第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

第一章第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能金属在单向静拉伸载荷下的力学性能

第一节 力－伸长曲线和应力－应变曲线第二节 真实应力－应变曲线第三节 弹性变形第四节 弹性不完整性第五节 塑性变形第六节 金属的断裂

第一节 力－伸长曲线和应力－应变曲线第一节 力－伸长曲线和应力－应变曲线

§1.1 拉伸试样一、单向静拉伸试验特点 : 1. 最广泛使用的力学性能检测手段 ; 2. 实验的应力状态、加载速率、试样尺寸、温度 等都

有规定； 3. 揭示金属材料常见的力学行为（弹性变形、塑性变 形、断裂）； 4. 可测最基本力学性能指标：强度（ σ ）、塑性（ δ 、

ψ ）、应变硬化、韧性等。

二、试验标准《金属拉伸试验方法 》

老标准 GB228-76 、 GB228-87《金属材料室温拉伸试验方法 》

新标准 GB/T228-2002 ；试验是用拉力拉伸试样，一般拉至断裂，

测定相应的力学性能。除非另有规定，试验一般在室温 10℃ － 35℃ 范围内进行，对温度要求严格的试验，试验温度应为 23℃±5℃ 。

三、拉伸试样1 、金属拉伸试验试样标准： GB6397-862 、与拉伸试样相关的几个概念：标　　距：测量伸长用的试样圆柱和棱柱部分的长度；原始标距 l0 ：施力前的试样标距； 断后标距：试样断裂后的标距。平行长度 l ：试样两头部或两夹持部分之间平行部分的长度；伸　　长：试验期间任一时刻原始标距的增量。

拉伸试样一般为经机加工的试样和不经机加工的全截面试样 ,其横截面通常为圆形、矩形、异形以及不经加工的全截面形状。

拉伸试样拉伸试样1) 圆形试样

l0

d0

2) 矩形试样

l0

tb

3 ）异型试样

3 、拉伸试样的尺寸以光滑圆柱试样为例，可分为：1 ）比例标距试样

短试样： K=5.65 或 L0=5d0

长试样： K=11.3 或 L0=10d0

延伸率分别用 δ5 、 δ10 来表示，

一般建议采用短试样。

2 ）定标距试样：　　试样的原始标距 L0 与原始截面积 A0 或直径 d0 之间不存在比例关系。　　例如 L0=100mm 或 200mm ，则延伸率表示为 δ100mm 或δ200mm 。

拉伸试样的形状尺寸 ,一般随金属产品的品种、规格及试验目的之不同而分为圆形，矩形及异型三类。 如无特殊要求 , 应按该表规定选用。

4 、试样的加工和测量

应按照相关产品标准或 GB/T2975 的要求切取样坯和制备试样；

试样原始截面积测定的方法和准确度应符合标准附录 A-D 的规定。选用合适的量具或测量装置，应根据测量的试样原始尺寸计算原始横截面积，并至少保留四位有效数字。

四、拉伸试验设备四、拉伸试验设备

§1.2 力－伸长曲线和工程应力－应变曲线

弹性变形

不均匀屈服塑性变形

均匀塑性变形

不均匀集中塑性变形

断裂

应力－应变应力－应变曲线曲线

§1.3 强度指标及其测定1 、比例极限 σp

　应力 - 应变成正比关系的最大应力σp＝ Fp/A0

2 、弹性极限 σe

弹性极限 σe是材料由弹性变形过渡到弹━塑性变形时的应力

σe=Fe/A0

3 、屈服极限 试验过程中，外力不增加试样仍能继续伸长；或外力增加到一定数值突然下降，随后在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长的现象称为屈服现象。 屈服现象是金属材料开始产生宏观塑性变形的标志。 材料屈服时所对应的应力值也就是材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力。

屈服点 σs ：材料在拉伸过程中试验力不增加（保持恒定）

仍能继续伸长时的应力。σs＝ Fs/ A0

上屈服点 σsu ：试样发生屈服而试验力首次下降前的最大应力。

下屈服点 σsl ：

σsu＝ Fsu/A0

当不计初始瞬时效应（指在屈服过程中试验力第一次发生下降）时的屈服阶段的最小应力。

σsl＝ FsL/ A0

表征金属材料对微量塑性变形的抗力－屈服强度就是用应力表示的屈服点或下屈服点。运用下屈服点的理由：上屈服点 σsu波动性很

大，对试验条件下变化很敏感而下屈服点 σsl再现性较好。

4 、 规定微量塑性伸长应力指标

对于多晶体金属材料

晶粒具有各向异性各晶粒在外力作用下开始产生塑性变形的不同时性

用工程方法很难测出准确而唯一的比例极限和弹性极限数值

许多金属材料在拉伸试验时看不到明显的屈服现象

因此上述指标一般用试样产生规定的微量塑性伸长时的应力来表征。

根据测定方法分为：规定非比例伸长应力，规定残余伸长应力，规定总伸长应力。从这个定义来说，这三个指标都表示材料对微量

塑性变形的抗力。

规定微量塑性伸长应力指标

规定非比例伸长应力 σp

试样标距部分的非比例伸长达到规定的原始标距百分比时的应力

这种应力是在试样受力的条件下测定的

规定残余伸长应力 σr

试样卸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。常用 σr0.2,表示规定残余伸长率为 0.2％时的应力。σ0.01称为条件比例极限σ0.2称为屈服强度

规定总伸长应力 σt

试样标距部分的总伸长达到规定原始标距百分比时的应力。常用 σt0.5 ，表示规定总伸长率为 0.5%时的应力。

5 、 抗拉强度 σb 韧性金属试样拉断过程中最大力所对应的应力

σb 的实际意义：1 ）标志塑性金属材料的实际承载能力，但仅限于光滑

试样单向拉伸的受载条件；2 ） σb 是脆性材料的断裂强度，可作为设计依据；

3 ） σb 的高低取决于屈服强度和应变硬化指数；

4 ） σb 与布氏硬度、疲劳极限之间有一定的经验关系。

σb＝ Fb/A0

%100%10000

01

L

L

L

LL

%1000

10

A

AA

§1.4 §1.4 塑性指标1 、 断后伸长率 δ

试样拉断后，标距的伸长与原始标矩的百分比

2 、 断面收缩率 ψ

缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比

ψ >δ 形成缩颈，差值越大缩颈越严重； ψ ≤δ 不形成缩颈。

3 、最大力下的总伸长率 δgt

指试样拉至最大力时标距的总伸长与原始标距的百分比。金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形量。

δgt 与真是应变 eB 的关系：

eB＝ ln(1+δgt)

单一拉伸条件下工作的长形零件，缩颈与否均用 δ 或 δgt评定材料塑性；非长形件，拉伸形成缩颈则用 ψ做为塑性指标。

4 、屈服点伸长率 δs

试样从开始屈服至屈服阶段结束（加工硬化开始）之间标距的伸长与原始标距的百分比。

5 、最大力下的非比例伸长率 δg

试样拉至最大试验力时，标距的非比例伸长与原始标距的百分比。

第二节　真实应力—应变曲线 一、条件应力与真实应力

条件应力 (工程应力 )　　——试样的原始截面积 A0 除载荷 F

σ=F/A0

真实应力 S　　——试样的瞬时截面积 A 除载荷 F

S=F/A