金属的常规力学性能

3 金属的常规力学性能

课程目的之一：讨论金属材料在各种加载方式和环境（即服役条件）作用下变形和断裂的物

理实质、失效方式、抗力指标及主要影响因素。

机器零件承受着不同形式和大小的外力，为保证机器正常运转，要求零件必须具有一定的强度和塑性，如屈服强度、抗拉强度、断裂强度、冲击韧性、硬度、疲劳强度和蠕变强度，以及延伸率和断面收缩率等。这些指标统称为金属的力学性能，代表金属抵抗变形和断裂的能力。

本章将主要讨论金属在常温、空气介质、静载和冲击载荷作用下的力学性能。

3.1 加载方式和应力状态软性系数

在温度、环境介质和加载速度确定的条件下，材料的力学性能受加载方式（即应力状态）的影响。切应力主要引起塑性变形和导致韧性断裂，正应力容易导致脆性断裂。因此，研究金属的变形与断裂特征，需要研究在不同加载形式下，切应力和正应力的相对大小。在一般复杂应力状态下，最大切应力()2/31max σστ-=，而按最大正应变条件计算得的等效最大应力()321max σ+σμ-σ=σ。定义二者的比值 ()[]

32131max max 2σ+σμ-σσ-σ=στ=α α为软性系数。α越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，金属易于先产生塑性变形。反之，α值越小，表示应力状态越硬，则金属易于产生脆性断裂。几种典型加载方式的应力状态软性系数α值如表3-1所示。

表3-1 不同加载方式下的软性系数α值（μ=0.25）

由表3-1可知，三向等拉伸时应力状态最硬，因为其切应力分量为零。扭转时α接近1，属于较软的应力状态。单向压缩或多向压缩时，α都大于1，因此属于软性应力状态。当用某一特定的硬度头在工件表面施压测定硬度时，其应力状态相当于三向不等压缩。因此，硬度试验时的加载方式属于很软的应力状态。

单轴拉伸应力状态的软性系数（5.0=α）适中，所以只要材料固有的塑性较好，强度

不是太高，利用这种试验方法就能够较全面地显示材料的力学响应，即既能显示弹性变形，又能充分显示塑性和最后断裂，因而相应可标定出一系列对应的基本力学性能（强度和塑性）指标，为结构零部件的设计、选材以及制定材料的合理加工工艺提供必要的性能数据。因此，单轴拉伸是工程材料力学性能中最基本的试验方法。

3.2 金属的静拉伸力学性能

3.2.1 拉伸试验

1． 试验条件

如不特别注明，拉伸试验是指采用光滑试样，在室温、大气环境中，缓慢施加（应变速率≤10-1/s ）单向拉伸载荷作用，测定材料力学性能的方法。俗称静拉伸试验。

2． 试样

拉伸试验一般采用圆形或板状试样，如图3-1所示。试样的标距长度0l 。

图3-1 常用的拉伸试样 圆形试样：便于测量径向应变，试样加工简便。GB/T228-2002规定，长形试样：

0010d l =；短形试样：005d l =，0d 为试样的原始直径。

板状试样：用于测定板材和带材的拉伸性能。GB/T228-2002规定，长形试样：003.11S l =；短形试样：0065.5S l =，0S 为试样的原始截面积。

另外，国标还规定了可使用非比例试样。

3． 拉伸曲线

（1） 拉伸图

拉伸图：拉伸试验机通常带有自动纪录或绘图装置，以记录或绘制试样所受的载荷F 和伸长量l ∆之间的关系曲线，0l l l -=∆，其中l 为加载后标距间的长度。这种曲线通常称为拉伸图，见图3-2（a ）。

（2） 应力—应变曲线（拉伸曲线）：工程应力—工程应变曲线

应力—应变曲线（拉伸曲线）：工程应力—工程应变曲线，见图3-2（b ）。

工程应力：载荷除以试样的原始截面积得到，即0S F =σ；

工程应变：伸长量除以试样的原始标距长度，即0l l ∆=ε；

比较图3-2（a ）和（b ），两者具有相同或相似的形状，但坐标刻度不同，意义不同。

图3-2 低碳钢的拉伸图和应力—应变曲线

（3） 真应力—真应变曲线

应当指出，上述应力—应变曲线只是在弹性及小塑性变形范围内才近似真实地反映了材料对外加负荷的响应，而其不真实性随塑性变形量的增大而增大，一旦由宏观均匀塑性变形过渡到局部集中塑性变形（如在金属材料中的缩颈和高聚物中的细颈）现象后，则尤其不真实了。此时，用真应力—真应变曲线表征材料对外力的响应更合理。

真应力：用真实瞬间截面积S 除响应的载荷F ，即S F =σ真；

真应变：各瞬时应变的总和，即0112001ln 0l l l dl l l l l l l l l ==⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+-+-=ε⎰∑ 真 由真应力和真应变表示的应力—应变曲线

称为真应力—真应变曲线，如图3-3所示。由图

可见，在弹性变形阶段，由于应变较小，一般均

低于1%，且横向收缩小，因而真应力—真应变

曲线与工程（或称标称）应力—应变曲线基本重

合。随着应变的增大，两者的差增大，在试样标

距长度的某处出现颈缩后，塑性变形集中在颈缩

区，试样的截面积急剧减小，虽然工程应力随应

变增加而减小，但真应力仍然增大，此时真应力

和标称应力的差别才明显增大。

4． 几种典型的应力—应变曲线

由于材料具有不同的化学成分和微观组织，在相同的试验条件下，会显示出不同的应力—应变响应。一般，在金属、陶瓷和高聚物材料中，拉伸条件下的应力—应变曲线大致有五种类型（见图3-4）：

（1）纯弹性型：见图3-4（a ）。有这种σ-ε曲线的材料主要是大多数玻璃、陶瓷、岩石、横向交联很好的聚合物以及一些低温下的金属。

（2）弹性—均匀塑性型：见图3-4（b ）。有这种σ-ε曲线的材料主要是许多金属及合金、部分陶瓷和非晶态高聚物。应该指出，把部分非晶态高聚物归入此类只是按应力—应变

图3-3 真应力—真应变曲线