材料的力学性能

第三章 材料的力学性能

第一节 拉伸或压缩时材料的力学性能

一、概述

分析构件的强度时，除计算应力外，还应了解材料的力学性质（Mechanicai

property），材料的力学性质也称为机械性质，是指材料在外力作用下表现出的变形、破坏等方面的特性。它要由实验来测定。在室温下，以缓慢平稳的方式进行试验，称为常温静载试验，是测定材料力学性质的基本试验。为了便于比较不同材料的试验结果，对试件的形状、加工精度、加载速度、试验环境等，国家标准规定了相应变形形式下的试验规范。本章只研究材料的宏观力学性质，不涉及材料成分及组织结构对材料力学性质的影响，并且由于工程中常用的材料品种很多，主要以低碳钢和铸铁为代表，介绍材料拉伸、压缩以及纯剪切时的力学性质。

二、低碳钢拉伸时的力学性质

低碳钢是工程中使用最广泛的金属材料，同时它在常温静载条件下表现出来的力学性质也最具代表性。低碳钢的拉伸试验按《金属拉伸试验方法》（GB/T228—2002）国家标准在万能材料试验机上进行。标准试件（Standard specimen）有圆形和矩形两种类型，如图3-1所示。试件上标记A、B两点之间的距离称为标距，记作l0。圆形试件标距l0与直径d0有两种比例，即l0=10d0和l0=5d0。矩形试件也有两种标准，即l0?11.3A0和l0?5.65A0。其中A0为矩形试件的截面面积。

图3-1 拉伸试件 试件装在试验机上，对试件缓慢加拉力FP，对应着每一个拉力FP，试件标距l0有一个伸长量Δlo表示FP和Δl的关系曲线，称为拉伸图或FP—Δl曲线。如图3-2a，由于FP—Δl曲线与试件的尺寸有关，为了消除试件尺寸的影响，把拉力FP除以试件横截面的原始面积A0，得出正应力??FP?l为纵坐标；把伸长量Δl除以标距的原始长度l0，得出应变??为A0l0横坐标，做图表示σ与ε的关系（图3-2b）称为应力——应变图或σ—ε曲线（Stress-strain curve）。

图3-2 低碳钢拉伸曲线 根据试验结果，低碳钢的拉伸力学性质大致如下： （一）弹性阶段

由斜直线Oa和很短的微弯曲线ab组成。斜直线Oa表示应力和应变成正比关系，即σ?ε，直线的斜率即为材料的弹性模量E，写成等式σ=Eε，就是拉伸或压缩的虎克定律。与a点对应的应力σp为称为比例极限（Proportional limit）。显然，只有应力低于比例极限时，应力才与应变成正比，材料才服从虎克定律。这时，称材料是线弹性的（Linear elasticity）。

对于微弯曲线段ab，应力和应变之间不再服从线性关系，但解除拉力后变形仍可完全消失，这种变形称为弹性变形（Elastic deformation），b点对应的应力σe是材料只出现弹性变形的极限值，称为弹性极限（Elastic limit）。由于ab阶段很短，σe和σp相差很小，通常并不严格区分。

在应力大于弹性极限后，如再解除拉力，则试件产生的变形有一部分消失，这就是上面提到的弹性变形。但还遗留下一部分不能消失的变形，这种变形称为塑性变形或残余变形（Plastic deformation）。

（二）屈服（流动）阶段 当应力超过b点增加到c点之后，应变有非常明显的增加，而应力先是下降，然后作微小的波动，在σ—ε曲线上出现接近水平线的小锯齿形线段。这种应力基本保持不变，而应变显著增加的现象，称为屈服或流动（Yield）。在屈服阶段内的最高应力（c点）和最低应力（c′点）分别称为上屈服极限和下屈服极限。上屈服的数值与试件形状、加载速度等因素有关，一般是不稳定的。下屈服极限则相对较为稳定，能够反映材料的性质，通常就把下屈服极限称为屈服极限（Yield limit）或屈服点，用σs来表示。

对于粗糙度值很低的表面光滑试件，屈服之后在试件表面上隐约可见与轴线成45o的滑移线。

材料屈服表现为显著的塑性变形，而零件的塑性变形将影响机器的正常工作，所以屈服极限σs是衡量材料强度的重要指标。

（三）强化阶段

过屈服阶段后，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形必须增加拉力。这种现象称为材料的强化（Strengthening）。在图3-2b中，强化阶段中的最高点e所对应的应力σb是材料所能承受的最大应力，称为强度极限（Strength limit）或抗拉强度。它是衡量材料强度的另一重要指标。在强化阶段，试件标距长度明显地变长，直径明显地缩小。

（四）局部变形阶段

过e点之后，进入局部变形阶段，试件局部出现显著变细的现象，亦即颈缩（Necking）现象（如图3-3）。由于在颈缩部位横截面面积迅速减小，使试件继续伸长所需要的拉力也相应减少。在σ—ε图中，用横截面原始面积A算出的应力σ=FP/A随之下降，直到f点，试件被拉断。

图3-3 颈缩现象 （五）延伸率和断面收缩率

试件拉断后，由于保留了塑性变形，试件加载前的标距长度l0拉断后变为l1。用百分比表示的比值

??l1?l0?100% ? 3-10 （?3-1） l0称为延伸率（Percentage elongation）。试件的塑性变形（l1-l0）越大，δ也就越大。因此，延伸率是衡量材料塑性的指标。低碳钢的延伸率很高，其平均值为20%～30%，这说明低碳钢的塑性性能很好。

工程上通常按延伸率的大小把材料分成两大类，δ＞5%的材料称为塑性材料，如碳钢、黄铜、铝合金等；而把δ＜5%的材料称为脆性材料，如铸铁、玻璃、陶瓷等。

原始横截面面积为A0的试件，拉断后颈缩处的最小截面面积变为A1，用百分比表示的比值

??A0?A1?10000 （3-2） A0称为断面收缩率。φ也是衡量材料塑性的指标。

（六）卸载定律和冷作硬化现象

在上述的实验过程中，如果不是持续将试件拉断，而是加载至超过屈服极限后如到达图3-2b中的d点），然后逐渐卸除拉力，应力应变关系将沿着斜直线dd′回到d′点，斜直线dd′近似地平行于Oa。这说明：在卸载过程中，应力和应变按直线规律变化。这就是卸载定律。拉力完全卸除后，应力一应变图中，d′g表示消失了的弹性变形，而Od′表示保留下来的塑性变形。

卸载后，如在短期内再次加载，则应力和应变又重新沿着卸载直线dd′上升，直到d点后，又沿直线def变化。可见在再次加载时，直到d点以前材料的变形是弹性的，过d点后才开始出现塑性变形。比较图3-2b中的Oabcc?def和d′def两条曲线，可见在第二次加载时，其比例极限（亦即弹性阶段）得到了提高，但塑性变形和延伸率却有所降低。这种现象称为冷作硬化。

工程上经常利用冷作硬化来提高材料的弹性阶段。如起重机用的钢索和建筑用的钢筋，常用冷拔工艺以提高强度。又如对某些零件进行喷丸处理，使其表面发生塑性变形，形成冷硬层，以提高零件表面层的强度。但冷作硬化也像世间一切事物一样无不具有两重性，其有利之处将在工程中得到广泛应用，不利之处是由于冷作硬化使材料变硬变脆，给塑性加工带来困难，且容易产生裂纹，往往需要在工序之间安排退火，以消除冷作硬化带来的影响。

三、其他塑性材料拉伸时的力学性质

工程上常用的塑性材料，除低碳钢外，还有中碳钢、某些高碳钢和合金钢、青铜、黄铜、硬铝和退火的球墨铸铁等。图3-4中是几种塑性材料的σ—ε曲线。其中有些材料，如16Mn钢和低碳钢一样，有明显的弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段。有些材

料，如黄铜H62，没有屈服阶段，但其他三阶段却很明显。还有些材料，如高碳钢T10A，没有屈服阶段和局部变形阶段，只有弹性阶段和强化阶段。

图3-4 常见塑性材料应力应变曲线 对没有明显屈服极限的塑性材料，可以将产生0.2%塑性应变时的应力作为屈服指标，并用σ0.2来表示（图3-5）。

图3-5 名义屈服极限 各类碳素钢中，随含碳量的增加，屈服极限和强度极限相应提高，但延伸率降低。例如合金钢、工具钢等高强度钢材、屈服极限较高，但塑性性能却较差。

四、铸铁拉伸时的力学性质

铸铁也是工程中广泛应用的材料之一，拉伸时的应力应变关系是一条微弯曲线。如图3-6所示，没有直线区段，没有屈服和颈缩现象，试件断口平齐、粗糙，拉断前的应变很小，延伸率也很小，几乎没有塑性变形，所以只能测得拉伸时的强度极限σ（拉断时的最大应力）。b铸铁是典型的脆性材料，由于没有屈服现象，强度极限σb是衡量强度的唯一指标。

图3-6 铸铁拉伸曲线 由于铸铁σ—ε图是一微弯的曲线，弹性模量E的数值随应力的大小而变。但在工程中铸铁的拉应力不能很高，而在较低的拉应力下，则可近似认为服从虎克定律。通常取σ—ε曲线的割线代替曲线的开始部分，并以割线的斜率作为弹性模量，称为割线弹性模量（Secant modulus）。

铸铁等脆性材料的抗拉强度很低，所以不宜作为受拉构件。但铸铁经球化处理成为球墨铸铁后，力学性能有显著变化，不但有较高的强度，还有较好的塑性性能。国内不少工厂成功地用球墨铸铁代替钢材制造曲轴、齿轮等零件。

五、低碳钢和铸铁压缩时的力学性质

压缩试验也是考察材料力学性质的基本试验之一。金属的压缩试件一般制成很短的圆柱，以免被压弯。按试验规范GB7314-87要求，一般试件的长度是直径的1.5～3倍。为了比较低碳钢和铸铁拉伸与压缩时的力学性质的异同，将σ—ε曲线画在同一个坐标内。

图3-7是低碳钢压缩与拉伸时的应力—应变曲线，从图中看出，低碳钢拉伸与压缩时的弹性模量E和屈服极限σs相同。屈服阶段以后，低碳钢压缩试件会被越压越扁，横截面积不断增大，试件抗压能力也继续提高，因而得不到压缩时的强度极限。

图3-7 低碳钢压缩

图3-8是铸铁压缩与拉伸时的应力—应变曲线。铸铁是一种典型的脆性材料，压缩时的力学性质与拉伸时有较大差异，从图3-8可看出，此种材料拉伸与压缩时的弹性模量基本相同，但压缩时的强度极限σb是拉伸时的4～5倍，试件在变形不大的情形下突然破坏，破坏断面的法线与轴线约成45o～55o的倾角，表明试件沿斜截面因相对错动而破坏。

图3-8 铸铁压缩 低碳钢和铸铁目前仍是工程中使用最为广泛的典型的塑性与脆性材料，这两种材料表现出来的力学性质具有一定的代表性。一般认为，低碳钢及其他塑性材料是拉、压力学性质相同的材料，在了解其拉伸性质之后，不一定再去做压缩实验。铸铁所反映出的拉伸与压缩力学性质有较大的差异，对于其他脆性材料也有同样情形。脆性材料抗压强度高，价格低廉，宜于制成受压构件使用，特别是铸铁，坚固耐磨，高温熔融态时流动性很好，广泛用于浇铸制成的床身、机座等零部件。

综上所述，衡量材料力学性能的指标主要有：比例极限（或弹性极限）σp（σe）、屈服极限σs、强度极限σb、弹性模量E、延伸率δ和断面收缩率φ等。对很多金属来说，这些量往往受温度、热处理等条件的影响。表3-1中列出了几种常用材料在常温、静载下σs、σb和δ的数值。

表3-1 几种常用材料的力学性质 材料名称 牌号 Q215 普通碳素钢 Q235 Q275 15 优质碳素结构钢 40 45 12Mn 16Mn 普通低合金结构钢 15 MnV 18MnMoNb 合金结构钢 40Cr 333～412 441～510 785 490～549 588～637 981 17～19 16～17 9 σs（MPa）或σ0.2 186～216 216～235 255～274 225 333 353 274～294 274～343 σb和（MPa） 333～412 373～461 490～608 373 569 598 432～441 471～549 δs（%） 26～31 25～27 19～21 27 19 16 19～21 19～21