第一章材料在单向静拉伸下的力学性能
大家在材料力学中做过实验，用的是标准光滑圆柱试样，这是最常用的试样，有时也用标准板状试样也叫板装试验。单向静拉伸实验是金属材料力学性能测试中最重要的方法之一。为了准确测出各项拉伸性能指标，该方法对实验速度，温度及应力状态做了如下规定：
1）试验速度：反映了试样应变速率的大小，应变速率增大，金属的强度增加。特别是屈服点规定微量塑性伸长应力读变形速度的大小很敏感，因此，对拉伸试验速度应注意控制。
试验速度大体上相当于试验机夹移动速率。对各项拉伸性能指标测定，都有一定的试验速度控制。比如在测屈服点时，一般规定ε应控制在0.00025--0.0025/s范围内。
2）试验温度：一般在10--35℃温度下进行
3）应力状态：单向拉伸应力状态
σ1>0;σ2=σ3=0
单向拉伸试验时，在试样两端施加载荷，使试样的工作部分受轴向拉力沿轴向伸长，一般进行到拉断为止。其试验过程一般经历三种失效形式，即过量弹性变形，塑性变形和断裂。测定试样对外加载荷的抗力，可以求出材料的强度指标，测定试样在破断后塑性变形的大小，求出材料的塑性指标。这些性能指标都具有一定的实用意义，是设计指标，材料选择，工程评定及材料检验的主要依据。本章将介绍这些性能指标的物理概念及实用意义，讨论上述三种失效形式的基本规律和原理。
重点：材料在静拉伸时的力学行为概述
一应力和应变
应力和应变，大家不会陌生，这是本门课程最基本也是最重要的概念，我们一起来复习一下。应力——物体承受外加载荷作用时单位截面积上的内力。单位：MPa
正应力：垂直于作用平面的法向载荷产生的
切应力：平行于作用平面的切向载荷产生的
应变——单位长度上的绝对伸长
1.条件应力与其实应力
条件应力（工程应力）——σ=P/F。载荷P除以试样原始截面积F。
P—拉伸载荷；F。—原始截面积；
其实应力——载荷P除以试样某一变形瞬时截面积F ：
S=P/F；
在拉伸过程中F
由于F=F。-ΔF=F。（ 1-ΔF/F。）=F。（1-4）；
所以 S=P/F=P/F。（1-4）=σ/（1-4）；
可是，拉伸时随着值增加，S与σ的差值逐渐增大。
2.条件应变与其实应变
1)条件应变（条件相对伸长）——条件相对断面收缩；
条件应变（工程应变）即条件相对伸长——ε=(l-l。）/l。；
l o——试样原始标距长度；
l——试样在载荷P作用下的标距长度；
条件相对断面收缩——ψ=（F。-F）/F。
F。——试样原始截面积；
F——试样在载荷P作用下的面积；
2）其实应变——瞬时伸长dl与瞬时长度l之比的积分值。
其实应变与条件应变的关系：
e=㏑l/l。=㏑(1+ε);
ψe=㏑F/F。=㏑（1-ψ）；
ε和ψe的数值才比较接近，在其他情况下，ε值最大，ψ值最小。ψ与e之差要比ε和e 之差小。可是，条件应变中的ψ要比ε更接近于其实应变e(ψe)。
条件切应变——切向载荷引起的切位移a与相邻两截面间的距离h之比，也等于试样转动角度θ的正切:
r=a/h=tanθ
二、应力应变状态
（一）应力应变状态的表示方法
应力状态——某点的应力变化情况为该点的应力状态。构件受力后，通过其内任意一点的各个截面上在该点处的应力情况，称为该点处的应力状态。
应变状态——某点的应变变化情况，称为该点的应变状态。一般是取一单元六面体，作用在单元体上的应力分量共有九个，其中六个为切应力分量，三个为正应力分量。具有六个独立的应力分量。描述一点的应力状态用张量表示为：的
切应力的脚标，第一个表示力所作用平面的法线方向，第二个表示力的作用方向。
同理，任一点的应变状态也可以用九个应变分量来表示，具有六个独立的应变分量，其张量表示式为：的
应力应变分量之间的关系：遵循广义虎克定律:
εx=1/E[σx-μ(σy+σz)];
εy=1/E[σy-μ(σx+σz)];
εz=1/E[σz-μ(σx+σz)];
r xy=ζxy/G;
r xz=ζxz/G;
r yx=ζyz/G;
其中：E——正弹性模数，G——切弹性模数,μ——泊松系数；
结论：1）不同取向的单元体，应力分量不同；
2）不同取向单元体，总的应力效果相同，即张量（σ）不变;
由以上结论，我们可以找到这样一个特殊的单元体（主单元体）只存在正应力，没有切应力，此时有两个概念，即：
主平面——切应力等于零的平面;
主应力——在主平面上作用的三个应力，用σ1、σ2、σ3表示，且规定σ1>σ2>σ3;其中σ1最大，称第一主应力,σ2次之，称第二主应力；σ3最小，称第三主应力。因此，任一点的英里状态，可用三个点的主应力来表示，即：的
显然主单元体上也只有三个主应变，此时，应变张量为：
的（三个主应变）
此时，虎克定律为：
ε1=1/E[σ1-μ(σ2+σ3)];
ε2=1/E[σ2-μ(σ1+σ3)];
ε3=1/E[σ3-μ(σ2+σ1)];
主应力，主应变状态下，应力应变分量最大，故一般总是以此为分析基础，处理起来比较简单。
依据主应力数值不同，一般可分为单向，双向，三向应力状态。
１.单向应力状态
a．单向拉伸应力状态:
σ1＞0;σ2=σ3=0;
b.单向压缩应力状态
２．双向应力状态
对平面拉伸应力状态，有两个主应力，三个主应变。
薄板裂纹或缺口前端就是这种应力状态。
３．三向应力状态
a.三向拉伸应力状态
b.平面应变应力状态
即平面应变应力状态是三向拉应力状态的一个特例。在厚板裂纹尖端常是这种应力状态，裂纹当量扩展：
由此可以说明：不同加载方式下，应力状态是不同的；反之，不同的应力状态也说明加载状态不同。
（二）应力状态软性系数
在外力作用下金属的任一点的应力，可以用截面上的正应力分量和切应力分量来表示。随着截面方位的不同，其正应力和切应力相对值也不同。其中某一截面上的正应力最大，即为该点应力的最大正应力分量。另一截面上切应力最大，即为该点应力的最大切应力分量。如单向拉伸试验时，垂直截面上正应力最大，为σ°；４５度方向截面切应力最大，为1/2 σ°。所以拉伸时其应力的最大正应力和切应力分别为σ和1/2σ°对于一般复杂的应力状态，其相当最大正应力和切应力。可根据力学第二强度理论和第三强度理论求解。即
ζmax——用第三强度理论（最大切应力理论）:
ζmax=(σ1-σ3)/2;
σmax——用第二强度理论（最大伸长线应变理论）:
σmax=σ1-μ(σ2+σ3);
一般用二者的比值表示他们的相对大小，叫做应力状态软性系数。即：
α=ζmax/σmax
对钢铁材料来讲α=(σ1-σ3)/[2σ1-0.5(σ2+σ3)];
金属在变形和断裂过程中，正应力和切应力的作用是不同的。只有切应力才能起到塑性变形和韧性断裂，而正应力一般只引起脆性断裂。因此，我们可以根据金属受力的应力状态的值去分析判断金属塑性变形和断裂的情况。也就是说，计算值是为评定塑性变形难易程度，值越大，材料的塑性变形越强，材料的塑性就越好；反之，值越小，则金属易脆断。常见的几种加载方式的应力状态软性系数如P7及表1-1。
三.拉伸曲线与应力应变曲线
一般试验机都带有自动记录装置，可把作用在试样上的力和所引起的伸长自动记录下来，绘出载荷——伸长曲线，这种曲线叫做拉伸曲线或拉伸图。如P8，1-2图。
《工程材料力学性能》课后答案 机械工业出版社 2008第2版 第一章 单向静拉伸力学性能 1、 试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别？为什么？ 2、 决定金属屈服强度的因素有哪些？【P12】 答：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。 外在因素：温度、应变速率和应力状态。 3、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？【P21】 答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。 4、 剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？【P23】 答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断裂通常是脆性断裂。 5、 何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？ 答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。 6、 论述格雷菲斯裂纹理论分析问题的思路，推导格雷菲斯方程，并指出该理论的局限性。 【P32】 答： 212?? ? ??=a E s c πγσ，只适用于脆性固体,也就是只适用于那些裂纹尖端塑性变形可以忽略的情况。 第二章 金属在其他静载荷下的力学性能 一、解释下列名词： （1）应力状态软性系数—— 材料或工件所承受的最大切应力τ max 和最大正应力σmax 比值，即： () 32131max max 5.02σσσσσστα+--== 【新书P39 旧书P46】 （2）缺口效应—— 绝大多数机件的横截面都不是均匀而无变化的光滑体，往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等，这种截面变化的部分可视为“缺口”，由于缺口的存在，在载荷作用下缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的缺口效应。【P44 P53】 （3）缺口敏感度——缺口试样的抗拉强度σbn 的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σ b 的比值，称为缺口敏感度，即： 【P47 P55 】 （4）布氏硬度——用钢球或硬质合金球作为压头，采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。【P49 P58】 （5）洛氏硬度——采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度所表示的硬度 【P51 P60】。 （6）维氏硬度——以两相对面夹角为136。的金刚石四棱锥作压头，采用单位面积所承受
金属材料的力学性能 任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。这种能力就是材料的力学性能。金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标。 钢材力学性能是保证钢材最终使用性能（机械性能）的重要指标，它取决于钢的化学成分和热处理制度。在钢管标准中，根据不同的使用要求，规定了拉伸性能（抗拉强度、屈服强度或屈服点、伸长率）以及硬度、韧性指标，还有用户要求的高、低温性能等。 金属材料的机械性能 1、弹性和塑性： 弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力 去掉后能恢复其原来形状的性能。力和变形同时存在、同时消失。如弹簧：弹簧靠弹性工作。 塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。（金属之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。 塑性变形：在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。 2、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。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，单位为MPa。 工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。拉伸图：金属材料在拉伸过程中弹性变形、塑性变形直到断裂的全部力学性能可用拉伸图形象地表示出来。 材料在常温、静载作用下的宏观力学性能。是确定各种工程设计参数的主要依据。这些力学性能均需用标准试样在材料试验机上按照规定的试验方法和程序测定，并可同时测定材料的应力- 应变曲线。 对于韧性材料，有弹性和塑性两个阶段。弹性阶段的力学性能有： 比例极限：应力与应变保持成正比关系的应力最高限。当应力小于或等于比例极限时，应力与应变满足胡克定律，即应力与应变成正比。 弹性极限：弹性阶段的应力最高限。在弹性阶段内，载荷除去后，变形全部消失。这一阶段内的变形称为弹性变形。绝大多数工程材料的比例极限与弹性极限极为接近，因而可近似认为在全部弹性阶段内应力和应变均满足胡克定律。 塑性阶段的力学性能有： 屈服强度：材料发生屈服时的应力值。又称屈服极限。屈服时应力不增加但应变会继续增加。 屈服点：具有屈服现象的金属材料，试样在拉伸过程中力不增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力，称屈服点。若力发生下降时，则应区分上、下屈服点。屈服点的单位为 N/mm2（MPa）。 上屈服点（Re H）:试样发生屈服而力首次下降前 的最大应力； 下屈服点（Re L）：当不计初始瞬时效应时，屈服阶段中的最小应力。 条件屈服强度：某些无明显屈服阶段的材料，规定产生一定塑性应变量（例如0.2 ％）时的应力值，作为条件屈服强度。应力超过屈服强度后再卸载，弹性变形将全部消失，但仍残留部分不可消失的变形，称为永久变形或塑性变形。 规定非比例延伸强度（Rp）:非比例延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力，例如Rp0.2 表示规定非比例延伸率为0.2%时的应力。 规定总延伸强度（Rt ）：总延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力。例如Rt0.5 表示规定总延伸率为
静拉伸试验 一、实验目的 1、测45#钢的屈服强度s σ、抗拉强度m R 、断后伸长率δ和断面收缩率ψ。 2、测定铝合金的屈服强度s σ、抗拉强度m R 、断后伸长率δ和断面收缩率ψ。 3、观察并分析两种材料在拉伸过程中的各种现象。 二、使用设备 微机控制电子万能试验机、0.02mm 游标卡尺、试验分化器 三、试样 本试样采用经过机加工直径为10mm 左右的圆形截面比例试样，试样成分分别为铝合金和45#，各有数支。 四、实验原理 按照我国目前执行的国家 GB/T 228—2002标准—《金属材料 室温拉伸试验方法》的规定，在室温1035℃℃的范围内进行试验。将试样安装在试验机的夹头当中，然后开动试验机，使试样受到缓慢增加的拉力（一般应变速率应≤0.1m/s ），直到拉断为止，并且利用试验机的自动绘图装置绘出材料的拉伸图。 试验机自动绘图装置绘出的拉伸变形L ?主要是整个试样，而不仅仅是标距部分的伸长，还包括机器的弹性变形和试样在夹头中的滑动等因素，由于试样开始受力时，头部在头内的滑动较大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。 塑性材料与脆性材料的区别： （1）塑性材料： 脆性材料是指断后伸长率5%δ≥的材料，其从开始承受拉力直至试样被拉断，变形都比较大。塑性材料在发生断裂时，会发生明显的塑性变形，也会出现屈服和颈缩等现象； （2）脆性材料： 脆性材料是指断后伸长率5%δ<的材料，其从开始承受拉力直至试样被拉断，变形都很小。并且，大多数脆性材料在拉伸时的应力—应变曲线上都没有明显的直线段，几乎没有塑性变形，在断裂前不会出现明显的征兆，不会出现屈服和颈缩等现象，只有断裂时的应力值—强度极限。 脆性材料在承受拉力、变形记小时，就可以达到m F 而突然发生断裂，其抗拉强度也远远 小于45钢的抗拉强度。同样，由公式0m m R F S =即可得到其抗拉强度，而根据公式，10 l l l δ-=。 五、实验步骤 1、试样准备 用笔在试样间距0L （10cm ）处标记一下。用游标尺测量出中间横截面的平均直径，并且测出试样在拉伸前的一个总长度L 。 2、试验机准备：
金属力学性能复习 一、填空题 1.静载荷下边的力学性能试验方法主要有拉伸试验、弯曲试验、扭转试验和压缩试验等。 2. 一般的拉伸曲线可以分为四个阶段：弹性变形阶段、屈服阶段、均匀塑性变形阶段和非均匀塑性变形阶段。 3. 屈服现象标志着金属材料屈服阶段的开始，屈服强度则标志着金属材料对开始塑性变形或小量塑性变形能力的抵抗。 4. 屈强比：是指屈服强度和抗拉强度的比值，提高屈强比可提高金属材料抵抗开始塑性变形的能力，有利于减轻机件和重量，但是屈强比过高又极易导致脆性断裂。 5. 一般常用的的塑性指标有屈服点延伸率、最大力下的总延伸率、最大力下的非比例延伸率、断后伸长率、断面收缩率等，其中最为常用的是断后伸长率和断面收缩率 。 6. 金属材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力称为金属材料的韧性。一般来说，韧性包括静力韧性、冲击韧性和断裂韧性。 7. 硬度测试的方法很多，最常用的有三种方法：布氏硬度测试方法、络氏硬度的试验方法和维氏硬度实验法。 8. 金属材料制成机件后，机件对弹性变形的抗力称为刚度。它的大小和机件的截面积及其弹性模量成正比，机件刚度=E ·S. 9. 金属强化的方式主要有：单晶体强化、晶界强化、固溶强化、以及有序强化、位错强化、分散强化等（写出任意3种强化方式即可）。 10. 于光滑的圆柱试样，在静拉伸下的韧性端口的典型断口，它由三个区域组成：纤维区、放射区、剪切唇区。 11. 变形速率可以分为位移速度和应变速度。 二、判断题 1.在弹性变形阶段，拉力F 与绝对变形量之间成正比例线性关系;（√） 若不成比例原因，写虎克定律。 2.在有屈服现象的金属材料中，其试样在拉伸试验过程中力不断增加（保持恒定）仍能继续伸长的应力，也称为抗服强度。（×） 不增加，称为屈服强度。 3.一般来讲，随着温度升高，强度降低，塑性减小。（×） 金属内部原子间结合力减小，所以强度降低塑性增大。 4.络氏硬度试验采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后卸除主实验力，以测量压痕的深度来计算络氏硬度。压入深度越深，硬度越大，反之，硬度越小。（×） 络氏硬度公式 5.金属抗拉强度b σ与布氏硬度HB 之间有以下关系式：b σ＝KHB ，这说明布氏硬度越大，其抗拉强度也越大。（√） 6.弹性模量E 是一个比例常数，对于某种金属来说，它是一种固有的特性。（√） 7.使用含碳量高（含碳量为）的钢，不能提高机件吸收弹性变形功。（×） 8.脆性断裂前不产生明显的塑性变形，即断裂产生在弹性变形阶段，吸收的能量很小，这种
§8-4 材料在拉伸与压缩时的力学性能 一、材料力学性能的概念 结构构件或机械零件总是由某一种材料制作的。例如，土木工程结构中常用混凝土、砖石、钢材或木材作为构件材料；机械设备常用金属（通常是钢）作为一个零件的材料。之所以选择某种特定的材料，一个重要的原因是，这种材料的力学性能能够满足工程实际的需要。当然，经济性和其他方面的功能性也是选择材料的重要依据。 材料的力学性能又称材料的机械性能，属于材料物理性能的一个重要部分，是材料在力（或应力）的作用下所表现出来的变形与破坏方面的性质，具体包括弹性变形、塑性变形、蠕变、断裂、疲劳、硬度等一系列的性能。 材料的力学性能是由材料内部的微观结构决定的。研究材料内部的微观结构与材料的力学性能之间的关系，这属于材料学的研究范畴，材料力学一般不作研究。但是，材料的某些力学性能指标，却是材料力学讨论强度、刚度和稳定性问题的起点，因此，有必要理解这些指标的含义和了解其获取方法。 材料力学中最为常用的材料力学性能指标包括：①强度指标——屈服极限和强度极限；②弹性常数——弹性模量、切变模量和泊松比。另有断裂韧度及疲劳极限等指标将在以后作出解释。 二、低碳钢的拉伸试验（GB/T 228-2002） 由于金属材料在各类工程中较为常用，低碳钢作为一种常用金属材料又可以在其关于拉伸的力学性能测试中很好的展示屈服极限、强度极限、弹性模量等力学性能指标的概念和获取方法，以下将按国家标准《GB/T 228-2002 金属材料室温拉伸试验方法》中规定的程序，简要描述低碳钢（Q235A级碳素结构钢，参见国家标准《GB/T 700-2006 碳素结构钢》）的拉伸试验过程及其主要结果。
《高分子材料的拉伸性能测试》实验指导书 一、实验目的 1、测试热塑性塑料拉伸性能。 2、掌握高分子材料的应力—应变曲线的绘制。 4、了解塑料抗张强度的实验操作。 二、实验原理 拉伸试验是材料最基本的一种力学性能试验方法，可以得到材料的各种拉伸性能，包括拉伸强度、弹性模量、泊松比、伸长率、应力-应变曲线等。拉伸试验是指在规定的温度、湿度和试验速度下，在试样上沿纵轴方向施加拉伸载荷使其破坏，此时材料的性能指标如下： 1.拉伸强度为： (1) 式中σ--拉伸强度，MPa; P---破坏载荷（或最大载荷)，N; b---试样宽度，cm; h---试样厚度，cm. 2.拉伸破坏(或最大载荷处)的伸长率为： (2) 式中ε---试样拉伸破坏(或最大载荷处)伸长率，%; ΔL0-破坏时标距内伸长量，cm; L0---测量的标距，cm, 3.拉伸弹性模量为： (3) 式中E t---拉伸弹性模量，MPa； ΔP—荷载-变形曲线上初始直线段部分载荷量，N； ΔL0—与载荷增量对应的标距内变形量，cm。 4.拉伸应力-应变曲线 如果材料是理想弹性体，抗张应力与抗张应变之间的关系服从胡克定律，即：σ = Eε 式中: E－杨氏模量或拉伸模量；σ－应力；ε－应变
聚合物材料由干本身长链分子的大分子结构持点，使其具有多重的运动单元，因此不是理想的弹性体，在外力作用下的力学行为是一个松弛过程，具有明显的粘弹性质。拉伸试验时因试验条件的不同，其拉伸行为有很大差别。起始时，应力增加，应变也增加，在A点之前应力与应变成正比关系，符合胡克定律，呈理想弹性体。A点叫做比例极限点。超过A点后的一段，应力增大，应变仍增加，但二者不再成正比关系，比值逐渐减小；当达到Y点时，其比值为零。Y点叫做屈服点。此时弹性模最近似为零，这是一个重要的材料持征点。对塑料来说，它是使用的极限。如果再继续拉伸，应力保持不变甚至还会下降，而应变可以在一个相当大的范围内增加，直至断裂。断裂点的应力可能比屈服点应力小，也可能比它大。断裂点的应力和应变叫做断裂强度和断裂伸长率。 高分子材料是多种多样的，它们的应力—应变曲线也是多样的并且受外界条件的极大影响。 材料的应力—应变曲线下的面积，表示其反抗外力时所做的功，因此根据应力－应变曲线的形状就可以大致判断出该材料的强度和韧性。
§2-3 材料在拉伸与压缩时的力学性能 材料的力学性能：也称机械性能。通过试验揭示材料在受力过程中所表现出的与试件几何尺寸无关的材料本身特性。如变形特性，破坏特性等。研究材料的力学性能的目的是确定在变形和破坏情况下的一些重要性能指标，以作为选用材料，计算材料强度、刚度的依据。因此材料力学试验是材料力学课程重要的组成部分。 此处介绍用常温静载试验来测定材料的力学性能。 1. 试件和设备 标准试件：圆截面试件，如图2-14：标距l 与直径的比例分为，d d l 10=，； d l 5=板试件（矩形截面）：标距l 与横截面面积的比例分为，A A l 3.11=，A l 65.5=； 试验设备主要是拉力机或全能机及相关的测量、记录仪器。 详细介绍见材料力学试验部分。国家标准《金属拉伸试验方法》（如GB228-87）详细规定了实验 方法和各项要求。 2. 低碳钢拉伸时的力学性能 低碳钢是指含碳量在0.3%以下的碳素钢， 如A 3钢、16Mn 钢。 1）拉伸图（P —ΔL ），如图2-15所示。 弹性阶段（oa ） 屈服（流动）阶段（bc ） 强化阶段（ce ）由于P —ΔL 曲线与试样 的尺寸有关，为了消除试件尺寸的影响，可采用 应力应变曲线，即εσ?曲线来代替P —ΔL 曲 线。进而试件内部出现裂纹，名义应力下跌， 至f 点试件断裂。 σ对低碳钢来说，s σ，b σ是衡量材料强度的重要指标。 2）εσ?曲线图，如图2-16所示，其各特征点的含义为： oa 段：在拉伸（或压缩）的初始阶段应力σ与应变ε为直线关系直至a 点，此时a 点所对应的
应力值称为比例极限，用P σ表示。它是应力与应变成正比例的最大极限。当P σσ≤ 则有 εσE = （2-5） 即胡克定律，它表示应力与应变成正比，即有 αε σtan == E E 为弹性模量，单位与σ相同。 当应力超过比例极限增加到b 点时， 关系偏离直线，此时若将应力卸至 零，则应变随之消失（一旦应力超过b 点，卸载后，有一部分应变不能消除），此b 点的应力定义为弹性极限ε?σe σ。 e σ是材料只出现弹性变形的极限值。 bc 段：应力超过弹性极限后继续加载， 会出现一种现象，即应力增加很少或不增 加，应变会很快增加，这种现象叫屈服。开始发生屈服的点所对应的应力叫屈服极限s σ。又称屈服强度。在屈服阶段应力不变而应变不断增加，材料似乎失去了抵抗变形的能力，因此产生了显著的塑性变形（此时若卸载，应变不会完全消失，而存在残余变形）。所以s σ是衡量材料强度的重要指标。 表面磨光的低碳钢试样屈服时，表面将出现与轴线成45°倾角的条纹，这是由于材料内部晶格相对滑移形成的，称为滑移线，如图2-17所示。 ce 段：越过屈服阶段后，如要让试 件继续变形，必须继续加载，材料似乎 强化了，ce 段即强化阶段。应变强化阶 段的最高点（e 点） 所对应的应力称为强度极限b σ。 它表示材料所能承受的最大应力。过e 点后，即应力达到强度极限后，试件局部发生剧烈收缩的现象，称为颈缩，如图2-18所示。 3）延伸率和截面收缩率 为度量材料塑性变形的能力，定义 延伸率为
第1章工程材料 1.1 金属材料的力学性能 金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、导热性、导电性等）和化学性能（耐蚀性、抗氧化性等）。工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺（如：铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等）应具备的性能。 金属材料的力学性能是指金属材料在载荷作用时所表现的性能。 1.1.1 强度 金属材料的强度、塑性一般可以通过金属拉伸试验来测定。 １．拉伸试样 图1.1.1拉伸试样与拉伸曲线 ２．拉伸曲线 拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力 F时，拉伸曲线Ｏｐ为一直线，即试样的伸长量与载荷学特性。当载荷不超过 p 成正比地增加，如果卸除载荷，试样立即恢复到原来的尺寸，即试样处于弹性变形阶段。载荷在Ｆｐ－Ｆｅ间，试样的伸长量与载荷已不再成正比关系，但若卸除载荷，试样仍然恢复到原来的尺寸，故仍处于弹性变形阶段。当载荷超过Ｆｅ后，试样将进一步伸长，但此时若卸除载荷，弹性变形消失，而有一部分变形当载荷增加到Ｆｓ时，试样开始明显的塑性变形，在拉伸曲线上出现了水平的或锯齿形的线段，这种现象称为屈服。当载荷继续增加到某一最大值Ｆｂ时，试样的局部截面缩小，产生了颈缩现象。由于试样局部截面的逐渐减少，故载荷也逐渐降低，试样就被拉断。 ３．强度 强度是指金属材料在载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。
（１） 弹性极限 金属材料在载荷作用下产生弹性变形时所能承受的最大应力称为弹性极限，用符号σｅ 表示： （２） 屈服强度金属材料开始明显塑性变形时的最低应力称为屈服强度 在拉伸试验中不出现明显的屈服现象，无法确定其屈服点。所以国标中规定，以试样塑性变形量为试样标距长度的０．２％时，材料 承受的应力称为“条件屈服强度”，并以符号 σ０．２ 表示。 １.1.2 塑性 金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。常用的塑性指标有伸长率δ 和断面收缩率ψ。 １．伸长率 试样拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称为伸长率，用δ表示： ２．断面收缩率 试样拉断后，标距横截面积的缩减量与原横截面积的百分比称为断面收缩率，，用ψ表示： 1.1.3 硬度
材料力学性能拉伸试验报告 材化08 李文迪 40860044
[试验目的] 1. 测定低碳钢在退火、正火和淬火三种不同热处理状态下的强度与塑性性能。 2. 测定低碳钢的应变硬化指数和应变硬化系数。 [试验材料] 通过室温拉伸试验完成上述性能测试工作，测试过程执行GB/T228-2002:金属材料室温拉伸试验方法： 1.1试验材料：退火低碳钢，正火低碳钢，淬火低碳钢的R4标准试样各一个。 1.2热处理状态及组织性能特点简述： 1.2.1退火低碳钢：将钢加热到Ac3或Ac1以上30-50℃，保温一段时间后，缓慢而均匀 的冷却称为退火。 特点：退火可以降低硬度，使材料便于切削加工，并使钢的晶粒细化，消除应力。1.2.2正火低碳钢：将钢加热到Ac3或Accm以上30-50℃，保温后在空气中冷却称为正 火。 特点：许多碳素钢和合金钢正火后，各项机械性能均较好，可以细化晶粒。 1.2.3淬火低碳钢：对于亚共析钢，即低碳钢和中碳钢加热到Ac3以上30-50℃，在此 温度下保持一段时间，使钢的组织全部变成奥氏体，然后快速冷却（水冷或油冷），使奥氏体来不及分解而形成马氏体组织，称为淬火。 特点：硬度大，适合对硬度有特殊要求的部件。 1.3试样规格尺寸：采用R4试样。 参数如下：
1.4公差要求 [试验原理] 1.原理简介：材料的机械性能指标是由拉伸破坏试验来确定的，由试验可知弹性阶段 卸荷后，试样变形立即消失，这种变形是弹性变形。当负荷增加到一定值时，测力度盘的指针停止转动或来回摆动，拉伸图上出现了锯齿平台，即荷载不增加的情况下，试样继续伸长，材料处在屈服阶段。此时可记录下屈服强度R 。当屈服到一定 eL 程度后，材料又重新具有了抵抗变形的能力，材料处在强化阶段。此阶段：强化后的材料就产生了残余应变，卸载后再重新加载，具有和原材料不同的性质，材料的强度提高了。但是断裂后的残余变形比原来降低了。这种常温下经塑性变形后，材料强度提高，塑性降低的现象称为冷作硬化。当荷载达到最大值Rm后，试样的某一部位截面开始急剧缩小致使载荷下降,至到断裂。 [试验设备与仪器] 1.1试验中需要测得： （1）连续测量加载过程中的载荷R和试样上某段的伸长量（Lu-Lo）数据。（有万能材料试验机给出应力-应变曲线） （2）两个个直接测量量：试样标距的长度 L o；直径 d。 1.2试样标距长度与直径精度：由于两者为直接测量量，工具为游标卡尺，最高精度为 0.02mm。 1.3检测工具：万能材料试验机 WDW-200D。载荷传感器，0.5级。引伸计，0.5级。 注1：应力值并非试验机直接给出，由载荷传感器直接测量施加的载荷值，进而转化成工程应力，0.5级，即精确至载荷传感器满量程的1/500。 注2：连续测试试样上某段的伸长量由引伸计完成，0.5级，即至引伸计满量程的1/50。
第3讲教学方案——材料在拉伸与压缩时的力学性能许用应力与强度条件
§2-3 材料在拉伸与压缩时的力学性能 材料的力学性能：也称机械性能。通过试验揭示材料在受力过程中所表现出的与试件几何尺寸无关的材料本身特性。如变形特性，破坏特性等。研究材料的力学性能的目的是确定在变形和破坏情况下的一些重要性能指标，以作为选用材料，计算材料强度、刚度的依据。因此材料力学试验是材料力学课程重要的组成部分。 此处介绍用常温静载试验来测定材料的力学性能。 1. 试件和设备 标准试件：圆截面试件，如图2-14：标距l 与直径d 的比例分为，d l 10=，d l 5=； 板试件（矩形截面）：标距l 与横截面面积A 的比例分为，A l 3.11=，A l 65.5=； 试验设备主要是拉力机或全能机及相关的测量、记录仪器。 详细介绍见材料力学试验部分。国家标准《金属拉伸试验方法》（如GB228-87）详细规定了实验 方法和各项要求。 2. 低碳钢拉伸时的力学性能 低碳钢是指含碳量在0.3%以下的碳素钢，如A 3钢、16Mn 钢。 1）拉伸图（P —ΔL ），如图2-15所示。 弹性阶段（oa ） 屈服（流动）阶段（bc ） 强化阶段（ce ）由于P —ΔL 曲线与试样的尺寸有关，为了消除试件尺寸的影响，可采用应力应变曲线，即εσ-曲线来代替P —ΔL 曲线。进而试件内部出现裂纹，名义应力σ下跌，至f 点试件断裂。 对低碳钢来说，s σ，b σ是衡量材料强度的重要指标。 2）εσ-曲线图，如图2-16所示，其各特征点的含义为： oa 段：在拉伸（或压缩）的初始阶段应力σ与应变ε为直线关系直至a 点，此时a 点所对应的
目录 摘要 (1) 1引言 (1) 2金属材料的力学性能简介 (2) 2.1 强度 (2) 2.2 塑性 (2) 2.3 硬度 (2) 2.4 冲击韧性 (3) 2.5 疲劳强度 (3) 3金属材料力学性能测试方法 (3) 3.1拉伸试验 (3) 3.2压缩试验 (6) 3.3扭转试验 (8) 3.4硬度试验 (11) 3.5冲击韧度试验 (16) 3.6疲劳试验 (19) 4常用的仪器设备简介 (20) 4.1万能试验机 (20) 4.2扭转试验机 (23) 4.3摆锤式冲击试验机 (28) 5金属材料力学性能测试方法的发展趋势 (30) 参考文献 (30)
金属材料的力学性能及其测试方法 摘要：金属的力学性能反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力，它与材料的失效形式息息相关。本文主要解释了金属材料各项力学性能的概念，介绍了几个常见的测试金属材料力学性能的试验以及相关的仪器设备，最后阐述了金属材料力学性能测试方法的发展趋势。 关键词：金属材料，力学性能，测试方法，仪器设备，发展趋势 Test Methods for The Mechanical Properties of Metal Material Abstract：The mechanical properties of metal material which reflect some abilities of deformation and fracture resistance under various external forces are closely linked with failure forms. This paper mainly introduces some concepts of mechanical properties of metal material, common experiments testing mechanical properties of metal material and apparatuses used. The trend of development of test methods for mechanical properties of metal material is also discussed. Keywords：metal material，mechanical properties，test methods，apparatuses，development trend 1引言 材料作为有用的物质，就在于它本身所具有的某种性能，所有零部件在运行过程中以及产品在使用过程中，都在某种程度上承受着力或能量、温度以及接触介质等的作用，选用材料的主要依据是它的使用性能、工艺性能和经济性，其中使用性能是首先需要满足的，特别是针对性的材料力学性能往往是材料设计和使用所追求的主要目标。材料性能测试与组织表征的目的就是要了解和获知材料的成分、组织结构、性能以及它们之间的关系。而人们要有效地使用材料，首先必须要了解材料的力学性能以及影响材料力学性能的各种因素。因此，材料力学性能的测试是所有测试项目中最重要和最主要的内容之一。 在人类发展的历史长河过程中，人们已经建立了许多反映材料表面的和内在的各种关于力学、物理等相关材料性能的测试和分析技术，近现代科学的发展已使材料性能测试分析从经验发展并建立在现代物理理论和试验的基础之上，并且
金属材料力学性能文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]
常见的金属材料力学性能 一. 金属材料相关概念 任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式的外力作用。这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不被破坏的能力；这种能力就是金属材料的力学性能。诸如金属材料的强度、刚度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料在外力下表现出来的力学性能的指标。 强度 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。一般用单位面 积所承受的作用力表示，符号为σ，单位为MPa。 工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs表示。抗拉强度是指金属材料在拉力作用下，被拉断前所承受的最大应力值，用σb表示。 对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，则用抗拉强度作为其设计的依据。 刚度 刚度是指金属材料在外力载荷作用下抵抗弹性变形的能力。对于机械零件要求较高的尺寸稳定性时，需要考虑刚度指标。 硬度 硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。
几种常用金属材料力学性能一览表 注：1.上表中材料的强度数值仅供参考，在不同的热处理工艺及环境下其对应的强度值不同。 二.材料的失效与许用应力 通常将材料的强度极限与屈服极限统称为材料的极限应力，用σu 表示。对于脆性材料强度极限为其唯一强度指标；对于塑性材料，其屈服应力小于强度极限，通常以屈服应力作为极限应力。 为了机械零件使用的安全性，对于机械构件要有足够的强度储备。因此，实际是使用的最大应力值必须小于材料的极限应力。最大使用应力称为许用应力，用[σ]表示。许用应力与极限应力的关系如下： [σ]=σu n ， σu ={σs σb 式中，n 为大于1的因数，称为安全因数。对于塑性材料n 为，σu=σs ；对于脆性材料n 为，σu=σb 。 强度条件 σmax =（F A ）max ≤[σ] 式中，F ，机械零件所承受的最大载荷作用力，单位N ；
高分子材料拉伸性能实验 1. 实验目的 了解高分子材料的拉伸强度、模量及断裂伸长率的意义和测试方法，通过应力－应变曲线，判断不同高分子材料的性能特征。 2. 实验原理 拉伸强度是用规定的实验温度、湿度和作用力速度，在试样的两端以拉力将试样拉至断裂时所需的负荷力，同时可得到断裂伸长率和拉伸弹性模量。 将试样夹持在专用夹具上，对试样施加静态拉伸负荷，通过压力传感器、形变测量装置以及计算机处理，测绘出试样在拉伸变形过程中的拉伸应力－应变曲线，计算出曲线上的特征点如试样直至断裂为止所承受的最大拉伸应力（拉伸强度）、试样断裂时的拉伸应力（拉伸断裂应力）、在拉伸应力－应变曲线上屈服点处的应力（拉伸屈服应力）和试样断裂时标线间距离的增加量与初始标距之比（断裂伸长率，以百分数表示）。 3. 实验材料 实验原料：GPPS、PP、PC。 （1）拉伸样条：哑铃型样条，测试标准：ASTM D638。样条如下： 符号名称尺寸/mm 公差/mm 符号名称尺寸 /mm 公差/mm
4. 实验设备 万能材料实验机及夹具 5. 实验条件 不同的材料由于尺寸效应不同，故应尽量减少缺陷和结构不均匀性对测定结果的影响，按表2选用国家标准规定的拉伸试样类型以及相应的实验速度。 表 2 拉伸试样类型以及相应的实验速度 ①Ⅲ试样仅用来测试拉伸强度 实验速度为以下九种： A: 1mm/min ±50% B: 2mm/min ±20% C: 5mm/min ±20% D: 10mm/min ±20% E: 20mm/min ±10% F: 50mm/min ±10% G: 100mm/min ±10% H: 200mm/min ±10% I: 500mm/min ±10% 6.实验步骤 （1）实验环境：温度23℃，相对湿度50％，气压86～106KPa。 （2）测量试样中间平行部分的宽度和厚度，精确到0.01mm，每个试样测量三点，取算术平均值。
材料力学性能测试实验 报告 标准化管理部编码-[99968T-6889628-J68568-1689N]
材料基本力学性能试验—拉伸和弯曲一、实验原理 拉伸实验原理 拉伸试验是夹持均匀横截面样品两端，用拉伸力将试样沿轴向拉伸，一般拉 至断裂为止，通过记录的力——位移曲线测定材料的基本拉伸力学性能。 对于均匀横截面样品的拉伸过程，如图 1 所示， 图 1 金属试样拉伸示意图 则样品中的应力为 其中A 为样品横截面的面积。应变定义为 其中△l 是试样拉伸变形的长度。 典型的金属拉伸实验曲线见图 2 所示。 图3 金属拉伸的四个阶段 典型的金属拉伸曲线分为四个阶段，分别如图 3(a)-(d)所示。直线部分的斜率E 就是杨氏模量、σs 点是屈服点。金属拉伸达到屈服点后，开始出现颈缩 现象，接着产生强化后最终断裂。 弯曲实验原理 可采用三点弯曲或四点弯曲方式对试样施加弯曲力，一般直至断裂，通过实 验结果测定材料弯曲力学性能。为方便分析，样品的横截面一般为圆形或矩形。 三点弯曲的示意图如图 4 所示。 图4 三点弯曲试验示意图 据材料力学，弹性范围内三点弯曲情况下C 点的总挠度和力F 之间的关系是 其中I 为试样截面的惯性矩，E 为杨氏模量。 弯曲弹性模量的测定 将一定形状和尺寸的试样放置于弯曲装置上，施加横向力对样品进行弯曲， 对于矩形截面的试样，具体符号及弯曲示意如图 5 所示。 对试样施加相当于σpb0.01。 (或σrb0.01)的10％以下的预弯应力F。并记录此力和跨中点处的挠度，然后对试样连续施加弯曲力，直至相应于σpb0.01(或σrb0.01)的50％。记录弯曲力的增量DF 和相应挠度的增量Df ,则弯曲弹性模量为 对于矩形横截面试样，横截面的惯性矩I 为 其中b、h 分别是试样横截面的宽度和高度。 也可用自动方法连续记录弯曲力——挠度曲线至超过相应的σpb0.01(或σrb0.01)的弯曲力。宜使曲线弹性直线段与力轴的夹角不小于40o,弹性直线段的高度应超过力轴量程的3/5。在曲线图上确定最佳弹性直线段，读取该直线段的弯曲力增量和相应的挠度增量，见图 6 所示。然后利用式(4)计算弯曲弹性模量。 二、试样要求
金属材料力学性能代号含义 名称代号单位含义 抗拉强度σb MPa 或 N/mm^2材料试样受拉力时,在拉断前所承受的最大应力.抗压强度σbc MPa 或 N/mm^2材料试样受压力时,在压坏前所承受的最大应力.抗弯强度σbb MPa 或 N/mm^2材料试样受弯曲力时,在破坏前所承受的最大应力.抗剪强度τMPa 或 N/mm^2材料试样受剪力时,在剪断前所承受的最大剪应力. 抗扭强度τb MPa 或 N/mm^2材料试样受扭转力时,在扭断前所承受的最大剪应力 屈服点σs MPa 或 N/mm^2材料试样在拉伸过程中,负荷不增加或开始有所降低而变形继续发生的现象称为屈服. 屈服时的最小应力称为屈服点和屈服极限. 屈服强度σ0.2MPa 或 N/mm^2材料试样在拉伸过程中, 负荷不增加或开始有所降低而变形继续发生的现象称为屈服. 对某些屈服现象不明显的金属材料, 测定屈服点比较困难,为便于测量,通常按其产生永久变形量等于试样原长0.2%时的应力称为屈服度或条件屈服强度. 弹性极限σcσc 材料能保持弹性变形的最大应力. 真实弹性极限难以测定, 实际规定按永久变形为原长的0.005%时的应力值表示. 比例极限σp MPa 或 N/mm^2在弹性变形阶段, 材料所承受的和应变能保持正比的最大应力,称比例极限. σp与σc两数值很接近,一般常互相通用. 弹性模量E MPa 或 N/mm^2在比例极限的范围内, 应力与应变成正比时的比例常数,衡量材料刚度的指标. E=σ/ε ε——试样纵向线应变. 切变模量G MPa 或 N/mm^2在比例极限的范围内, 应力与应变成正比时的比例常数,衡量材料刚度的指标. G=τ/γ γ——试样切应变. 泊松比μ在弹性范围内, 试样横向线应变与纵向线应变的比值. μ=|ε/ε'| ε'= -με, ε'——试样横向线应变.
第四章 缺口试件的力学性能 前面介绍的拉伸、压缩、弯曲、扭转乃至硬度试验等静载荷试验方法，都是采用横截面均匀的光滑试样，但实际生产中存在的构件，绝大多数都不是截面均匀无变化的的光滑体，往往存在着截面的急剧变化，例如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等。这种截面变化的部位可以视为缺口（切口）。由于缺口的存在，在载荷（静载荷或冲击载荷）作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生“缺口效应”，从而影响到金属材料的力学性能。 §4.1 静载荷作用下的缺口效应 一、缺口试样在弹性状态下的局部应力和局部应变 1. 应力集中和应变集中 一薄板的中心边缘开缺口，并承受拉应力σ作用。缺口部分不能承受外力，这一部分外力要有缺口截面其他部分材料来的承担，因而缺口根部的应力最大。或者说，远离缺口处的截面上的力线的分布是均匀的，而在缺口截面上，由于截面突然缩小，力线密度增加，越靠近缺口根部力线越密，出现所谓应力集中的现象。 应力集中程度以应力集中系数表示之： max max l t n l n K σσσσ= －缺口截面轴向最大应力 －缺口净截面平均轴向应力（名义应力）
K t 和材料性质无关，只决定于缺口几何形状（所以又称为几何应力集中因子或弹性应力集中因子）。例如： 1t K =+圆孔：3t K ≈ （无限宽板） 应力集中必然导致应变集中，在弹性状态下，有： E σε= 则： max max l t n l t n n K K K E E εσσεεε?== =?=? 即在弹性状态下，应力集中系数和应变集中系数相同。 2. 多轴应力状态 由图可见，薄板开有缺口承受拉应力后，缺口根部还出现了横向拉伸应力σx ，它是由材料的横向收缩引起的。可以设想，加入沿x 方向将薄板分成很多细小的纵向拉伸试样，每一个小试样受拉伸后都能产生自由变形。根据小试样所处的位置不同，它们所受的纵向拉伸应力σy 大小也不一样，越靠近缺口根部，σy 越大，相应的纵向应变εy 也越大（应力应变集中）。每一个小试样在产生纵向应变εy 的同时，必然也要产生横向收缩应变εx ，且εx =-νεy 。如果横向应变能自由进行，则每个小试样必然相互分离开来。但是，实际上薄板是弹性连续介质，不允许各部分自由收缩变形。由于这种约束，各个小试样在相邻界面上必然产生横向拉应力σx ，以阻止横向收缩分离。因此，σx 的出现是金属变形连续性要求的结果。在缺口截面上σx 的分布是先增后减，这是由于缺口根部金属能自由收缩，所以根部的σx =0。自缺口根部向内部发展，收缩变形阻力增大，因此σx 逐渐增加。当增大到一定数值后，随着σy 的不断减小，σx 也随之减小。（薄板，平面应力，z 向变形自由，σz =0，
常见的金属材料力学性能 一. 金属材料相关概念 任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式的外力作用。这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不被破坏的能力；这种能力就是金属材料的力学性能。诸如金属材料的强度、刚度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料在外力下表现出来的力学性能的指标。 1.1 强度 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。一般σ，单位为MPa用单位面积所承受的作用力表示，符号为。 工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形σs表示。抗拉强度是指金属材料在拉力作用时的最低应力值，用σb表示。下，被拉断前所承受的最大应力值，用对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，则用抗拉强度作为其设计的依据。 1.2 刚度 刚度是指金属材料在外力载荷作用下抵抗弹性变形的能力。对于机械零件要求较高的尺寸稳定性时，需要考虑刚度指标。 1.3 硬度
硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。 . . . . 几种常用金属材料力学性能一览表 材料牌b/MPa 抗拉强屈服强s/MPa 550-70045350-550 685-985490-685SKD61 650-970Cr12MoV 450-650 550-860350-5502S45C/S50C560-750350-560 Unimax 580-885 350-580 SKH51 680-960 485-680 注：1.上表中材料的强度数值仅供参考，在不同的热处理工艺及环境下其对应的强度值不同。 二.材料的失效与许用应力 通常将材料的强度极限与屈服极限统称为材料的极限应力，用σu表示。对于脆性材料强度极限为其唯一强度指标；对于塑性材料，其屈服应力小于强度极限，通常以屈服应力作为极限应力。 为了机械零件使用的安全性，对于机械构件要有足够的强度储备。因
实验1 材料的拉伸性能的检测 一、实验目的 1．观察分析低碳钢拉伸过程及实验现象； 2．掌握材料力学性能测试的基本实验方法； 3．测定低碳钢拉伸时的弹性模量、屈服极限σs ，强度极限σb ，延伸率δ和截面收缩率ψ； 4．掌握万能材料试验机的基本操作； 二、实验设备及原理 1.概述 材料的拉伸试验指材料的单向静拉伸试验，该试验通常是在室温下按照常规的试验标准，采用光滑圆柱试样在缓慢加载和低的变形速率下进行的，其试样方法和试样尺寸都有相应的明确规定。在材料的常规力学性能试验中，拉伸试验虽然简单，但却是工业生产和材料研究中最重要和应用最为广泛的试验方法。通过拉伸试验可以揭示材料在静载荷作用下的应力和应变关系以及过量弹性变形、塑性变形、断裂三种失效形式的特点和基本规律，检测材料的弹性、强度、塑性、应变硬化、韧性等重要的力学性能指标：弹性模量、屈服强度、抗拉强度、断面收缩率、伸长率等。通过拉伸试验得到的拉伸性能可以预测材料的其他力学性能如抗疲劳、断裂性能等。因此，研究新材料或者合理使用现有的材料改善其力学性能都需要测定材料的拉伸性能。 2.拉伸试验原理 常温下的拉伸试验是测定材料力学性能的基本试验。可用以测定弹性常数E ，比例极限σp ，屈服极限σs （或非比例伸长应力σP 0.2），强度极限σb ，延伸率δ和截面收缩率ψ等。这些指标都是工程设计的主要依据。 (1)弹性模量的测定 由材料力学可知，弹性模量是材料在弹性变形范围内应力与应变的比值，即 εσ =E （1） 因为A P = σ,0 L L ?=ε,所以弹性模量E 又可以表示为
L A PL E ?= (2) 以上公式中： E —材料的弹性模量；－应变应力，εσ-， P —实验时所施加的荷载，A －以试件直径的平均值计算的横截面面积， L 0——引伸仪标距，-?L 试件在载荷P 作用下，标距L 0段的伸长量。 可见，在弹性变形范围内，对试件作用拉力P ，并量出拉力P 引起的标距内伸长L ?，即可求得弹性模量E ，实验时，拉力P 值由试验机读数盘示出，标距L 0＝50㎜（不同的引伸仪标距不同），试件横截面面积A 可算出，只要测出标距段的伸长量L ?，就可得到弹性模量E 。 在弹性变形阶段内试件的变形很小，标距段的变形（伸长量L ?）需用放大倍数为200倍的球铰式引伸仪来测量。为检验荷载与变形之间的关系是否符合胡克定律，并减少测量误差，实验时一般用等增量法加载，每次递加同样大小的载荷增量F ?（可选kN 2=?F ），在引伸仪上读取相应的变形量。若每次的变形增量大致相等，则说明载荷与变形成正比关系，即验证了胡克定律。弹性模量E 可按下式算出， () L A L P E ?????? =- 0200 (3) 其中：()()∑=- ??=??n i i L n L 1 1为变形增量的平均值；200为测量变形时的放大系数。 (2)强度性能指标 屈服强度（屈服点）σs ：试样在拉伸过程中载荷不增加而试样仍能继续产生变形时的载荷（即屈服载荷）F s 除以原始横截面面积A 所得的应力值，即 A F s s = σ 抗拉强度σb ：试样在拉断前所承受的最大载荷F b 除以原始横截面面积A 所得的应力值，即 A F b b = σ 低碳钢是具有明显屈服现象的塑性材料，在均匀缓慢的加载过程中，当万能试验机测力盘上的主动指针发生回转时所指示的最小载荷（下屈服载荷）即为屈