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材料力学性能

材料受力后就会产生变形，材料力学性能是指材料在受力时的行为。描述材料变形行为

的指标是应力σ和应变ε，σ是单位面积上的作用力，ε是单位长度的变形。描述材料力学

性能的主要指标是强度、延性和韧性。其中，强度是使材料破坏的应力大小的度量；延性是

材料在破坏前永久应变的数值；而韧性却是材料在破坏时所吸收的能量的数值。

1．弹性和刚度

材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值E=σ/ε（MN/m2）称为弹性模量。E标志着

材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。E值主要取决于各种材料的本性，一些处

理方法（如热处理、冷热加工、合金化等）对它影响很小。零件提高刚度的方法是增加横截

面积或改变截面形状。金属的E值随温度的升高而逐渐降低。

2．强度

在外力作用下，材料抵抗变形和破坏的能力称为强度。根据外力的作用方式，有多种强度指

标，如抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。当材料承受拉力时，强度性能指标主要是屈服强

度和抗拉强度。

（1）屈服强度σs

在图1-6（b）上，当曲线超过A点后，若卸去外加载荷，则试样会留下不能恢复的残余变

形，这种不能随载荷去除而消失的残余变形称为塑性变形。当曲线达到A点时，曲线出现

水平线段，表示外加载荷虽然没有增加，但试样的变形量仍自动增大，这种现象称为屈服。

屈服时的应力值称为屈服强度，记为σS。

有的塑性材料没有明显的屈服现象发生，如图1-6（c）所示。对于这种情况，用试样标距长

度产生0.2%塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，以σ0.2表示。

机械零件在使用时，一般不允许发生塑性变形，所以屈服强度是大多数机械零件设计时选材

的主要依据也是评定金属材料承载能力的重要机械性能指标。材料的屈服强度越高，允许的

工作应力越高，零件所需的截面尺寸和自身重量就可以较小。

（2）抗拉强度σb

材料发生屈服后，其应力与应变的变化如图1-1所示，到最高点应力达最大值σb。在这以

后，试样产生“缩颈”，迅速伸长，应力明显下降，最后断裂。最大应力值σb称为抗拉强度

或强度极限。它也是零件设计和评定材料时的重要强度指标。σb测量方便，如果单从保证

零件不产生断裂的安全角度考虑，可用作为设计依据，但所取的安全系数应该大一些。

屈服强度与抗拉强度的比值σS/σb称为屈强比。屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使

外载或某些意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。但屈强比过小，则材料强度的有效利

用率太低。

3．塑性

材料在外力作用下，产生永久残余变形而不被断裂的能力，称为塑性。塑性指标也主要是通

过拉伸实验测得的（图1-6）。工程上常用延伸率和断面收缩率作为材料的塑性指标。

（1）延伸率δ

试样在拉断后的相对伸长量称为延伸率，用符号δ表示，即

b

式中：L0试样原始标距长度；

L1试样拉断后的标距长度。

（2）断面收缩率ψ

试样被拉断后横截面积的相对收缩量称为断面收缩率，用符号ψ表示，即

式中：F0试样原始的横截面积；

F1试样拉断处的横截面积。

延伸率和断面收缩率的值越大，表示材料的塑性越好。塑性对材料进行冷塑性变形有重要意

义。此外，工件的偶然过载，可因塑性变形而防止突然断裂；工件的应力集中处，也可因塑

性变形使应力松弛，从而使工件不至于过早断裂。这就是大多数机械零件除要求一定强度指

标外，还要求一定塑性指标的道理。

材料的δ和ψ值越大，塑性越好。两者相比，用ψ表示塑性更接近材料的真实应变。

4．硬度

硬度是材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划裂的能力。通常材料的强度越高，硬度也越高。

硬度测试应用得最广的是压入法，即在一定载荷作用下，用比工件更硬的压头缓慢压入被测

工件表面，使材料局部塑性变形而形成压痕，然后根据压痕面积大小或压痕深度来确定硬度

值。从这个意义来说，硬度反映材料表面抵抗其它物体压入的能力。工程上常用的硬度指标

有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。

（1）布氏硬度HB

布氏硬度是用一定载荷P，将直径为D的球体（淬火钢球或硬质合金球），压入被测材料的

表面，保持一定时间后卸去载荷，根据压痕面积F确定硬度大小。其单位面积所受载荷称

为布氏硬度。

由于布氏硬度所用的测试压头材料较软，所以不能测试太硬的材料。当测试压头为淬火钢球