力學(xué)性能第五單元(2)

1、第第1單元單元 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 本單元導(dǎo)讀o 金屬拉伸試驗是力學(xué)性能中最基本的試驗，也是檢驗金屬材料、表征其內(nèi)在質(zhì)量的最重要的試驗項目之一。金屬的拉伸性能既是評定金屬材料的重要指標，又是機械制造和工程中設(shè)計、選材的主要依據(jù)。o 本單元將主要介紹金屬拉伸試驗過程以及金屬在靜拉伸條件下力學(xué)性能指標的物理概念與實用意義，并在此基礎(chǔ)上探討改善上述性能指標的途徑和方向。o單向靜拉伸試驗 單向靜拉伸試驗（Tensile test）是在試樣兩端緩慢地施加載荷，使試樣的工作部分受軸向拉力，引起試樣沿軸向伸長，直至拉斷為止。 應(yīng)力狀態(tài)為單向、溫度恒定，以及應(yīng)變速

2、率為0.00010.01%的條件下，并且常用標淮的光滑圓柱試樣進行的 。 o 特點 1.最廣泛使用的力學(xué)性能檢測手段; 2.試驗的應(yīng)力狀態(tài)、加載速率、溫度、試樣等都有嚴格規(guī)定（GB/T228-2002）。 3.最基本的力學(xué)行為（彈性、塑性、斷裂等）； 4.可測力學(xué)性能指標：強度（R）、塑性（A、Z）等。如：彈性模量主要用于零件的剛度設(shè)計中； 屈服強度和抗拉強度主要用于零件的強度設(shè)計中； 材料的塑性，斷裂前的應(yīng)變量主要為材料在冷熱變形時的工藝性能作參考。 能力知識點1 拉伸試樣 為了測定金屬材料或零部件的拉伸性能，并使金屬材料拉伸試驗的結(jié)果具有可比性與符合性，拉伸試樣的取樣和制作應(yīng)遵照金屬材料力

3、學(xué)及工藝性能取樣規(guī)定及有關(guān)標準規(guī)定執(zhí)行。一、試樣的形狀和尺寸o 試樣的形狀與尺寸取決于要被試驗的金屬產(chǎn)品的形狀與尺寸，可以分為： 1.板材（薄帶）試樣、棒材試樣、管材試樣、線材試樣、型材試樣以及鑄件試樣等種類。 2.根據(jù)其形狀及試驗?zāi)康牟煌?，試樣可以進行機加工，也可以采用不經(jīng)加工的原始截面試樣。一、試樣的形狀和尺寸o 一般拉伸試樣由夾持段、過渡段和平行段構(gòu)成。o 試樣兩端較粗部分為夾持段，其形狀和尺寸必須與試驗機夾頭的鉗口相匹配，最常用的是圓形單肩式和矩形夾頭。過渡段常采用圓弧形狀，使夾持段與平行段光滑連接，以消除應(yīng)力集中。平行部分必須保持光滑均勻以確保材料表面的單向應(yīng)力狀態(tài)，其有效工作部分L

4、0稱作標距，d0、S0分別代表標距部分的直徑和面積；LC 為平行部分長度。一、試樣的形狀和尺寸o 根據(jù)原始標距（L0）與原始橫截面積（S0）之間的關(guān)系，拉伸試樣可分為比例試樣和非比例試樣兩種。o 比例試樣的標距是按公式計算而得，系數(shù)K通常取565或113。通常把K=5.65稱為短比例試樣；K=11.3稱為長比例試樣。o 非比例試樣也稱定標距試樣，其原始標距(Lo)與其原始橫截面積(So)無關(guān)。00S/LK 二、取樣與制樣o 通常從產(chǎn)品、壓制坯或鑄錠切取樣坯經(jīng)機加工制成試樣。但具有恒定橫截面的產(chǎn)品(型材、棒材、線材等)和鑄造試樣(鑄鐵和鑄造非鐵合金)可以不經(jīng)機加工而進行試驗。o 取樣部位、取樣方

5、向和取樣數(shù)量是對材料性能試驗結(jié)果影響較大的3個因素，被稱為取樣三要素。o 樣坯的切取部位、方向和數(shù)量應(yīng)按照相關(guān)產(chǎn)品標準或GB/T2975-1998或協(xié)議的規(guī)定。二、取樣與制樣o 取樣有以下幾種情況：（1）從原材料（型材、棒材、板材、管材、絲材、帶材等）上直接取樣試驗。（2）從產(chǎn)品上的重要部位（最薄弱、最危險的部位）取樣試驗，以校核設(shè)計計算的準確性，也可檢驗產(chǎn)品加工及熱處理的質(zhì)量。（3）以實物零件直接試驗，如、鋼筋、螺栓、螺釘或鏈條等。（4）以澆注的鑄件試樣直接試驗或經(jīng)加工成試樣進行試驗。能力知識點2 拉伸試驗前的準備一、試樣的檢查與標距標記的刻劃o 試驗前應(yīng)先檢查試樣外觀是否符合要求。對經(jīng)過加

6、工的試樣如發(fā)現(xiàn)表面有明顯的橫向刀痕，或有扭曲變形或淬火裂縫的，應(yīng)重新取樣加工成合格試樣。o 試樣原始標距一般采用細劃線或墨線進行標定，所采用的方法不能影響試樣過早斷裂。當(dāng)試樣工作段遠長于標距時，可標記相互重疊的幾組標距。對于特薄或脆性材料的試樣，通?？稍谠嚇悠叫卸蝺?nèi)涂上快干著色涂料，再輕輕劃上標線，這樣可避免試樣斷裂在刻線上而影響試驗結(jié)果。 一、試樣的檢查與標距標記的刻劃o 圓形試樣應(yīng)在試樣工作段的兩端及中間處兩個相互垂直的方向上各測1次直徑，取其算術(shù)平均值，選用3次測得橫截面積中的最小值。o 矩形截面試樣應(yīng)在試樣工作段的兩端及中間處測量其寬度和厚度，選用3處測得橫截面積中的最小值。二、拉伸試

7、驗機o 拉伸試驗一般在液壓式萬能試驗機或電子式萬能試驗機上進行。o WE系列液壓式萬能材料試驗機是一種適用性強、用途廣的試驗機，系列規(guī)格有l(wèi)00KN、300KN 、600KN、1000KN，當(dāng)然也有特殊規(guī)格，目前為一般力學(xué)實驗室普遍配套使用。油壓式拉伸試驗機傳感器式拉伸試驗機高溫拉伸試驗機能力知識點能力知識點3 力力-伸長曲線伸長曲線o 外力F與試樣的絕對伸長量之間的關(guān)系曲線稱為力-伸長曲線。o 拉伸曲線形象的描繪出材料的變形特征及各階段受力與變形間的關(guān)系，可由該圖形的狀態(tài)來判斷材料彈性與塑性好壞、斷裂時的韌性與脆性程度以及不同變形下的承載能力。o 在拉伸試驗時，利用試驗機的自動繪圖器可繪出力

8、-伸長曲線 。o退火低碳鋼在拉伸力作用下的變形過程可分為彈性變形、不均勻屈服塑性變形（屈服階段）、均勻塑性變形階段、不均勻集中塑性變形和斷裂幾個階段 。二、應(yīng)力-應(yīng)變曲線 應(yīng)力 =F/A 應(yīng)變 =L/L三、幾種常見材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線模塊二 金屬的彈性變形 1.彈性變形 定義：當(dāng)外力去除后，能恢復(fù)到原來形狀或尺寸的變形，叫彈性變形。 特點為：單調(diào)、可逆、變形量很?。?.51.0%） 2.彈性的物理本質(zhì) 金屬的彈性性質(zhì)是金屬原子間結(jié)合力抵抗外力的宏觀表現(xiàn)。彈性變形及其實質(zhì)能力知識點能力知識點1 彈性模量彈性模量 一、彈性模量 o 金屬材料在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系，符合胡克定律，即

9、 = E，其比例系數(shù)E稱為彈性模量。（Modulusofelasticity）。o 拉伸時： （ E 彈性模量 ）o 剪切時： （ G 切變模量 ）o 在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，彈性模量就是直線（OP）段的斜率。G E一、彈性模量一、彈性模量 1、物理意義表示材料在外載荷下抵抗彈性變形的能力。 2、影響因素主要取決于結(jié)合鍵的本性和原子間的結(jié)合力。o 彈性模量和材料的熔點成正比，越是難熔的材料彈性模量也越高。o 金屬的彈性模量是一個組織不敏感的力學(xué)性能指標，合金化、熱處理（顯微組織）、冷塑性變形對E值影響不大；而高分子和陶瓷材料的彈性模量則對結(jié)構(gòu)與組織很敏感 。材 料彈性模量E/105MPa彈性極限e

10、/MPa彈性比功ae/(MJ/m3)中 碳 鋼2.13100.228彈 簧 鋼2.19652.217硬 鋁7.241250.108銅1.127.53.4410-3鈹 青 銅1.25881.44磷 青 銅1.014501.0o 為了選擇航天飛行器材料，使結(jié)構(gòu)既保證剛度又具有較輕的重量，有時使用比彈性模量的概念來作為衡量材料彈性性能的指標。o 比彈性模量是指材料彈性模量與其密度的比值。材料銅鉬鐵鈦鋁鈹氧化鋁碳化硅比彈性模量1.32.72.62.72.716.810.517.5二、彈性模量的技術(shù)意義o 在工程技術(shù)中，機器零件或工程構(gòu)件在服役過程中都處于彈性變形狀態(tài)，但過量的彈性變形則使零件或構(gòu)件喪失

11、穩(wěn)定性，即彈性失穩(wěn)。o 表征零構(gòu)件彈性穩(wěn)定性的參量是剛度，是指機器零件或結(jié)構(gòu)件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力，是金屬零構(gòu)件重要的性能指標，而彈性模量E是決定剛度的重要參數(shù)。o 剛度的大小取決于零件的幾何形狀和材料的彈性模量。o 當(dāng)構(gòu)件的長度一定時，剛度的大小就取決于彈性模量E與零件或構(gòu)件的截面積S的乘積。因此，要滿足剛度要求，除了構(gòu)件具有足夠的截面積S外，還要求材料具有足夠的彈性模量E。o 如果截面積S不能增大時，零件或構(gòu)件的剛度就取決于材料的彈性模量E，E越大，剛度也就越在大。從這個意義上理解，彈性模量E也可以認為是代表材料剛度的大小，這就是彈性模量E的技術(shù)意義。 o 對于一些須嚴格限制變形

12、的結(jié)構(gòu)（如機翼、船舶結(jié)構(gòu)、建筑物、高精度的裝配件等），須通過剛度分析來控制變形，以防止發(fā)生振動、顫振或失穩(wěn)。o 例如，橋式吊車梁應(yīng)有足夠的剛度，以免撓度偏大，在起吊重物時引起振動；精密機床的主軸如果不具有足夠的剛度，就不能保證零件的加工精度；汽車拖拉機中的曲軸彎曲剛度不足，就會影響活塞、連桿及軸承等重要零件的正常工作。o 另外，如彈簧秤、環(huán)式測力計等，須通過控制其剛度為某一合理值以確保其特定功能。 彈性和剛度的區(qū)別o 應(yīng)該指出，彈性和剛度的概念是不同的。o 彈性表征材料發(fā)生彈性變形的能力，剛度則表征材料抵抗彈性變形的能力。o 以汽車彈簧為例說明其區(qū)別。汽車未滿載，彈簧變形已達最大，卸載后彈簧恢

13、復(fù)原狀，這表明彈簧的彈性較好，但剛度不足。應(yīng)從加大彈簧尺寸、改進結(jié)構(gòu)著手解決問題；而汽車彈簧使用一段時間后發(fā)現(xiàn)弓形越來越小，即產(chǎn)生了塑性變形，這是彈性不足，由其彈性極限低所造成的，應(yīng)采用改變鋼種、調(diào)整熱處理工藝等提高其彈性極限的辦法解決。三、彈性模量的測定o 彈性模量的測定有動態(tài)法和靜態(tài)法兩種。 動態(tài)法測量原理是截面均勻的棒狀試樣在兩端自由的條件下，作彎曲振動時其彈性模量與基頻固有頻率、試樣尺寸、試樣質(zhì)量有關(guān)，通過懸絲藕合彎曲共振法裝置測定。 靜態(tài)法是利用單向拉伸試驗測定彈性模量的傳統(tǒng)方法，試樣可以制成圓形或矩形。 圖1-9 雙表式引伸計 1試樣 2固定刀刃 3千分表 4活動刀刃兼杠桿00)(

14、SLFLE能力知識點能力知識點2彈性極限與彈性比功彈性極限與彈性比功一、彈性極限o 彈性極限（Elastic limit）是衡量金屬最大彈性變形的抗力指標，即金屬材料在外力作用下，只發(fā)生彈性變形而不產(chǎn)生塑性變形時所能承受的最大的應(yīng)力。o 在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，彈性極限相當(dāng)于e點所對應(yīng)的應(yīng)力值，用e表示。o 國家標準GB/T 228-2002中未規(guī)定彈性極限，而規(guī)定非比例延伸強度Rp。本書在此仍沿用工程技術(shù)應(yīng)用中習(xí)慣的提法和符號.圖1-10 彈性極限圖1-11 非比例延伸強度一、彈性極限o 在實際工程應(yīng)用中，在最大許用應(yīng)力條件下是否產(chǎn)生或產(chǎn)生多大微量塑性變形是重要的，有著實際意義。o 如測力計彈簧

15、就依靠其彈性變形應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系來顯示負荷值的大小；火炮炮筒為保證彈道的正確性，也要求炮筒內(nèi)壁的彈性變形嚴格遵守正比關(guān)系，即制造這些工件的材料應(yīng)以能保持彈性變形按正比變化的最大抗力作為失效抗力指標。 二、彈性比功（二、彈性比功（ ） 1、物理意義表示金屬材料吸收彈性變形功的能力。o 試樣或?qū)嶋H機器零件的體積越大，則可吸收的彈性功越多，可儲備的彈性能越多。ea二、彈性比功（二、彈性比功（ ）2、表示方法：應(yīng)力應(yīng)變曲線下彈性變形范圍內(nèi)所吸收的變形功，即o 彈性模量是對組織不敏感的指標，金屬材料的合金化和熱處理對它影響不大。因此，對于一般金屬材料，只有用提高彈性極限的方法才能提高彈性比功。Eae

16、eee2212ea2E212eeeea二、彈性比功（二、彈性比功（ ）3.實際意義o 彈簧是重要的彈性零件，其重要作用是減震和貯能驅(qū)動等。因此，彈簧在彈性范圍內(nèi)有盡可能高的彈性比功，以便在彈性過程吸收彈性變形功，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥阅軆Υ娲髲椈蓛?nèi)部。o 制造某些儀表時生產(chǎn)上常采用磷青銅或鈹青銅，除因為它們是順磁性，適于制造儀表用的彈簧外，更重要的是因為它們既具有較高的彈性極限，又具有較小的彈性模量。這樣，能保證在較大的形變量下仍處于彈性變形狀態(tài)，即從彈性模量的角度來獲得較大彈性比功。這樣的彈簧材料常稱為軟彈簧材料。但鈹是劇毒金屬，使用時千萬要注意。 ea模塊三 強度指標及其測定能力知識點能力知識點1

17、 強度及其意義強度及其意義o 強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標。o 按照載荷的性質(zhì)，材料強度有靜強度、疲勞強度等；按照環(huán)境條件，材料強度有常溫強度、高溫強度等，高溫強度又包括蠕變極限和持久強度。o 除了上述材料強度外，還有機械零件和構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強度。o 材料強度的大小通常用單位面積上所承受的力來表示，其單位為N/m2(Pa)，但Pa這個單位太小，所以實際工程中常用MPa（MPa=106Pa）作為強度的單位。o 一般鋼材的屈服強度在2002000MPa 之間，如建造2008年北京奧運會主體育場“鳥巢”外部鋼結(jié)構(gòu)的Q460E鋼，其屈服強度為460MPa。o 強

18、度越高，相同截面積的材料在工作時越可以承受較高的載荷。當(dāng)載荷一定時，選用高強度的材料，可以減小構(gòu)件或零件的截面尺寸，從而減小其自重，這對于汽車、船舶等交通運輸工具的意義更加突出。o 因此，提高材料的強度是材料科學(xué)中的重要課題，稱之為材料的強化。能力知識點能力知識點2屈服現(xiàn)象和屈服強度屈服現(xiàn)象和屈服強度一、屈服現(xiàn)象o 在金屬拉伸試驗過程中，當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后，變形增加較快，此時除了彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形。當(dāng)外力增加到一定數(shù)值時突然下降，隨后，在外力不增加或上下波動情況下，試樣繼續(xù)伸長變形，在力伸長曲線出現(xiàn)一個波動的小平臺，這便是屈服現(xiàn)象。o 很多金屬材料在拉伸試驗時都會產(chǎn)生明顯的屈服現(xiàn)

19、象，尤其是具有體心立方晶格的金屬。產(chǎn)生屈服這種現(xiàn)象的原因是，金屬中的溶質(zhì)原子或第二相粒子聚集在位錯線的周圍，與位錯交互作用產(chǎn)生柯垂?fàn)枺–ottrell）氣團，阻礙了位錯運動，對位錯產(chǎn)生“釘扎”作用。只有當(dāng)外力增大到一定程度，位錯掙脫了溶質(zhì)原子的“釘扎”，材料出現(xiàn)明顯塑性變形，表現(xiàn)為上屈服點；一旦位錯掙脫了溶質(zhì)原子的“釘扎”，使位錯繼續(xù)運動的力就不需開始時那么大，故應(yīng)力值下降到下屈服點，試樣繼續(xù)伸長，力保持為定值或有微少的波動，從而產(chǎn)生了屈服現(xiàn)象。二、屈服強度o 屈服現(xiàn)象是金屬材料在拉伸時開始產(chǎn)生宏觀塑性變形的一種標志，用應(yīng)力表示的屈服點就稱屈服強度（Yielding strength）。o 屈

20、服強度可以理解為金屬材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應(yīng)力值，其實質(zhì)是金屬材料對初始塑性變形的抗力。o 在拉伸曲線上，與上、下屈服點相對應(yīng)的應(yīng)力稱為上、下屈服強度，分別用ReH和ReL表示。ReH和ReL的計算公式如下：0eLeL0HHSFRSFReeo 在正常試驗條件下，由于下屈服強度ReL的數(shù)值較為穩(wěn)定，再現(xiàn)性較好，所以常將下屈服強度ReL選作屈服強度指標，在特別要求的情況下也可能測定上屈服強度。三、條件屈服強度o 對于連續(xù)屈服：拉伸時無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，屈服強度用規(guī)定微量塑性伸長強度表征：o 規(guī)定非比例延伸強度（R p） Rp0.01o 規(guī)定殘余延伸強度（Rr） Rr0.2o 規(guī)定總延

21、伸強度（Rt） Rt0.5規(guī)定殘余延伸強度Rro 指試樣在拉伸過程中，卸除拉力后，試樣標距部分內(nèi)的殘余伸長變形（塑性變形）量達到規(guī)定的原始標距百分比時對應(yīng)的應(yīng)力，常用的為Rr0.2，表示規(guī)定殘余伸長率為0.2時的應(yīng)力。o 在規(guī)定塑性伸長率相同的條件下，測出的Rp和Rr的數(shù)值略有差別。但在不規(guī)定測定方法的情況下，可用R0.01，R0.02，R0.2等表示。o 一般可將Rp0.2稱為條件彈性極限；而將Rr0.2稱為條件屈服強度。加載時測量卸載時測量o 由此可見，條件彈性極限和條件屈服強度實質(zhì)上沒有區(qū)別，都表示材料對微量塑性變形的抗力，只是一個要求較嚴，另一個要求較寬。o 一般情況下，彈性極限和條件

22、屈服強度按允許殘余變形量的大小對比如下：彈性極限屈服強度四、屈服強度的工程意義o 在生產(chǎn)實際中，絕大部分工程構(gòu)件和機器零件在其服役過程中都處于彈性變形狀態(tài)，不允許有明顯塑性變形產(chǎn)生。如高壓容器中的緊固螺栓發(fā)生過量塑性變形，既無法正常工作。因此，屈服強度是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標之一，也是大多數(shù)機械零件或工程構(gòu)件選材和設(shè)計的依據(jù)。o 傳統(tǒng)的強度設(shè)計方法，對韌性材料，以屈服強度為標準，規(guī)定許用應(yīng)力R= ReL/n，安全系數(shù)n一般取2或更大。o 需要注意的是，按照傳統(tǒng)的強度設(shè)計方法，必然會導(dǎo)致片面追求材料的高屈服強度，但是隨著材料屈服強度的提高，材料的抗脆斷強度降低，材料的脆斷危險性增加了。能力

23、知識點能力知識點3 加工硬化加工硬化 一、什么是加工硬化o 金屬材料在拉伸試驗中“挺過”屈服階段以后，繼續(xù)變形將產(chǎn)生加工硬化，進入均勻塑性變形階段。并且需要不斷增加外力才能繼續(xù)變形，這表明金屬材料有一種阻止繼續(xù)變形的能力。o 金屬在塑性變形過程中，隨著變形程度的增加，強度、硬度增加，塑性、韌性下降的現(xiàn)象，稱為加工硬化，也稱為冷變形強化。o 這里塑性變形是強化的原因，而強化是塑性變形的結(jié)果。 二、加工硬化指數(shù)n的實際意義o 反映了金屬材料開始屈服以后抵抗繼續(xù)塑性變形的能力，是表征材料應(yīng)變硬化行為的性能指標。它決定了材料開始發(fā)生頸縮時的最大應(yīng)力。o n還決定了材料能夠產(chǎn)生的最大均勻應(yīng)變量，這一數(shù)值

24、在冷加工成型工藝中是很重要的。o 大多數(shù)金屬材料n在0.10.5之間，與層錯能、冷熱變形有關(guān)。o 對于工作中的零件，材料的加工硬化能力是零件安全使用的可靠保證。o 形變硬化是提高材料強度的重要手段。 三、加工硬化的工程意義我國生產(chǎn)的坦克履帶板專用鋼為ZGMn8CrMo，屬低穩(wěn)定奧氏體中錳鑄鋼。使用時，在較大沖擊載荷或接觸應(yīng)力的作用下，其表面層將迅速產(chǎn)生加工硬化，并有馬氏體及相沿滑移面形成，從而產(chǎn)生高耐磨表面層，而里層仍保持優(yōu)良的沖擊韌性，因此即使零件磨損到很薄，仍能承受較大的動力載荷而不致破裂。能力知識點能力知識點4縮頸現(xiàn)象和抗拉強度縮頸現(xiàn)象和抗拉強度一、縮頸現(xiàn)象o 在力伸長曲線上的最大載荷處

25、，塑性變形主要集中于試樣的某一局部區(qū)域，該處橫截面積急劇減小，這種現(xiàn)象體稱為縮頸（Necking），是韌性材料在拉伸試驗時變形集中于局部區(qū)域的特殊現(xiàn)象。二、抗拉強度o 金屬在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力稱為抗拉強度，又稱強度極限,用Rm表示，計算公式為：o 抗拉強度Rm的物理意義是塑性材料抵抗大量均勻塑性變形的能力。鑄鐵等脆性材料拉伸過程中一般不出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，抗拉強度就是材料的斷裂強度。 SF R0mm三、抗拉強度的工程意義o 斷裂是零件最嚴重的失效形式，所以，抗拉強度也是工程設(shè)計和選材的主要指標，特別是對脆性材料來講。o 由于抗拉強度代表實際啊工件在靜拉伸條件下的最大承載能力，且Rm易于測定，重

26、現(xiàn)性好，所以抗拉強度Rm是工程上金屬材料的重要力學(xué)性能指標之一，廣泛用作產(chǎn)品規(guī)格說明或質(zhì)量控制指標。o 對于脆性金屬材料而言，一旦拉伸應(yīng)力達到最大值，材料便迅速斷裂了，所以抗拉強度Rm就是脆性材料的斷裂強度，用于產(chǎn)品設(shè)計，其許用應(yīng)力是以抗拉強度Rm為依據(jù)。四、屈強比o 屈服強度與抗拉強度的比值（ ）稱為材料的屈強比（Yield ratio）。o 合理的屈強比一般在0.600.75之間；彈簧鋼一般均在彈性極限范圍內(nèi)服役，受載荷時不允許產(chǎn)生塑性變形，因此要求彈簧鋼經(jīng)淬火、中溫回火后具有盡可能高的彈性極限和屈強比值（0.90）。meL/RRo屈強比的大小對金屬材料意義很大。屈強比越小，表示材料屈服極

27、限與抗拉強度的差距越大，即塑性越好，萬一超載，由于塑性變形的產(chǎn)生而使金屬材料的強度提高而不致立刻破壞，從而保證了使用中的安全性，但此值太小時，材料強度的有效利用率低；相反屈強比高，說明屈服極限接近抗拉強度，材料的承載能力高，做結(jié)構(gòu)零件可靠性高，但屈強比大，材料在斷裂前塑性“儲備”太少，對應(yīng)力集中敏感，安全性能下降。能力知識點能力知識點5 金屬的強化手段金屬的強化手段o 高強度是人們對結(jié)構(gòu)材料的最主要的追求，因為它是零構(gòu)件小型化的基礎(chǔ)。強度是衡量材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，愈難于變形的金屬材料，其強度愈高。因為金屬塑性變形的本質(zhì)是位錯沿滑移面的滑移，金屬材料內(nèi)的滑移系愈多、位錯的滑移愈容易，它

28、的塑性就越高好，強度就越低。就是說，位錯滑移的難易程度決定了金屬材料強度的高低。所以，金屬的強化手段都與約束和釘扎位錯的滑移有關(guān)。只要能夠阻礙位錯的移動，提高金屬的塑性變形抗力，就能夠提高金屬材料的強度。o 常用的金屬強化手段有固溶強化、第二相強化、細晶強化、加工硬化（形變強化）、相變強化等幾種，其中加工硬化已在前面單獨講述，故下面主要介紹其余四種方法。一、固溶強化o通過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，使金屬材料的強度、硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強化。固溶強化是金屬材料最基本的強化方式，提高金屬材料力學(xué)性能的重要途徑之一。o固溶強化的主要原因有二：一是溶質(zhì)原子的溶入使固溶體的晶格發(fā)生畸變，對在滑移面上運動

29、的位錯有阻礙作用；二是在位錯線上偏聚的溶質(zhì)原子對位錯的釘扎作用。o但是，固溶強化是以犧牲塑性和韌性為代價的，固溶強化效果越好，塑性和韌性下降越多。實踐表明，只要適當(dāng)控制固溶體中的溶質(zhì)含量，可以在顯著提高金屬材料的強度的同時，仍能保持良好的塑性和韌性。因此，對綜合力學(xué)性能要求較高的金屬材料，都是以固溶體為基體的合金。二、第二相強化o 許多金屬材料的組織是由兩相或多相構(gòu)成，一般基體為固溶體相，一些高熔點的氧化物或碳化物、氮化物以細小顆粒狀彌散分布在基體上，稱為第二相粒子，其硬度比比基體高得多。在第二相粒子可以有效地阻礙位錯運動，運動著的位錯遇到滑移面上的第二相粒子時，或切過，或繞過，這樣滑移變形才

30、能繼續(xù)進行。這一過程要消耗額外的能量，需要提高外加應(yīng)力，所以造成強化。這種由第二相粒子引起的強化作用稱之為第二相強化。o 根據(jù)獲得第二相的工藝不同，按習(xí)慣將各種第二相強化分別稱呼，其中通過相變熱處理獲得的稱為沉淀強化或析出強化，而把通過粉末燒結(jié)獲得的稱為彌散強化。有時也不加區(qū)分地混稱為彌散強化或顆粒強化。如應(yīng)用釩、鈮、鈦、鋁的微合金化，使過冷奧氏體發(fā)生相間沉淀和鐵素體中析出彌散的碳化物和碳氮化物，產(chǎn)生沉淀強化。o 必須指出，只有當(dāng)粒子很小時，第二相粒子才能起到明顯的強化作用，如果粒子太大，則強化效應(yīng)將微不足道。因此，第二相粒子應(yīng)該細小而分散，即要求有高的彌散度。粒子越細小，彌散度越高，則強化效

31、果越好。 三、細晶強化o晶界或其它界面可以有效地阻止位錯通過，因而可以使金屬強化。所以將通過細化晶粒增加晶界面積，提高金屬強度的方法稱為晶界強化，也稱細晶強化。o細晶強化的原因有二方面。一方面由于晶界的存在，使變形晶粒中的位錯在晶界處受阻，每一晶粒中的滑移帶也都終止在晶界附近；另一方面，由于各晶粒間存在著位向差，為了協(xié)調(diào)變形，要求每個晶粒必須進行多滑移，而多滑移必然要發(fā)生位錯的相互交割，這兩者均將大大提高金屬材料的強度。顯然，晶粒越細，單位體積內(nèi)的晶界面積越大，則其強化效果越顯著。o晶界與強度之間的關(guān)系有一個經(jīng)驗公式（HallPetch公式）： R=R0+kd-1/2四、相變強化o金屬材料通過

32、熱處理等手段發(fā)生固態(tài)相變，獲得需要的組織結(jié)構(gòu)，使金屬材料得到強化，稱為相變強化。o淬火是使金屬最重要的相變強化手段，金屬材料經(jīng)過淬火和隨后回火的熱處理工藝后，可獲得馬氏體組織，使材料強化。淬火獲得馬氏體強化的原因是過飽和的碳原子使晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生了強烈的固溶強化；同時在馬氏體中又存在大量的微細孿晶和位錯，它們都會提高塑性變形的抗力，從而產(chǎn)生了相變強化。o但是，馬氏體強化只能適用于在不太高的溫度下工作的零構(gòu)件，工作于高溫條件下的零構(gòu)件不能采用這種強化方法。模塊四 塑性指標及其測試能力知識點能力知識點1 塑性及塑性的意義一、金屬的塑性o 塑性是金屬材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。o 金屬材料斷裂前

33、所產(chǎn)生的塑性變形有均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分組成。o 拉伸縮頸形成后，塑性變形主要集中于試樣縮頸附近。能力知識點能力知識點2 塑性指標塑性指標金屬的塑性常用斷后伸長率和斷面收縮率表示。 一、斷后伸長率o 斷后伸長率是指試樣拉斷后標距的伸長量（LU-L0）與原始標距L0的比值，用A表示，即:o 式中: LU試樣拉斷后標距的長度(mm)；o L0試樣的原始標距(mm)。%10000LLLAuo 斷后伸長率的測試方法為，將拉斷的試樣緊密地對接在一起，盡量使試樣軸線位于一直線上，并采取適當(dāng)措施（例如：通過螺絲施加壓力），使試樣斷裂部分適當(dāng)接觸。采用分辨力優(yōu)于 0.1 mm 的量具，選用下列方法之

34、一測量斷后標距。 ( 1 ）直接法：o 當(dāng)試樣拉斷處到標距端點的距離均大于1/3L0時，直接測量標距兩端點之間的距離Lu。 ( 2 )移位法o 如果試樣拉斷處到標距端點的距離小于1/3L0時，應(yīng)按國家標準的規(guī)定采用斷口移中的辦法，計算Lu長度。o 試驗前要在試件標距內(nèi)等分劃十個格子。試驗后，將試件對接在一起，從斷口為起點O，在長段上取基本等于短段的格數(shù)得B點。計算Lu方法如下： o 當(dāng)斷口非?？拷嚰啥耍c其頭部之距離等于或小于直徑的兩倍時，一般認為試驗結(jié)果無效，需要重新試驗。o 同一材料的試樣長短不同，測得的斷后伸長率略有不同。由于大多數(shù)韌性金屬材料的集中塑性變形量大于均勻塑性變形量，因

35、此，比例試樣的尺寸越短，其斷后伸長率越大，用短試樣（L05d0）測得的斷后伸長率A略大于用長試樣（L010d0）測得的斷后伸長率A11.3。 二、斷面收縮率o 斷面收縮率是指試樣拉斷處橫截面積的減小量（S0-SU）與原始橫截面積S0的比值，用Z表示，即：o 式中，SU試樣拉斷后斷裂處的最小橫截面積（mm2）；o S0試樣的原始橫截面積（mm2）。%10000SSSZu能力知識點能力知識點3 塑性的意義塑性的意義一、塑性的意義o 任何零件都要求材料具有一定的塑性。很顯然，斷后伸長率A和斷面收縮率Z越大，說明材料在斷裂前發(fā)生的塑性變形量越大，也就是材料的塑性越好。o 意義： a）安全，防止產(chǎn)生突然

36、破壞； b）緩和應(yīng)力集中； c）軋制、擠壓等冷熱加工變形。o 強度與塑性是一對相互矛盾的性能指標。在金屬材料的工程應(yīng)用中，要提高強度，就要犧牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一部分強度。o 正所謂“魚和熊掌二者不能兼得”。但通過細化金屬材料的顯微組織，可以同時提高材料的強度和塑性。通常情況下金屬的伸長率不超過90% ，而有些金屬及其合金在某些特定的條件下，最大伸長率可高達1000%2000% ，個別的可達6000% ，這種現(xiàn)象稱為超塑性。由于超塑性狀態(tài)具有異常高的塑性，極小的流動應(yīng)力，極大的活性及擴散能力，在壓力加工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等很多領(lǐng)域被中應(yīng)用。模塊六 拉伸試樣斷口的評價和拉伸試驗結(jié)果的處理能