金属材料的强度与塑性

长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0
万能材料试验机 a) WE系列液压式 b) WDW系列电子式
2. 力－伸长曲线 拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。
颈缩阶段 强化阶段 屈服阶段
弹性变形阶段
如图：低碳钢的力—伸长曲线
(a)试样 (b)伸长 (c)产生缩颈 (d)断裂
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象

强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和 断裂的能力。

塑性是指金属材料在静载荷作用下产生塑性变形而不
致引起破坏的能力。

金属材料的强度和塑性的指标可通过拉伸试验测定。
一、拉伸实验
（GB/T228-2002）
1. 拉伸试样 2. 力—伸长曲线（以低碳钢试样为例）
3. 脆性材料的拉伸曲线
1. 拉伸试样 有圆形、矩形、六方等形状。

同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长率略有不同。 由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大于均匀塑性变
形量，因此，比例试样的尺寸越短，其断后伸长率越大，用
短试样（L0＝5d0）测得的断后伸长率A略大于用长试样（L0 ＝10d0）测得的断后伸长率A11.3。

国标GB228-2002规定，对没有明显屈服现象的材料，一
般规定以试样达到0.2%残余伸长率对应的应力作为材料的
屈服强度，称为条件（名义）屈服强度，通常记作Rp0.2 。

例如Rp0.2 表示规定残余延伸率为0.2％时的应力。 其计算公式为： Rp0.2 ＝F0.2 / S0 （N/ mm2）
式中：F0.2－残余延伸率达0.2％时的载荷（N）； S0－试样原始横截面积（mm2）。

一般钢材的屈服强度在200～2000MPa 之间，如建造
2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”外部钢结构的 Q460E钢，其屈服强度为460MPa。
1、弹性极限Re
弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所能承受 的最大应力，即：
Fe Re So
式中Fe——试样完全弹性变形时所能承受的最大载荷(N ) So——试样原始截面积(mm2)
3. 脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）
F
0
ΔL
脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。
在实际工程应用中，在最大许用应力条件下是 否产生或产生多大微量塑性变形是重要的，具有实 际意义。
二、强度

强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，是工程技术 上重要的力学性能指标。

按照载荷的性质，材料强度有静强度、疲劳强度等；按照环
抵抗变形和断裂能力的衡量指标。

金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、 弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗 能力及发生变形的能力。

常用的力学性能有：强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳极
限等。


材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。
外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。
F
F0.2 Rp0.2 =
F0.2 S0
0 0.2%L0 ΔL

工程上各种构件或机器零件工作时均不允许发生过量塑性变 形，因此屈服强度ReL和条件屈服强度Rp0.2是工程技术上重
要的力学性能指标之一，也是大多数机械零件选材和设计的
依据。

传统的强度设计方法，对韧性材料，以屈服强度为标准，
规定许用应力[σ ]= ReL /n，安全系数n一般取2或更大。
2、屈服强度
（1） 屈服现象

在金属拉伸试验过程中，当应 力超过弹性极限后，变形增加 较快，此时除了弹性变形外， 还产生部分塑性变形。当外力 增加到一定数值时突然下降， 随后，在外力不增加或上下波 动情况下，试样继续伸长变形， 在力－伸长曲线出现一个波动
的小平台，这便是屈服现象。
（2）屈服强度

在拉伸曲线上，与上、下屈服点相对应的应力称为上、下屈
服强度，分别用ReH和ReL表示。在金属材料中，一般用下屈
服强度ReL代表其屈服强度。

ReH和ReL的计算公式如下：
ReH R eL
FeH S0 FeL S0
（3） 条件（名义）屈服强度

对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验中没有明显的 屈服现象，无法确定其屈服强度。

4、强度的意义

强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的
屈服强度在200～1000MPa 之间。

强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载
荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，
从而减小其自重。

因此，提高材料的强度是材料科学ห้องสมุดไป่ตู้的重要课题，称之为材 料的强化。
三、塑性
1、 定义 金属材料断裂前发生永久变形的能力。 2、衡量指标 ①断后伸长率： 试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比。
②断面收缩率：
试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与 原始横截面积的百分比。
断后伸长率（ A ）
l1-l0 A= l0
×100%
l1——试样拉断后的标距（mm） l0——试样的原始标距（mm）

ReL 和Rp0.2常作为零件选材和设计的依据。
3、抗拉强度 材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号Rm表 示。 计算公式
Fm Rm= S0

抗拉强度Rm的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑 性变形的能力。

铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象， 抗拉强度就是材料的断裂强度。
断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也 是机械工程设计和选材的主要指标，特别是对脆性 材料来讲。
境条件，材料强度有常温强度、高温强度等，高温强度又包 括蠕变极限和持久强度。

根据载荷的作用方式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、 抗剪强度、抗扭强度和抗弯强度。通常以抗拉强度代表材料
的强度指标。

材料强度的大小通常用单位面积上所承受的力来表示， 其单位为N/m2(Pa)，但Pa这个单位太小，所以实际工程 中常用MPa（MPa=106Pa）作为强度的单位。
导读

金属材料在现代工业中的广泛应用主要是由于其能 满足各种工程构件或机械零件所需的力学性能和工
艺性能要求，所以掌握各种金属材料的力学性能及
其变化规律，根据工作条件及力学性能选择材料，
充分发挥其性能潜力，是保证构件或零件质量的基
础。
材料在力的作用下，诸如不同载荷所造成的弹性变形、塑性
变形、断裂（脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂等）以及金属