金屬材料的強度與塑性

金屬材料的強度與塑性第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二導讀金屬材料在現(xiàn)代工業(yè)中的廣泛應用主要是由于其能滿足各種工程構件或機械零件所需的力學性能和工藝性能要求，所以掌握各種金屬材料的力學性能及其變化規(guī)律，根據(jù)工作條件及力學性能選擇材料，充分發(fā)揮其性能潛力，是保證構件或零件質量的基礎。第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二材料在力的作用下，諸如不同載荷所造成的彈性變形、塑性變形、斷裂（脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂等）以及金屬抵抗變形和斷裂能力的衡量指標。金屬材料的力學性能是指在承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、沖擊、交變應力等）時，對變形與斷裂的抵抗能力及發(fā)生變形的能力。常用的力學性能有：強度、塑性、硬度、沖擊韌性及疲勞極限等。第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復的變形稱為塑性變形。

第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二強度是指金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。塑性是指金屬材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不致引起破壞的能力。金屬材料的強度和塑性的指標可通過拉伸試驗測定。第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二

一、拉伸實驗

（GB/T228-2002）拉伸試樣2.力—伸長曲線（以低碳鋼試樣為例）3.脆性材料的拉伸曲線第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二1.拉伸試樣有圓形、矩形、六方等形狀。長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二

萬能材料試驗機

a)WE系列液壓式b)WDW系列電子式第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二2.力－伸長曲線拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關系曲線。

頸縮階段強化階段彈性變形階段屈服階段如圖：低碳鋼的力—伸長曲線第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二(a)試樣(b)伸長(c)產(chǎn)生縮頸(d)斷裂第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二ΔLF03.脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。

第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二

在實際工程應用中，在最大許用應力條件下是否產(chǎn)生或產(chǎn)生多大微量塑性變形是重要的，具有實際意義。第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，是工程技術上重要的力學性能指標。按照載荷的性質，材料強度有靜強度、疲勞強度等；按照環(huán)境條件，材料強度有常溫強度、高溫強度等，高溫強度又包括蠕變極限和持久強度。根據(jù)載荷的作用方式不同，強度可分為抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度、抗扭強度和抗彎強度。通常以抗拉強度代表材料的強度指標。二、強度第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二材料強度的大小通常用單位面積上所承受的力來表示，其單位為N/m2(Pa)，但Pa這個單位太小，所以實際工程中常用MPa（MPa=106Pa）作為強度的單位。一般鋼材的屈服強度在200～2000MPa之間，如建造2008年北京奧運會主體育場“鳥巢”外部鋼結構的Q460E鋼，其屈服強度為460MPa。第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二

1、彈性極限Re

彈性極限是指在產(chǎn)生完全彈性變形時材料所能承受的最大應力，即：

式中Fe——試樣完全彈性變形時所能承受的最大載荷(N)So——試樣原始截面積(mm2)第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二2、屈服強度

（1）屈服現(xiàn)象在金屬拉伸試驗過程中，當應力超過彈性極限后，變形增加較快，此時除了彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形。當外力增加到一定數(shù)值時突然下降，隨后，在外力不增加或上下波動情況下，試樣繼續(xù)伸長變形，在力－伸長曲線出現(xiàn)一個波動的小平臺，這便是屈服現(xiàn)象。第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二（2）屈服強度在拉伸曲線上，與上、下屈服點相對應的應力稱為上、下屈服強度，分別用ReH和ReL表示。在金屬材料中，一般用下屈服強度ReL代表其屈服強度。

ReH和ReL的計算公式如下：第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二（3）條件（名義）屈服強度

對于高碳淬火鋼、鑄鐵等材料，在拉伸試驗中沒有明顯的屈服現(xiàn)象，無法確定其屈服強度。國標GB228-2002規(guī)定，對沒有明顯屈服現(xiàn)象的材料，一般規(guī)定以試樣達到0.2%殘余伸長率對應的應力作為材料的屈服強度，稱為條件（名義）屈服強度，通常記作Rp0.2。第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二例如Rp0.2

表示規(guī)定殘余延伸率為0.2％時的應力。其計算公式為：

Rp0.2

＝F0.2/S0

（N/mm2）

式中：F0.2－殘余延伸率達0.2％時的載荷（N）；

S0－試樣原始橫截面積（mm2）。

第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二

ΔLF0F0.20.2%L0F0.2S0Rp0.2

=第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二工程上各種構件或機器零件工作時均不允許發(fā)生過量塑性變形，因此屈服強度ReL和條件屈服強度Rp0.2是工程技術上重要的力學性能指標之一，也是大多數(shù)機械零件選材和設計的依據(jù)。第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二傳統(tǒng)的強度設計方法，對韌性材料，以屈服強度為標準，規(guī)定許用應力[σ]=ReL/n，安全系數(shù)n一般取2或更大。ReL

和Rp0.2常作為零件選材和設計的依據(jù)。第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二3、抗拉強度

材料在斷裂前所能承受的最大應力，用符號Rm表示。Rm=FmS0計算公式第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二抗拉強度Rm的物理意義是塑性材料抵抗大量均勻塑性變形的能力。鑄鐵等脆性材料拉伸過程中一般不出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，抗拉強度就是材料的斷裂強度。斷裂是零件最嚴重的失效形式，所以，抗拉強度也是機械工程設計和選材的主要指標，特別是對脆性材料來講。第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二

強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強度在200～1000MPa之間。強度越高，表明材料在工作時越可以承受較高的載荷。當載荷一定時，選用高強度的材料，可以減小構件或零件的尺寸，從而減小其自重。因此，提高材料的強度是材料科學中的重要課題，稱之為材料的強化。4、強度的意義第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二2、衡量指標金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。②斷面收縮率：①斷后伸長率：試樣拉斷后，標距的伸長量與原始標距的百分比。試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。1、定義三、塑性第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二斷后伸長率（A

）l1-l0l0×100%A=l1——試樣拉斷后的標距（mm）l0——試樣的原始標距（mm）第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二同一材料的試樣長短不同，測得的斷后伸長率略有不同。由于大多數(shù)韌性金屬材料的集中塑性變形量大于均勻塑性變形量，因此，比例試樣的尺寸越短，其斷后伸長率越大，用短試樣（L0＝5d0）測得的斷后伸長率A略大于用長試樣（L0＝10d0）測得的斷后伸長率A11.3。

第34頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二斷面收縮率（Z）S0-S1S0Z=×100%S0——試樣原始橫截面積（mm2）S1——頸縮處的橫截面積（mm2

）第35頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二3、塑性的意義任何零件都要求材料具有一定的塑性。很顯然，斷后伸長率A和斷面收縮率Z越大，說明材料在斷裂前發(fā)生的塑性變形量越大，也就是材料的塑性越好。意義：

a）安全，防止產(chǎn)生突然破壞；

b）緩和應力集中；

c）軋制、擠壓等冷熱加工易變形。第36頁，共38頁，2023年，2月20日，星期二通常情況下金屬的伸長率不超過90%，而有些金屬及其合金在某些特定的條件下，最大伸長率可高達1000%～2000%，個別的可達6000%，這種現(xiàn)象稱為超塑性。由于超塑性狀態(tài)具有異常高的塑性，極小的流動應力，極大的活性及擴散能力，在壓力加工、熱