被拉断前所能承受的最大应力，它反映了材料抵抗断裂的能力，其单位为MPa，即

式中Fb—试样拉断前承受的最大载荷（N）；

A0—试样原始横截面积（mm2）。

机械零件在工作中所承受的外载荷，只要超过抗拉强度，零件材料将会发生断裂，因此抗拉强度是机械设计中断裂强度校核的主要依据。

五、塑性

材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。塑性大小用断后伸长率δ和断面收缩率ψ来表示，即：

δ、ψ愈大，材料塑性愈好。