金屬材料的強(qiáng)度與塑性

關(guān)于金屬材料的強(qiáng)度與塑性第1頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六導(dǎo)讀金屬材料在現(xiàn)代工業(yè)中的廣泛應(yīng)用主要是由于其能滿足各種工程構(gòu)件或機(jī)械零件所需的力學(xué)性能和工藝性能要求，所以掌握各種金屬材料的力學(xué)性能及其變化規(guī)律，根據(jù)工作條件及力學(xué)性能選擇材料，充分發(fā)揮其性能潛力，是保證構(gòu)件或零件質(zhì)量的基礎(chǔ)。第2頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六材料在力的作用下，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(biāo)。金屬材料的力學(xué)性能是指在承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時(shí)，對(duì)變形與斷裂的抵抗能力及發(fā)生變形的能力。常用的力學(xué)性能有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性及疲勞極限等。第3頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六第4頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六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(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。

第5頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六強(qiáng)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(qiáng)度和塑性的指標(biāo)可通過拉伸試驗(yàn)測(cè)定。第6頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六

一、拉伸實(shí)驗(yàn)

（GB/T228-2002）拉伸試樣2.力—伸長(zhǎng)曲線（以低碳鋼試樣為例）3.脆性材料的拉伸曲線第7頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六1.拉伸試樣有圓形、矩形、六方等形狀。長(zhǎng)試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0第8頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六第9頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六

萬能材料試驗(yàn)機(jī)

a)WE系列液壓式b)WDW系列電子式第10頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六第11頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六2.力－伸長(zhǎng)曲線拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線。

頸縮階段強(qiáng)化階段彈性變形階段屈服階段如圖：低碳鋼的力—伸長(zhǎng)曲線第12頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六(a)試樣(b)伸長(zhǎng)(c)產(chǎn)生縮頸(d)斷裂第13頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象第14頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六ΔLF03.脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對(duì)比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。

第15頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六

在實(shí)際工程應(yīng)用中，在最大許用應(yīng)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(shí)際意義。第16頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標(biāo)。按照載荷的性質(zhì)，材料強(qiáng)度有靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等；按照環(huán)境條件，材料強(qiáng)度有常溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度等，高溫強(qiáng)度又包括蠕變極限和持久強(qiáng)度。根據(jù)載荷的作用方式不同，強(qiáng)度可分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。通常以抗拉強(qiáng)度代表材料的強(qiáng)度指標(biāo)。二、強(qiáng)度第17頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六材料強(qiáng)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(gè)單位太小，所以實(shí)際工程中常用MPa（MPa=106Pa）作為強(qiáng)度的單位。一般鋼材的屈服強(qiáng)度在200～2000MPa之間，如建造2008年北京奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)“鳥巢”外部鋼結(jié)構(gòu)的Q460E鋼，其屈服強(qiáng)度為460MPa。第18頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六

1、彈性極限Re

彈性極限是指在產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)材料所能承受的最大應(yīng)力，即：

式中Fe——試樣完全彈性變形時(shí)所能承受的最大載荷(N)So——試樣原始截面積(mm2)第19頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六2、屈服強(qiáng)度

（1）屈服現(xiàn)象在金屬拉伸試驗(yàn)過程中，當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后，變形增加較快，此時(shí)除了彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形。當(dāng)外力增加到一定數(shù)值時(shí)突然下降，隨后，在外力不增加或上下波動(dòng)情況下，試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)變形，在力－伸長(zhǎng)曲線出現(xiàn)一個(gè)波動(dòng)的小平臺(tái)，這便是屈服現(xiàn)象。第20頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六（2）屈服強(qiáng)度在拉伸曲線上，與上、下屈服點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為上、下屈服強(qiáng)度，分別用ReH和ReL表示。在金屬材料中，一般用下屈服強(qiáng)度ReL代表其屈服強(qiáng)度。

ReH和ReL的計(jì)算公式如下：第21頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六第22頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六（3）條件（名義）屈服強(qiáng)度

對(duì)于高碳淬火鋼、鑄鐵等材料，在拉伸試驗(yàn)中沒有明顯的屈服現(xiàn)象，無法確定其屈服強(qiáng)度。國(guó)標(biāo)GB228-2002規(guī)定，對(duì)沒有明顯屈服現(xiàn)象的材料，一般規(guī)定以試樣達(dá)到0.2%殘余伸長(zhǎng)率對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為材料的屈服強(qiáng)度，稱為條件（名義）屈服強(qiáng)度，通常記作Rp0.2。第23頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六例如Rp0.2

表示規(guī)定殘余延伸率為0.2％時(shí)的應(yīng)力。其計(jì)算公式為：

Rp0.2

＝F0.2/S0

（N/mm2）

式中：F0.2－殘余延伸率達(dá)0.2％時(shí)的載荷（N）；

S0－試樣原始橫截面積（mm2）。

第24頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六

ΔLF0F0.20.2%L0F0.2S0Rp0.2

=第25頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六工程上各種構(gòu)件或機(jī)器零件工作時(shí)均不允許發(fā)生過量塑性變形，因此屈服強(qiáng)度ReL和條件屈服強(qiáng)度Rp0.2是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，也是大多數(shù)機(jī)械零件選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。第26頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，對(duì)韌性材料，以屈服強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)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(shè)計(jì)的依據(jù)。第27頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六3、抗拉強(qiáng)度

材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，用符號(hào)Rm表示。Rm=FmS0計(jì)算公式第28頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六抗拉強(qiáng)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(qiáng)度就是材料的斷裂強(qiáng)度。斷裂是零件最嚴(yán)重的失效形式，所以，抗拉強(qiáng)度也是機(jī)械工程設(shè)計(jì)和選材的主要指標(biāo)，特別是對(duì)脆性材料來講。第29頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六第30頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六

強(qiáng)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(qiáng)度在200～1000MPa之間。強(qiáng)度越高，表明材料在工作時(shí)越可以承受較高的載荷。當(dāng)載荷一定時(shí)，選用高強(qiáng)度的材料，可以減小構(gòu)件或零件的尺寸，從而減小其自重。因此，提高材料的強(qiáng)度是材料科學(xué)中的重要課題，稱之為材料的強(qiáng)化。4、強(qiáng)度的意義第31頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六2、衡量指標(biāo)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(zhǎng)率：試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)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41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六斷后伸長(zhǎng)率（A

）l1-l0l0×100%A=l1——試樣拉斷后的標(biāo)距（mm）l0——試樣的原始標(biāo)距（mm）第33頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六同一材料的試樣長(zhǎng)短不同，測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)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(zhǎng)率越大，用短試樣（L0＝5d0）測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率A略大于用長(zhǎng)試樣（L0＝10d0）測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率A11.3。

第34頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六斷面收縮率（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41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六3、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(zhǎng)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(yīng)力集中；

c）軋制、擠壓等冷熱加工易變形。第36頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六通常情況下金屬的伸長(zhǎng)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(zhǎng)率可高達(dá)1000%～2000%，個(gè)別的可達(dá)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(dòng)應(yīng)力，極大的活性及擴(kuò)散能力，在壓力加工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等很多領(lǐng)域被中應(yīng)用。超塑性小知識(shí)：第37頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六1、強(qiáng)度與塑性是一對(duì)相互矛盾的性能指標(biāo)。在金屬材料的工程應(yīng)用中，要提高強(qiáng)度，就要犧牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一部分強(qiáng)度。2、正所謂“魚和熊掌二者不能兼得”。但通過細(xì)化金屬材料的顯微組織，可以同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和塑性。四、小結(jié)第38頁，共41頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)50分，星期六GB/T228-2002新標(biāo)準(zhǔn)GB/T228-1987舊標(biāo)準(zhǔn)名稱符號(hào)名稱符號(hào)屈服強(qiáng)度①－屈服點(diǎn)σs上屈服強(qiáng)度ReH上屈服點(diǎn)σsU下屈服強(qiáng)度ReL下屈服點(diǎn)σsL條件屈服強(qiáng)度Rp0.2規(guī)定殘余延伸應(yīng)力σr抗拉強(qiáng)度Rm抗拉強(qiáng)度σb斷后伸長(zhǎng)率A或A11.3斷后伸長(zhǎng)率δ5或δ10斷面收縮率