强度和塑性

1.1.1　强度和塑性

若载荷的大小不变或变动很慢，则称为静载荷。金属材料的强度、塑性是在静载荷作用下测定的。

1．强度

所谓强度，是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。由于所受载荷的形式不同，金属材料的强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗扭强度、抗剪强度等，各种强度之间有一定的联系。一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。

抗拉强度是通过拉伸试验测定的。拉伸试验的方法是用静拉伸力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。根据测得的数据，即可求出有关的力学性能。

（1）拉伸试样。为了使金属材料的力学性能指标在测试时能排除因试样形状、尺寸的不同而造成的影响，并便于分析比较，试验时应将被测金属材料制成标准试样。如图1-1所示为圆形标准拉伸试样。图中d₀是试样的直径，l₀是标距长度。根据标距长度与直径之间的关系，试样可分为长试样（l₀=10d₀）和短试样（l₀=5d₀）。

（2）力-伸长曲线。拉伸试验中记录的拉伸力与伸长的关系曲线叫做力-伸长曲线，也称为拉伸图。如图1-2所示是低碳钢的力-伸长曲线。图中纵坐标表示力F，单位为N；横坐标表示绝对伸长Δl，单位为mm。

图1-1　圆形标准拉伸试样

图1-2　低碳钢的力-伸长曲线

由图1-2可见，低碳钢在拉伸过程中，其载荷与变形关系有以下几个阶段：

1）弹性变形阶段（OE）：当载荷不超过F_e时，拉伸曲线OE为直线，即试样的伸长量与载荷成正比。如果卸除载荷，试样仍能恢复到原来的尺寸，即试样的变形完全消失。这种随载荷消失而消失的变形叫做弹性变形。

2）塑性变形阶段（ES）：当载荷超过F_e后，试样将进一步伸长，此时若卸除载荷，变形却不能消失，即试样不能恢复到原来的尺寸，这种载荷消失后仍继续保留的变形叫做塑性变形。当载荷达到F_s时，拉伸曲线出现了水平或锯齿形线段，这表明在载荷基本不变的情况下，试样却继续变形，这种现象称为“屈服”。引起试样屈服的载荷称为屈服载荷。

3）均匀变形阶段（SB）：当载荷超过F_s后，欲使材料继续变形，必须继续施力。随着塑性变形增大，材料形变抗力不成比例地逐渐增加，这种现象叫做形变强化或加工硬化。此阶段试样的变形是均匀发生的。

4）缩颈阶段（BK）：当载荷继续增加到某一最大值F_b时，试样的局部截面缩小，产生所谓的“缩颈”现象。由于试样局部截面的逐渐缩小，故载荷也逐渐降低，当达到拉伸曲线上的K点时，试样随即断裂。F_k为试样断裂时的载荷。

（3）强度指标。强度指标是用应力值来表示的。根据力学原理，试样受到载荷作用时，则内部产生大小与载荷相等而方向相反的抗力（即内力）。单位载面积上的内力，称为应力，用符号σ表示。

从拉伸曲线分析得出，有三个载荷值比较重要：第一个是弹性变形范围内的最大载荷F_e，第二个是最小屈服载荷F_s，第三个是最大载荷F_b。通过这三个载荷值，可以得出金属材料的三个主要强度指标。

1）弹性极限。是金属材料能保持弹性变形的最大应力，用σ_e表示，单位为MPa。

式中　F_e——弹性变形范围内的最大载荷（N）；

S₀——试样原始横截面积（mm²）。

2）屈服强度。是使材料产生屈服现象时的最小应力，用σ_S表示，单位为MPa。

式中　F_s——使材料产生屈服的最小载荷（N）。

对于低塑性材料或脆性材料，由于屈服现象不明显，因此这类材料的屈服强度常以产生一定的微量塑性变形（一般用变形量为试样长度的0.2%表示）的应力为屈服强度，用σ0.2表示，称为条件屈服强度。即：

式中　F_0.2——塑性变形量为试样长度的0.2%时的载荷（N）。

3）抗拉强度。试样断裂前所能承受的最大应力，用σb表示，单位为MPa。

式中　F_b——试样断裂前所能承受的最大载荷（N）。

低碳钢的屈服强度σs约为240MPa，抗拉强度σb约为400MPa。工程上所用的金属材料，不仅希望具有较高的σs，还希望具有一定的屈强比（σs/σb）。屈强比越小，结构零件的可靠性越高，万一超载也能由于塑性变形而使金属材料的强度提高，不至于立即断裂。但如果屈强比太小，则材料强度的有效利用率就太低。

2．塑性

金属发生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。在拉伸时它们分别为伸长率与断面收缩率。

（1）伸长率。伸长率是指试样拉伸断裂时的绝对伸长量与原始长度比值的百分率，用符号δ表示。即：

式中　l_k——试样拉断时的标距长度（mm）；

l₀——试样原始标距长度（mm）。

必须说明，伸长率的大小与试样的尺寸有关。试样的长短不同，测得的伸长率是不同的。长、短试样的伸长率分别用δ₁₀与δ₅表示。习惯上，δ₁₀也常写成δ。对于同一材料而言，短试样所测得的伸长率δ₅要比长试样所测得的伸长率δ₁₀大一些，两者不能直接比较。

（2）断面收缩率。断面收缩率是指试样拉断后，试样断口处的横截面积与原始横截面积比值的百分率，用符号ψ表示。即：

式中　S_k——试样断裂处的横截面积（mm²）；

S₀——试样原始横截面积（mm²）。

δ和ψ是材料的重要性能指标。它们的数值越大，材料的塑性越好。金属材料的塑性好坏，对零件的加工和使用有十分重要的意义。例如，低碳钢的塑性好，故可以进行压力加工；普通铸铁的塑性差，因而不便进行压力加工，只能进行铸造。同时，由于材料具有一定的塑性，故能够保证材料不致因稍有超载而突然破断，这就增加了材料使用的安全可靠性。