金属材料的强度与塑性

1、 22 金属材料的力学性能第一讲 金属材料的强度与塑性导读v金属材料在现代工业中的广泛应用主要是由于其能满足各种工程构件或机械零件所需的力学性能和工艺性能要求，所以掌握各种金属材料的力学性能及其变化规律，根据工作条件及力学性能选择材料，充分发挥其性能潜力，是保证构件或零件质量的基础。v 材料在力的作用下，诸如不同载荷所造成的弹性变形、塑性变形、断裂（脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂等）以及金属抵抗变形和断裂能力的衡量指标。v金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗能力及发生变形的能力。v常用的力学性能有：强度、塑性、硬度、冲击韧性及

2、疲劳极限等。p材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。p外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。p外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。 v强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。v塑性是指金属材料在静载荷作用下产生塑性变形而不致引起破坏的能力。v金属材料的强度和塑性的指标可通过拉伸试验测定。 一、拉伸实验一、拉伸实验 （GB/T228-2002）拉伸试样拉伸试样2. 力力伸长曲线伸长曲线（以低碳钢试样为例（以低碳钢试样为例） 3. 脆性材料的拉伸曲线脆性材料的拉伸曲线1. 拉伸试样拉伸试样 有圆形、矩形、六方等形状。有圆形、矩形、六方等形状。长试样：长试样：L0=1

3、0d0短试样：短试样：L0=5d0 万能材料试验机 a) WE系列液压式 b) WDW系列电子式2. 2. 力伸长曲线力伸长曲线拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。 颈缩阶段强化阶段弹性变形阶段屈服阶段如图：低碳钢的力伸长曲线 (a)试样 (b)伸长 (c)产生缩颈 (d)断裂拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象LF0 03. 3. 脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。 在实际工程应用中，在最大许用应力条件下是在实际工程应用中，在最

4、大许用应力条件下是否产生或产生多大微量塑性变形是重要的，具有实否产生或产生多大微量塑性变形是重要的，具有实际意义。际意义。v强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，是工程技术上重要的力学性能指标。v按照载荷的性质，材料强度有静强度、疲劳强度等；按照环境条件，材料强度有常温强度、高温强度等，高温强度又包括蠕变极限和持久强度。v根据载荷的作用方式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗扭强度和抗弯强度。通常以抗拉强度代表材料的强度指标。二、强度二、强度v材料强度的大小通常用单位面积上所承受的力来表示，其单位为N/m2(Pa)，但Pa这个单位太小，所以实际工程中常用MPa（MPa=106P

5、a）作为强度的单位。v一般钢材的屈服强度在2002000MPa 之间，如建造2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”外部钢结构的Q460E钢，其屈服强度为460MPa。 1 1、弹性极限、弹性极限R Re e 弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所能承受弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所能承受的最大应力，即：的最大应力，即： 式中式中F Fe e试样完全弹性变形时所能承受的最大载荷试样完全弹性变形时所能承受的最大载荷( (N N ) ) S So o试样原始截面积试样原始截面积( (mmmm2 2) )oeeSFR 2、屈服强度（1） 屈服现象v在金属拉伸试验过程中，当应力超过弹性极限后，变形

6、增加较快，此时除了弹性变形外，还产生部分塑性变形。当外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形，在力伸长曲线出现一个波动的小平台，这便是屈服现象。（2）屈服强度v在拉伸曲线上，与上、下屈服点相对应的应力称为上、下屈服强度，分别用ReH和ReL表示。在金属材料中，一般用下屈服强度ReL代表其屈服强度。v ReH和ReL的计算公式如下：0eLeL0HHSFRSFRee（3） 条件（名义）屈服强度 v对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验中没有明显的屈服现象，无法确定其屈服强度。v国标GB228-2002规定，对没有明显屈服现象的材料，一般规定以试样达到0.2

7、%残余伸长率对应的应力作为材料的屈服强度，称为条件（名义）屈服强度，通常记作Rp0.2 。v例如Rp0.2 表示规定残余延伸率为0.2时的应力。 其计算公式为： Rp0.2 F0.2 / S0 （N/ mm2）式中：F0.2残余延伸率达0.2时的载荷（N）； S0试样原始横截面积（mm2）。 LF0 0F0.20.2%L0F0.2S0Rp0.2 =v工程上各种构件或机器零件工作时均不允许发生过量塑性变形，因此屈服强度ReL和条件屈服强度Rp0.2是工程技术上重要的力学性能指标之一，也是大多数机械零件选材和设计的依据。v传统的强度设计方法，对韧性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力= ReL /

8、n，安全系数n一般取2或更大。vReL 和Rp0.2常作为零件选材和设计的依据。3 3、抗拉强度、抗拉强度 材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号R Rm m表表示。示。Rm=FmS0计算公式计算公式v抗拉强度Rm的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。v铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的断裂强度。v断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也是机械工程设计和选材的主要指标，特别是对脆性材料来讲。 v强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在2001000MPa 之间。v强度越高，表明材料在工作时越可

9、以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。v因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化。4、强度的意义2 2、衡量指标、衡量指标金属材料断裂前发生永久变形的能力。金属材料断裂前发生永久变形的能力。断面收缩率：断面收缩率：断后伸长率：断后伸长率：试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比。试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。原始横截面积的百分比。1 1、 定义定义三、塑性三、塑性断后伸长率（断后伸长率（ A ）l1-l0l0

10、100%A=l1试样拉断后的标距（试样拉断后的标距（mm）l0试样的原始标距（试样的原始标距（mm）v同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长率略有不同。v由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大于均匀塑性变形量，因此，比例试样的尺寸越短，其断后伸长率越大，用短试样（L05d0）测得的断后伸长率A略大于用长试样（L010d0）测得的断后伸长率A11.3。 断面收缩率（断面收缩率（ Z ）S0-S1S0Z=100%S0试样原始横截面积（试样原始横截面积（mm2）S1颈缩处的横截面积（颈缩处的横截面积（mm2 ）3、塑性的意义v任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显然，断后伸长率A和断面收缩率Z越大

11、，说明材料在断裂前发生的塑性变形量越大，也就是材料的塑性越好。v意义： a）安全，防止产生突然破坏； b）缓和应力集中； c）轧制、挤压等冷热加工易变形。通常情况下金属的伸长率不超过90% ，而有些金属及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可高达1000%2000% ，个别的可达6000% ，这种现象称为超塑性。由于超塑性状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，在压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领域被中应用。小知识：小知识：1、强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。2、正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性。四、小结 GB/T 228-2002新标准 GB/T 228-1987旧标准名称符号名称符号屈服强度屈服点s上屈服强度ReH上屈服点sU下屈服强度ReL下屈服点sL条件屈服强度Rp0.2规