静载拉伸试验

第1章　金属材料的力学能

金属材料的力学性能是指材料在外力的作用下抵抗变形和破坏的能力，它是金属材料的主要性能之一，也是工程技术人员正确选用材料的重要依据。金属材料的力学性能是通过实验测定的。

1.1　静载时材料的力学性能

1.1.1　静载拉伸试验

静载是对试样施加的不变载荷，而缓慢加载对静载的力学性能影响不大，故可近似地看成静载。由于低碳钢是工程中使用最广泛的材料，它在常温静载条件下表现出来的力学行为最全面，也最具代表性，因此主要以低碳钢为例来说明金属材料的力学性能。

低碳钢的拉伸试验，应按《金属拉伸试验方法》（GB 228—87）制作拉伸试样，在万能材料试验机上缓慢加载拉伸，使试样承受轴向拉力P，并引起试样沿轴向产生伸长ΔL（L1- L0），当载荷超过某一数值后，试样伸长迅速加大，并使试样局部直径产生缩小（称为缩颈），当载荷达到最大值时，试样断裂。如果以拉力P除以试样的原始截面积F0为纵坐标（即拉应力σ= P／F0）。以ΔL除以试样原始长度L0为横坐标（即应变ε=ΔL／L0），则可画出应力-应变图，如图1．1．1所示。

图1.1.1　低碳钢拉伸时的应力-应变曲线

（1）弹性和刚性

在图1．1．1中，当加载应力不超过σe，卸载后试样能恢复原状，即材料不产生永久变形，将材料的这种性能称为弹性。σe为不产生永久变形的最大应力，称为弹性极限。

图中Oe是直线，表示应力与应变成正比，此阶段服从虎克定律，Oe的斜率为试样材料的弹性模量E，即

弹性模量E是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。E越大，则使其产生一定量弹性变形的应力也越大。因此，工程上将它称为材料的刚度。刚度表征材料弹性变形抗力的大小。

弹性模量E主要决定于材料的本身，是金属材料最稳定的性能之一，合金化、热处理、冷热加工对它的影响很小。在室温下，钢的弹性模量E为190～220 GPa。弹性模量随温度的升高而逐渐降低。

（2）强度

在外力的作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。当承受拉力时，强度特性指标主要是屈服极限σs和强度极限σb。

1）屈服极限

如图1．1．1所示，在s点（屈服点）出现一水平线段，这表明拉力虽然不再增加，但变形仍在进行，此时若卸载，试样的变形不能全部消失，将保留一部分残余的变形，这种不能恢复的残余变形称为塑性变形。σs表示材料在外力的作用下开始产生塑性变形的最低应力，称为屈服极限。

有些材料的拉伸曲线上没有明显的屈服点s，难以确定开始塑性变形的最低应力值，此时规定试样产生0．2%残余变形时的应力值，为该材料的条件屈服极限，以σ0．2表示。

构件在工作中一般不允许发生塑性变形。屈服极限σs是设计时的主要参数，是材料力学性能的一个重要指标。

2）强度极限

强度极限为试样被拉断前的最大承载能力，如图1．1．1所示的σb值，σb也是设计和选材的主要参数之一。

σs／σb称为屈强比，屈强比越小，构件的使用可靠性越高，即使超载也不至于马上断裂。屈强比太小，则材料强度的有效利用率太低。

合金化、热处理、冷热加工对材料的σs，σb影响很大。

（3）塑性

在外力的作用下，材料发生不能恢复的变形称为塑性变形，产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。塑性大小用伸长率δ和断面收缩率ψ来表示，即

式中　L1——试样拉断后的长度；

L0——试样原始长度；

F1——试样拉断处的横截面积；

F0——试样原始横截面积。

δ，ψ越大，表示材料的塑性越好。由于δ值与试样尺寸有关，故一般规定L0= 5d0或L0= 10d0（d0为试样原始直径），分别以δ5或δ10表示两种不同尺寸的试样测得的伸长率。同一种材料测得的δ5一般比δ10要大些。

金属材料应具有一定的塑性才能顺利地承受各种变形加工，而材料具有一定的塑性，可以提高零件使用的可靠性，防止突然断裂。

1.1.2　硬度

硬度是指材料抵抗局部塑性变形的能力。工程上常用的有布氏硬度和洛氏硬度。

（1）布氏硬度

布氏硬度试验通常是以一定的压力P（30 000 N），将直径为D的淬火钢球压入被测材料的表层，保持一定时间后卸除载荷，即得到一直径为d的压痕，如图1．1．2所示，载荷除以压痕表面积所得之值即为布氏硬度，以HB表示。

图1．1．2　布氏硬度试验原理图

从几何关系可求得：

当试验压力的单位为牛（N）时

上式中只有d为变量，因而只要在试验后测出压痕平均直径d，即可求得布氏硬度。

布氏硬度压痕直径大，数据重复性好，通常用于测定铸铁、有色金属、碳钢、低合金结构钢等原材料的硬度，而太薄、太硬（＞450 HB）的材料不宜采用布氏硬度。

（2）洛氏硬度

洛氏硬度试验是将标准压头用规定的压力压入被测材料表面，根据压痕的深度来度量材料的硬度，压痕越深，硬度越低。为了使洛氏硬度适应较宽的硬度测定范围，采用了不同的压头和载荷组成各种洛氏硬度标尺，如HRA，HRB，HRC等，其中HRC用得最多。HRC是以顶角为120°金刚石圆锥体为压头，使用较小的载荷（1 500 N），测试简单而迅速，压痕很小，几乎不损伤构件表面。洛氏硬度一般用于测试淬火钢或其他硬度较高的材料的硬度以及成品表面硬度检验。

除以上介绍的两种硬度测定方法外，还有维氏硬度等，可根据具体需要选用。

1.2　动载时材料的力学性能

许多机械零件是在动载条件下工作的。动载主要有两种形式：一是载荷以较高的速度施加到构件上，形成冲击；二是载荷的大小和方向作周期性变化，形成所谓“交变载荷”。当工件承受动载荷时，其抵抗破坏的能力和各种力学行为与静载时是不同的。

1.2.1　冲击韧性

在工程上，冲击载荷是一类重要的动载形式，常用一次摆锤冲击带缺口试样的折断试验所消耗的能量来测定材料抵抗冲击载荷的能力。材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性αk，冲击韧性越高，材料抵抗冲击载荷的能力越强。冲击韧性的大小除取决于材料本身外，还受环境温度、试样大小和缺口形状等因素影响。

1.2.2　疲劳强度

许多机械零件如弹簧、轴、齿轮等，在工作时承受交变载荷，即使交变应力低于屈服强度，经过一定循环次数后也会发生破坏。试验证明，金属材料能承受的交变应力σ与断裂前应力循环次数N有如图1．1．3所示的关系。由图可知，当σ低于某一值时，曲线与坐标平行，表示材料可经无限次循环而不断裂，这一应力称为疲劳强度或疲劳极限σr。

工程上指的疲劳强度，是在一定的循环次数下，不发生断裂的最大应力，一般规定钢铁材料的循环次数为107，有色金属为108。

图1．1．3　疲劳曲线

通常认为，疲劳破坏是由裂纹的萌生、扩展以及失稳断裂三个阶段组成。如果构件内部存在缺陷或在结构上存在应力集中，会使构件的疲劳强度大大降低，因此，若构件承受交变载荷的作用，应避免严重的应力集中。由于疲劳破坏通常是在没有任何先兆的情况下突然发生的，因而具有很大的危险性。统计资料表明，机械设备失效总数的50%～90%系疲劳破坏所致，汽车部件破坏85%以上是由于疲劳破坏引起的。

1.3　断裂韧性

自20世纪30年代起，在工程结构实际应用中出现了一系列新问题，即按经典力学理论设计的结构，在完全满足材料的力学性能条件之后，仍有一些结构出现断裂与破坏事故。这些新问题的出现，促使人们研究其断裂机理并寻找预防措施，从而形成了断裂力学这一新的学科。断裂力学的基本假设是任何结构中都不可避免地存在裂纹等缺陷，而结构的脆性断裂是由于裂纹扩展的结果。

如图1．1．4所示，由于裂纹的存在，在裂纹尖端前沿存在着应力集中，形成裂纹尖端应力场，按断裂力学分析，其大小可用应力强度因子K1来描述，即

式中　Y——与试样和裂纹几何尺寸有关的量（无量纲）；

σ——外加应力；

a——裂纹的半长。

图1．1．4　具有张开型裂纹的试样

拉伸一个有裂纹的试样时，其Y值是一定的，当拉应力σ逐渐增大时，裂纹尖端的应力强度因子K1也逐渐增大，当K1达到某一定值时，就会使裂纹产生失稳扩展，发生断裂，这个应力强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用K1C表示。它反映材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。K1C可通过试验测定，是材料本身的特性，与材料成分、热处理及加工工艺有关。

断裂韧性为安全设计提供了一个重要的力学性能指标。