金属材料的力学性能

金属材料力学性能

第一章 金属材料力学性能

金属材料的使用性能包括物理性能、化学性能、工艺性能和力学性能，对于工程材料来说，其中最重要的是力学性能。

金属材料的力学性能是指金属在外加载荷(外力或能量)作用下或载荷与环境因素(温度、介质和加载速率)联合作用下所表现的行为。由于载荷施加的方式多种多样，而环境、介质的变化又十分复杂，所以金属在这些条件下所表现的行为就会大不相同，致使金属材料力学性能所研究的内容非常广泛，它已发展成为介于金属学和材料力学之间的一门边缘学科。

金属材料的力学性能包括强度、硬度、塑性和韧性等性能。因为金属构件的承载条件一般用各种力学参量(如应力、应变和冲击能量等)来表示，因此，人们便将表征金属材料力学行为的力学参量的临界值或规定值称为金属材料力学性能指标，如强度指标、塑性指标、韧性指标等等。本章将在介绍金属材料力学性能基本知识的基础上着重介绍这些性能指标的物理概念及实用意义。

第一节 拉伸曲线和应力应变曲线

拉伸试验是工业上最广泛使用的力学性能试验方法之一。试验时在拉伸机上对圆柱试样或板状试样两端缓慢地施加载荷，使试样受轴向拉力沿轴向伸长，一般进行到拉断为止。

一般试验机都带有自动汜录装置，可把作用在试样上的力和所引起的试样伸长自动记录下来，绘出载荷—伸长曲线，称拉伸曲线或拉伸图。

图1—1为退火低碳钢拉伸曲线示意图。曲线的纵坐标为载荷(P)，横坐标是绝对伸长(△L)，由图可见，载荷比较小时，试样伸长随载荷增加成正比例增加，保持直线关系。载荷超过户。后，拉伸曲线开始偏离直线。载荷在Pe以下阶段，试样在加载时发生变形，卸载后变形能完全恢复，该阶段为弹性变形阶段。当载荷超过户。后，试样在继续产生弹性变形的同时，将产生塑性变形，进入弹塑性变形阶段。此时，若在载荷P

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作用下试样的变形为dc，则弹性变形和塑性变形分别为ab和bc(如图1—2所示)。若卸载，弹性变形ab将恢复，塑性变形6c被保留，使试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形OD。当载荷达到尸。时，在拉伸曲线上出现锯齿或平台。即载荷虽然保持不变或发生波动，而试样继续伸长(变形量继续增加)，这种现象称为屈服。由于在弹塑性变形阶段有塑性变形的产生，因此试样要继续变形，就必须不断增加载荷。随着塑性变形增大，载荷升高。当到最大载荷户b时，试样的某一部位横截面开始缩小，出现了颈缩。随着伸长量的增加，试样的变形主要集中在颈缩处而使试样的颈缩越来越明显。由于颈缩处试样截面急剧缩小，继续变形所需的载荷下降。载荷达尸k时，试样产生断裂。

材料的力学性能

材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。锅炉、压力容器用材料的常规力学性能指标主要包括：强度、硬度、塑性和韧性等。

（1）强度 强度是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力。强度指标是设计中决定许用应力的重要依据，常用的强度指标有屈服强度σS或σ0.2和抗拉强度σb，高温下工作时，还要考虑蠕变极限σn和持久强度σD。

（2）塑性 塑性是指金属材料在断裂前发生塑性变形的能力。塑性指标包括：伸长率δ，即试样拉断后的相对伸长量；断面收缩率ψ，即试样拉断后，拉断处横截面积的相对缩小量；冷弯（角）α，即试件被弯曲到受拉面出现第一条裂纹时所测得的角度。

（3）韧性 韧性是指金属材料抵抗冲击负荷的能力。韧性常用冲击功Ａk和冲击韧性值αk表示。Αk值或αk值除反映材料的抗冲击性能外，还对材料的一些缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化。而且Ａk对材料的脆性转化情况十分敏感，低温冲击试验能检验钢的冷脆性。

表示材料韧性的一个新的指标是断裂韧性δ，它是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力。

（4）硬度 硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。硬 度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。最常用的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、

HRB、HRC）、维氏硬度（HV），其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。而肖氏硬度（HS）则属于回跳法硬度试验，其值代表金属弹性变形功的大小。因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。

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学特性。当载荷不超过pF时，拉伸曲线Ｏｐ为一直线，即试样的伸长量与载荷成正比地增加，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。

常用材料的力学及其它物理性能

一、 玻璃的强度设计值 fg(MPa)

JGJ102-2003表5.2.1

种类 厚度(mm) 大面 侧面

普通玻璃 5 28.0 19.5

浮法玻璃 5~12 28.0 19.5

15~19 24.0 17.0

≥20 20.0 14.0

钢化玻璃 5~12 84.0 58.8

15~19 72.0 50.4

≥20 59.0 41.3

二、 长期荷载作用下玻璃的强度设计值 fg(MPa)

JGJ113-2009表4.1.9

三、 铝合金型材的强度设计值 (MPa )

GB50429-2007表4.3.4

铝合金牌号 状态 厚度 强度设计值

(mm) 抗拉、抗压 抗剪

6061 T4 不区分 90 55

T6 不区分 200 115

6063 T5 不区分 90

55

T6 不区分 150 85

6063A T5 ≤10 135 75

T6 ≤10 160

90

四、 钢材的强度设计值(1-热轧钢材) fs(MPa)

JGJ102-2003表5.2.3

钢材牌号 厚度或直径d(mm) 抗拉、抗压、抗弯 抗剪 端面承压

Q235 d≤16 215 125 325

Q345 d≤16 310 180 400

五、 钢材的强度设计值(2-冷弯薄壁型钢) fs(MPa)

GB50018-2002表4.2.1

钢材牌号 抗拉、抗压、抗弯 抗剪 端面承压

Q235 205 120 310 Q345 300 175 400

六、 材料的弹性模量E(MPa)

JGJ102-2003表5.2.8、JGJ133-2001表5.3.9

材料 E 材料 E

玻璃 0.72×105 不锈钢绞线 1.2×105~1.5×105

铝合金、单层铝板 0.70×105 高强钢绞线 1.95×105

钢、不锈钢 2.06×105 钢丝绳 0.8×105~1.0×105