金屬材料的強度與塑性課件

(最新整理)金屬材料的強度與塑性2021/7/261(最新整理)金屬材料的強度與塑性2021/7/261導(dǎo)讀金屬材料在現(xiàn)代工業(yè)中的廣泛應(yīng)用主要是由于其能滿足各種工程構(gòu)件或機械零件所需的力學(xué)性能和工藝性能要求，所以掌握各種金屬材料的力學(xué)性能及其變化規(guī)律，根據(jù)工作條件及力學(xué)性能選擇材料，充分發(fā)揮其性能潛力，是保證構(gòu)件或零件質(zhì)量的基礎(chǔ)。2021/7/262導(dǎo)讀金屬材料在現(xiàn)代工業(yè)中的廣泛應(yīng)用主要是由于其能滿足各種工程材料在力的作用下，諸如不同載荷所造成的彈性變形、塑性變形、斷裂（脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂等）以及金屬抵抗變形和斷裂能力的衡量指標(biāo)。金屬材料的力學(xué)性能是指在承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時，對變形與斷裂的抵抗能力及發(fā)生變形的能力。常用的力學(xué)性能有：強度、塑性、硬度、沖擊韌性及疲勞極限等。2021/7/263材料在力的作用下，諸如不同載荷所造成的彈性變形、塑性變形、斷2021/7/2642021/7/264材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。

2021/7/265材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。2021/強度是指金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。塑性是指金屬材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不致引起破壞的能力。金屬材料的強度和塑性的指標(biāo)可通過拉伸試驗測定。2021/7/266強度是指金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。2

一、拉伸實驗

（GB/T228-2002）拉伸試樣2.力—伸長曲線（以低碳鋼試樣為例）3.脆性材料的拉伸曲線2021/7/267一、拉伸實驗

（GB/T228-2002）拉伸試樣2021.拉伸試樣有圓形、矩形、六方等形狀。長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d02021/7/2681.拉伸試樣有圓形、矩形、六方等形狀。長試樣：L0=2021/7/2692021/7/269萬能材料試驗機a)WE系列液壓式b)WDW系列電子式2021/7/2610萬能2021/7/26112021/7/26112.力－伸長曲線拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。

頸縮階段強化階段彈性變形階段屈服階段如圖：低碳鋼的力—伸長曲線2021/7/26122.力－伸長曲線拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。(a)試樣(b)伸長(c)產(chǎn)生縮頸(d)斷裂2021/7/26132021/7/2613拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象2021/7/2614拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象2021/7/2614ΔLF03.脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。

2021/7/2615ΔLF03.脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材

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，具有實際意義。2021/7/2616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(biāo)。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。根據(jù)載荷的作用方式不同，強度可分為抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度、抗扭強度和抗彎強度。通常以抗拉強度代表材料的強度指標(biāo)。二、強度2021/7/2617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。一般鋼材的屈服強度在200～2000MPa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。2021/7/2618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/

1、彈性極限Re

彈性極限是指在產(chǎn)生完全彈性變形時材料所能承受的最大應(yīng)力，即：

式中Fe——試樣完全彈性變形時所能承受的最大載荷(N)So——試樣原始截面積(mm2)2021/7/26191、彈性極限Re式中Fe——試樣完全彈性變形時所能承受的2、屈服強度

（1）屈服現(xiàn)象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。2021/7/26202、屈服強度

（1）屈服現(xiàn)象在金屬拉伸試驗過程中，當(dāng)應(yīng)力（2）屈服強度在拉伸曲線上，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。在金屬材料中，一般用下屈服強度ReL代表其屈服強度。

ReH和ReL的計算公式如下：2021/7/2621（2）屈服強度在拉伸曲線上，與上、下屈服點相對應(yīng)的應(yīng)力稱為上2021/7/26222021/7/2622（3）條件（名義）屈服強度

對于高碳淬火鋼、鑄鐵等材料，在拉伸試驗中沒有明顯的屈服現(xiàn)象，無法確定其屈服強度。國標(biāo)GB228-2002規(guī)定，對沒有明顯屈服現(xiàn)象的材料，一般規(guī)定以試樣達到0.2%殘余伸長率對應(yīng)的應(yīng)力作為材料的屈服強度，稱為條件（名義）屈服強度，通常記作Rp0.2。2021/7/2623（3）條件（名義）屈服強度對于高碳淬火鋼、鑄鐵等材料，例如Rp0.2

表示規(guī)定殘余延伸率為0.2％時的應(yīng)力。其計算公式為：

Rp0.2

＝F0.2/S0（N/mm2）

式中：F0.2－殘余延伸率達0.2％時的載荷（N）；

S0－試樣原始橫截面積（mm2）。

2021/7/2624例如Rp0.2表示規(guī)定殘余延伸率為0.2％時的應(yīng)力。202

ΔLF0F0.20.2%L0F0.2S0Rp0.2

=2021/7/2625ΔLF0F0.20.2%L0F0.2S0Rp0.2=20工程上各種構(gòu)件或機器零件工作時均不允許發(fā)生過量塑性變形，因此屈服強度ReL和條件屈服強度Rp0.2是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，也是大多數(shù)機械零件選材和設(shè)計的依據(jù)。2021/7/2626工程上各種構(gòu)件或機器零件工作時均不允許發(fā)生過量塑性變形，因此傳統(tǒng)的強度設(shè)計方法，對韌性材料，以屈服強度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力[σ]=ReL/n，安全系數(shù)n一般取2或更大。ReL

和Rp0.2常作為零件選材和設(shè)計的依據(jù)。2021/7/2627傳統(tǒng)的強度設(shè)計方法，對韌性材料，以屈服強度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)3、抗拉強度

材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，用符號Rm表示。Rm=FmS0計算公式2021/7/26283、抗拉強度材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，用符號R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。斷裂是零件最嚴(yán)重的失效形式，所以，抗拉強度也是機械工程設(shè)計和選材的主要指標(biāo)，特別是對脆性材料來講。2021/7/2629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。2021/7/26302021/7/2630

強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強度在200～1000MPa之間。強度越高，表明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)件或零件的尺寸，從而減小其自重。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。4、強度的意義2021/7/2631強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強2、衡量指標(biāo)金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。②斷面收縮率：①斷后伸長率：試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的百分比。試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。1、定義三、塑性2021/7/26322、衡量指標(biāo)金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。②斷面收縮率：斷后伸長率（A）l1-l0l0×100%A=l1——試樣拉斷后的標(biāo)距（mm）l0——試樣的原始標(biāo)距（mm）2021/7/2633斷后伸長率（A）l1-l0l0×100%A=l1——試樣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，因此，比例試樣的尺寸越短，其斷后伸長率越大，用短試樣（L0＝5d0）測得的斷后伸長率A略大于用長試樣（L0＝10d0）測得的斷后伸長率A11.3。

2021/7/2634同一材料的試樣長短不同，測得的斷后伸長率略有不同。2021/斷面收縮率（Z）S0-S1S0Z=×100%S0——試樣原始橫截面積（mm2）S1——頸縮處的橫截面積（mm2）2021/7/2635斷面收縮率（Z）S0-S1S0Z=×100%S0——試樣3、塑性的意義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。意義：

a）安全，防止產(chǎn)生突然破壞；

b）緩和應(yīng)力集中；

c）軋制、擠壓等冷熱加工易變形。2021/7/26363、塑性的意義任何零件都要求材料具有一定的塑性。很顯然，斷后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。超塑性小知識：2021/7/2637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1、強度與塑性是一對相互矛盾的性能指標(biāo)。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。2、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。四、小結(jié)2021/7/26381、強度與塑性是一對相互矛盾的性能指標(biāo)。在金屬材料的工程應(yīng)用2021/7/26392021/7/2639(最新整理)金屬材料的強度與塑性2021/7/2640(最新整理)金屬材料的強度與塑性2021/7/261導(dǎo)讀金屬材料在現(xiàn)代工業(yè)中的廣泛應(yīng)用主要是由于其能滿足各種工程構(gòu)件或機械零件所需的力學(xué)性能和工藝性能要求，所以掌握各種金屬材料的力學(xué)性能及其變化規(guī)律，根據(jù)工作條件及力學(xué)性能選擇材料，充分發(fā)揮其性能潛力，是保證構(gòu)件或零件質(zhì)量的基礎(chǔ)。2021/7/2641導(dǎo)讀金屬材料在現(xiàn)代工業(yè)中的廣泛應(yīng)用主要是由于其能滿足各種工程材料在力的作用下，諸如不同載荷所造成的彈性變形、塑性變形、斷裂（脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂等）以及金屬抵抗變形和斷裂能力的衡量指標(biāo)。金屬材料的力學(xué)性能是指在承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時，對變形與斷裂的抵抗能力及發(fā)生變形的能力。常用的力學(xué)性能有：強度、塑性、硬度、沖擊韌性及疲勞極限等。2021/7/2642材料在力的作用下，諸如不同載荷所造成的彈性變形、塑性變形、斷2021/7/26432021/7/264材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。

2021/7/2644材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。2021/強度是指金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。塑性是指金屬材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不致引起破壞的能力。金屬材料的強度和塑性的指標(biāo)可通過拉伸試驗測定。2021/7/2645強度是指金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。2

一、拉伸實驗

（GB/T228-2002）拉伸試樣2.力—伸長曲線（以低碳鋼試樣為例）3.脆性材料的拉伸曲線2021/7/2646一、拉伸實驗

（GB/T228-2002）拉伸試樣2021.拉伸試樣有圓形、矩形、六方等形狀。長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d02021/7/26471.拉伸試樣有圓形、矩形、六方等形狀。長試樣：L0=2021/7/26482021/7/269萬能材料試驗機a)WE系列液壓式b)WDW系列電子式2021/7/2649萬能2021/7/26502021/7/26112.力－伸長曲線拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。

頸縮階段強化階段彈性變形階段屈服階段如圖：低碳鋼的力—伸長曲線2021/7/26512.力－伸長曲線拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。(a)試樣(b)伸長(c)產(chǎn)生縮頸(d)斷裂2021/7/26522021/7/2613拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象2021/7/2653拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象2021/7/2614ΔLF03.脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。

2021/7/2654ΔLF03.脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材

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，具有實際意義。2021/7/2655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(biāo)。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。根據(jù)載荷的作用方式不同，強度可分為抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度、抗扭強度和抗彎強度。通常以抗拉強度代表材料的強度指標(biāo)。二、強度2021/7/2656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。一般鋼材的屈服強度在200～2000MPa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。2021/7/2657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/

1、彈性極限Re

彈性極限是指在產(chǎn)生完全彈性變形時材料所能承受的最大應(yīng)力，即：

式中Fe——試樣完全彈性變形時所能承受的最大載荷(N)So——試樣原始截面積(mm2)2021/7/26581、彈性極限Re式中Fe——試樣完全彈性變形時所能承受的2、屈服強度

（1）屈服現(xiàn)象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。2021/7/26592、屈服強度

（1）屈服現(xiàn)象在金屬拉伸試驗過程中，當(dāng)應(yīng)力（2）屈服強度在拉伸曲線上，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。在金屬材料中，一般用下屈服強度ReL代表其屈服強度。

ReH和ReL的計算公式如下：2021/7/2660（2）屈服強度在拉伸曲線上，與上、下屈服點相對應(yīng)的應(yīng)力稱為上2021/7/26612021/7/2622（3）條件（名義）屈服強度

對于高碳淬火鋼、鑄鐵等材料，在拉伸試驗中沒有明顯的屈服現(xiàn)象，無法確定其屈服強度。國標(biāo)GB228-2002規(guī)定，對沒有明顯屈服現(xiàn)象的材料，一般規(guī)定以試樣達到0.2%殘余伸長率對應(yīng)的應(yīng)力作為材料的屈服強度，稱為條件（名義）屈服強度，通常記作Rp0.2。2021/7/2662（3）條件（名義）屈服強度對于高碳淬火鋼、鑄鐵等材料，例如Rp0.2

表示規(guī)定殘余延伸率為0.2％時的應(yīng)力。其計算公式為：

Rp0.2

＝F0.2/S0（N/mm2）

式中：F0.2－殘余延伸率達0.2％時的載荷（N）；

S0－試樣原始橫截面積（mm2）。

2021/7/2663例如Rp0.2表示規(guī)定殘余延伸率為0.2％時的應(yīng)力。202

ΔLF0F0.20.2%L0F0.2S0Rp0.2

=2021/7/2664ΔLF0F0.20.2%L0F0.2S0Rp0.2=20工程上各種構(gòu)件或機器零件工作時均不允許發(fā)生過量塑性變形，因此屈服強度ReL和條件屈服強度Rp0.2是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，也是大多數(shù)機械零件選材和設(shè)計的依據(jù)。2021/7/2665工程上各種構(gòu)件或機器零件工作時均不允許發(fā)生過量塑性變形，因此傳統(tǒng)的強度設(shè)計方法，對韌性材料，以屈服強度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力[σ]=ReL/n，安全系數(shù)n一般取2或更大。ReL

和Rp0.2常作為零件選材和設(shè)計的依據(jù)。2021/7/2666傳統(tǒng)的強度設(shè)計方法，對韌性材料，以屈服強度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)3、抗拉強度

材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，用符號Rm表示。Rm=FmS0計算公式2021/7/26673、抗拉強度材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，用符號R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。斷裂是零件最嚴(yán)重的失效形式，所以，抗拉強度也是機械工程設(shè)計和選材的主要指標(biāo)，特別是對脆性材料來講。2021/7/2668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。2021/7/26692021/7/2630

強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強度在200～1000MPa之間。強度越高，表明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)件或零件的尺寸，從而減小其自重。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。4、強度的意義2021/7/2670強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強2、衡量指標(biāo)金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。②斷面收縮率：①斷后伸長率：試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的百分比。試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。1、定義三、塑性2021/7/26712、衡量指標(biāo)金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。②斷面收縮率：斷后伸長率（A）l1-l0l0×100%A=l1——試樣