材料的力学性能

材料的力学性能

mechanical properties of materials

主要是指材料的宏观性能，如弹性性能、塑性性能、硬度、抗冲击性能等。它们是设计各种工程结构时选用材料的主要依据。各种工程材料的力学性能是按照有关标准规定的方法和程序，用相应的试验设备和仪器测出的。表征材料力学性能的各种参量同材料的化学组成、晶体点阵、晶粒大小、外力特性（静力、动力、冲击力等）、温度、加工方式等一系列内、外因素有关。材料的各种力学性能分述如下：

弹性性能材料在外力作用下发生变形，如果外力不超过某个限度，在外力卸除后恢复原状。材料的这种性能称为弹性。外力卸除后即可消失的变形，称为弹性变形。表示材料在静载荷、常温下弹性性能的一些主要参量可以通过拉伸试验进行测定。

拉伸试样常制成圆截面(图1之a)或矩形截面(图1之b)棒体,l为标距,d为圆形试样的直径,h和t分别为矩形截面试样的宽度和厚度,图中截面形状用阴影表示,面积记为A。长度和横向尺寸的比例关系也有如下规定：对于圆形截面试样,规定l=10d或l=5d；对于矩形截

面试样,按照面积换算规定或者。试样两端的粗大部分用以和材料试验

机的夹头相连接。试验结果通常绘制成拉伸图或应力－应变图。图2为低碳钢的拉伸图,横坐标表示试样的伸长量Δl(或应变ε=Δl/l)，纵坐标表示载荷P（或应力σ＝P/A）。图中的曲线从原点到点p为直线，pe段为曲线，载荷不大于点e所对应的值时,卸载后试样可恢复原状。反映材料弹性性质的参量有比例极限、弹性极限、弹性模量、剪切弹性模量和泊松比等。

比例极限应力和应变成正比例关系的最大应力称为比例极限，即图中点p所对应的应力,以σp表示。在应力低于σp的情况下，应力和应变保持正比例关系的规律叫胡克定律。载荷超过点p对应的值后,拉伸曲线开始偏离直线。

弹性极限试样卸载后能恢复原状的最大应力称为弹性极限，即图中点e所对应的应力,以σe表示。若在应力超出σe后卸载，试样中将出现残余变形。比例极限和弹性极限的测试值敏感地受测试精度的影响，并不易测准，所以在有关标准中规定，对于拉伸曲线的直线部分产生规定偏离量（用切线斜率的偏差表示）的应力作为"规定比例极限"。对于弹性

极限，规定以产生某一微量残余变形对应的应力作为"规定弹性极限"，例如，以产生0.01％残余变形所对应的应力为规定弹性极限,记为σ。实际上，比例极限和弹性极限很接近。

弹性模量材料在弹性变形阶段内,应力和应变的比值称为弹性模量。以E表示弹性模量，则E=σ/ε或σ＝Eε。因英国的T.杨首先给出弹性模量的定义，所以弹性模量又称杨氏模量。

剪切弹性模量处在剪切弹性变形阶段的材料中剪应力τ和剪应变γ也存在正比例

关系，其比值称为剪切弹性模量，简称剪切模量。以G表示剪切弹性模量，则G＝τ/γ或τ＝Gγ。

泊松比材料沿载荷方向产生伸长（或缩短）变形的同时，在垂直于载荷的方向会产生缩短（或伸长）变形。垂直方向上的应变ε1与载荷方向上的应变ε之比的负值称为材料的泊松比。以v表示泊松比，则v＝-ε1/ε。在材料弹性变形阶段内，v是一个常数。理论上,材料的三个弹性常数E、G、v中，只有两个是独立的,因为它们之间存在如下关系：

G＝E/2(1＋v)。

塑性性能载荷卸除后不能消失的变形称为残余变形。材料保持残余变形的能力称为塑性，因而残余变形又称为塑性变形。反映材料塑性性能的参量有屈服极限、延伸率和断面收缩率等。此外，与塑性性能有关的现象有材料的强化现象和拉伸试样的颈缩现象。若加载在材料中引起的应力超过σe，则卸载后有一部分变形不能消失，这种变形就是塑性变形。

屈服极限在拉伸试验中，若试样中的应力到达图2中y点所对应的值，即使载荷不再增大，试样仍继续伸长，因而在拉伸曲线上出现一水平段（ys段），这种现象称为屈服或流动。屈服现象是由于金属中晶体的滑移造成的。曲线上点y的应力值σy称为材料的屈服极限,也称流动极限。对于无屈服现象的材料，工程上规定，用对应于0.2％塑性变形量的应力作为"规定屈服极限"，常称为屈服强度，记为σ0.2。

强化屈服阶段结束后，拉伸曲线又呈上升状，即要使试样继续变形，就须增大载荷，这种现象称为材料强化。图2中sB段曲线为强化阶段。在点B以前，试样的塑性变形是各处均匀的，点B对应于载荷最大值,其值Pb除以试样原横截面积A,所得的应力称为材料的强度极限，以σb表示，即σb=Pb/A。

颈缩应力到达强度极限后，试样的塑性变形开始集中于某一部位，该处的截面积逐渐缩小，这种现象称为颈缩（图3）。由于局部截面积收缩，试样能承受的载荷也就不断下降，最后到达曲线上的点k时试样被拉断。

若考虑试样的颈缩，则应力应为瞬时载荷除以相应瞬时的实际最小面积，这样作出的应力－应变曲线如图2中虚线所示。

延伸率试样拉断后标距长度l1与原长l之差为总残余伸长量，它与原长的比值称为

延伸率。以δ表示延伸率，一般写成百分比的形式，即。由于试样断裂前经历了局部塑性变形，所以延伸率的大小同试样原长和横截面积有关。为了进行比较，

规定对于长度是直径10倍的圆截面试样和的矩形截

面试样,延伸率记为δ10；长度是直径5倍的圆截面试样和的矩形截面试样，延伸率记为δ10。

断面收缩率设试样拉断后断口处的最小面积为A1，则截面收缩量A－A1与原截面面积A之比值的百分数称为断面收缩率。以ψ表示断面收缩率，则有：。

对圆形截面试样，规定用断口处的最小直径计算A1；矩形截面试样则用断口处的最大宽度h1与最小厚度t1的乘积表示A1,即A1=h1×t1（图4）。

工程上常将材料区分为两类，常温静载荷下破坏时塑性变形较大（一般为δ＞5％）的材料称为塑性材料；塑性变形较小的材料称为脆性材料。低碳钢是典型的塑性材料，它在拉伸试验过程中表现出的各种力学性能最为复杂。试验表明,低碳钢在压缩时的弹性模量E、屈服极限σy都与拉伸时相同。屈服后试样越压越扁，横截面不断增大，所以低碳钢无压缩强度极限。铸铁是典型的脆性材料，拉伸和压缩时均无屈服现象，破坏时塑性变形量很小。铸铁试样在拉伸破坏时沿横截面断裂，强度极限较低,压缩时沿大约与轴线成45°角的斜面破坏,且压缩时的强度极限比拉伸时高4～5倍。

硬度固体对外界物体入侵的局部抵抗能力,是比较各种材料软硬的指标。由于规定了不同的测试方法，所以有不同的硬度标准。总的来看，可分为划痕硬度、压入硬度和回跳硬度。各种硬度标准的力学含义不同，相互不能直接换算，但可通过试验加以对比。