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第一章 金属的性能 第一节 金属的力学性能 一、强度 金属材料由于具有许多良好的性能，在机械制造业中，广泛地用于制造生产和生活用品。为了能够合理地选用金属材料，设计、制造出具有竞争力的产品，必须了解和掌握金属材料的性能。 金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括力学性能、物理性能、化学性能；工艺性能是指金属材料在制造加工过程中反映出来的各种性能，如铸造性能、锻造性能等。 金属的力学性能是指金属在力作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能。弹性是指物体在外力作用下改变其形状和尺寸，当外力卸除后物体又恢复到其原始形状和尺寸的特性。应力是指物体受外力作用后所导致物体内部之间相互作用的力（称为内力）与截面积的比值。应变是指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化，通常以百分数（%）表示。 金属受力的性质不同，将表现出各种不同的行为，显示出各种不同的力学性能。金属的力学性能主要有强度、塑性、冲击韧度、硬度和疲劳强度等。 金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用性质的不同，它可以分为静载荷、冲击载荷及循环载荷等三种。静载荷是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。 金属的抗拉强度和塑性是通过拉伸试验测定的。 (单击图片播放) 1．拉伸试样 在国家标准中，对拉伸试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定。通常采用圆柱形拉伸试样，如图1–1所示。 图中d0为标准试样的原始直径；l0为标准试样的原始标距长度。根据标距长度与直径之间的关系，拉伸试样可分为长试样（l0=10d0）和短试样（l0=5d0）两种。 2．力–伸长曲线 力-伸长曲线是指拉伸试验中记录的拉伸力F与试样伸长量ΔL之间的关系曲线，一般由拉伸试验机自动绘出。图1–2为低碳钢试样的力–伸长曲线，图中纵坐标表示力F，单位为N；横坐标表示试样伸长量ΔL，单位为mm。 观察力–伸长曲线，明显地表现出下面几个变形阶段： （1）oe——弹性变形阶段 （2）es——屈服阶段 （3）sb——冷变形强化阶段 （4）bk——缩颈与断裂阶段 工程上使用的金属材料，大多没有明显的屈服现象。有些脆性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”现象，如高碳钢、铸铁等。图1–3为铸铁的力–伸长曲线。 3．强度指标 （1）屈服点 在拉伸试验过程中，拉伸力不增加（保持恒定），试样仍然能继续伸长（变形）时的应力称为屈服点。用符号σs表示，单位为MPa。计算公式如下： σs= 式中 Fs——试样屈服时所承受的拉伸力，单位为N； S0——试样原始横截面积，单位为mm2。 对于无明显屈服现象的金属材料，按国家标准中的规定，可用屈服强度σ0.2表示。σ0.2是指试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长率达到0.2%时的应力。计算公式如下： σ0.2= 式中 F0.2——残余伸长率达0.2%时的拉伸力，单位为N； S0——试样原始横截面积，单位为mm2。 屈服点σs和屈服强度σ0.2是工程上极为重要的力学性能指标之一，是大多数机械零件设计和选材的依据，是评定金属材料性能的重要参数。零件在工作中所承受的应力，超过屈服点或屈服强度时，会因过量的塑性变形而失效。 （2）抗拉强度 试样在拉断前所承受的最大应力称为抗拉强度。用符号σb表示，单位为MPa。计算公式如下： σb= 式中 Fb——试样拉断前所承受的最大拉伸力，单位为N； S0——试样原始横截面积，单位为mm2。 零件在工作中所承受的应力，不应超过抗拉强度，否则会导致断裂。σb也是机械零件设计和选材的依据，也是评定金属材料性能的重要参数。 二、塑性 塑性是指金属材料在断裂前产生塑性变形的能力。通常用伸长率和断面收缩率来表示。 1．伸长率 试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比称为伸长率。用符号δ表示。δ值可用下式计算： δ= ×100% 式中 l1——拉断试样对接后测出的标距长度，单位为mm； l0——试样原始标距长度，单位为mm。 必须说明，同一材料的试样长短不同，测得的伸长率数值是不相等的。长试样和短试样的伸长率分别用符号δ10和δ5表示，习惯上δ10也写成δ。 2．断面收缩率 试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。用符号ψ表示。ψ值可用下式计算： ψ= ×100%