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金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)

1.金屬材料的強(qiáng)度

1.1強(qiáng)度定義

金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力。

1.2分類(lèi)

由于所受載荷的形式不同，金屬材料的強(qiáng)度可分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度

和抗剪強(qiáng)度等。其中以拉伸實(shí)驗(yàn)所得到的強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)用最為廣泛。

按GB/T228—2002的規(guī)定，把一定尺寸和形狀的金屬試樣（見(jiàn)圖1-1）裝夾在試驗(yàn)機(jī)

上，然后對(duì)試樣逐漸施加拉伸載荷，直至把試樣拉斷為止，根據(jù)試樣在拉伸過(guò)程中承受

的載荷和產(chǎn)生的變形量之間的關(guān)系，可測(cè)出該金屬的拉伸曲線(xiàn)（見(jiàn)圖1-2）o

無(wú)論那種固體材料，它的內(nèi)部原子之間都存在相互平衡的原子結(jié)合力的相互作用。

當(dāng)工件材料受外力作用時(shí)，原來(lái)的平衡就會(huì)受到破壞，材料中任意一個(gè)小單元與其鄰近

的各小單元之間就產(chǎn)生了新的力，稱(chēng)為內(nèi)力。在單位截面上的內(nèi)力，稱(chēng)為應(yīng)力，用表

示；工程上用符號(hào)R表示材料的工程應(yīng)力。在外力作用下引起的形狀和尺寸的改變，稱(chēng)

為變形，包括彈性變形（卸載后可恢復(fù)原來(lái)的形狀和尺寸）和塑性變形（卸載后不能恢復(fù)

原來(lái)的形狀和尺寸）。

2.金屬材料的常用強(qiáng)度指標(biāo)

強(qiáng)度指標(biāo)是設(shè)計(jì)中決定許用應(yīng)力的重要依據(jù)。拉伸實(shí)驗(yàn)所得到的強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)用最為

廣泛，常用的強(qiáng)度指標(biāo)有：

1.彈性極限（。。）一一表征材料抵抗彈性變形的能力

2.屈服強(qiáng)度（。s）一一表征材料抵抗微量塑性變形的能力

3.抗拉強(qiáng)度（ob）一—表征材料抵抗斷裂的能力

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4.疲勞強(qiáng)度（S）一—表征材料交變應(yīng)力下脆性斷裂的能力

2.1彈性極限（Oe）

不同性質(zhì)材料的拉伸曲線(xiàn)形狀是不相同的。拉伸曲線(xiàn)0c段是直線(xiàn)，這一部分試樣

變形量與外力F成正比。當(dāng)去除外力后，試樣恢復(fù)到原來(lái)尺寸，稱(chēng)這一階段的變形為彈

性變形。外力F。是使試樣只產(chǎn)生彈性變形的最大載荷。

彈性極限是指材料產(chǎn)生彈性變形所承受的最大應(yīng)力值。彈性極限用符號(hào)5表示，

單位為Mpa（N/mm2）,即

4=區(qū)

S°

式中So——試樣的原始截面積（mm2）；

F..——試樣完全彈性變形時(shí)所能承受的最大載荷（N）。

彈性極限Qe是由試驗(yàn)得到的，它的值受測(cè)量精度影響很大。為方便實(shí)際測(cè)量和應(yīng)

用，一般規(guī)定以殘余應(yīng)變量（即微量塑性變形量）為0.01%時(shí)的應(yīng)力值（5劃）為“規(guī)定彈

性極限”。

2.2屈服強(qiáng)度（as）

從拉伸曲線(xiàn)上可以看到，當(dāng)載荷增加至超過(guò)R后，試樣保留部分不能恢復(fù)的殘余變

形，即塑性變形。在外力達(dá)R時(shí)，曲線(xiàn)出現(xiàn)一個(gè)小平臺(tái)。此平臺(tái)表明不增加載荷試樣仍

然繼續(xù)變形，這時(shí)材料失去抵抗外力的能力而屈服。我們稱(chēng)試樣屈服時(shí)的應(yīng)力為材料的

屈服點(diǎn)，按GB/T10623—2008的規(guī)定，用R0（。s）表示，單位為MPa,即

%

式中K——試樣發(fā)生屈服時(shí)承受的載荷（N）；

So一一試樣的原始截面積（小哨。

很多金屬材料，如多數(shù)合金鋼、銅合金以及鋁合金，它的拉伸曲線(xiàn)不會(huì)出現(xiàn)平臺(tái)。

而一些脆性材料，如普通鑄鐵、鎂合金等，甚至斷裂之前也不發(fā)生塑性變形，因此工程

上規(guī)定試樣發(fā)生某一微量塑性變形（0.2%）時(shí)的應(yīng)力作為該材料的屈服強(qiáng)度，即“條件

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屈服強(qiáng)度”，記作Rr0.2或。。.2。

屈服強(qiáng)度一是塑性材料選材和評(píng)定的依據(jù)。當(dāng)材料單位面積上所受的應(yīng)力/

。、時(shí)，只產(chǎn)生微量的塑性變形。當(dāng)。）。、時(shí)，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。

材料的屈服點(diǎn)越高，允許的工作應(yīng)力也就越高，則零件的截面尺寸及自身質(zhì)量就可

減小。因此，材料的屈服點(diǎn)或規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力是機(jī)械零件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，也是評(píng)定

金屬材料性能的重要指標(biāo),

2.3抗拉強(qiáng)度（5）

試樣在屈服時(shí)，由于塑性變形而產(chǎn)生加工硬化，所以只有載荷繼續(xù)增大時(shí)變形才能

繼續(xù)增加，直到增至最大載荷凡。拉伸曲線(xiàn)的這一階段，試樣沿整個(gè)長(zhǎng)度均勻伸長(zhǎng)，當(dāng)

載荷達(dá)到A后，試樣就在某個(gè)薄弱部位形成“縮頸”,如圖1Tb所示°這時(shí)不增加載

荷試樣也會(huì)發(fā)生斷裂。R是試樣承受的最大外力，相應(yīng)的應(yīng)力即為材料的抗拉強(qiáng)度，按

GB/T10623—2008的規(guī)定，用（表示，單位為MPa,它代表金屬材料抵抗大量塑性變形

的能力，

即R=A

S。

式中F.——試樣在尼服階段之后所能抵抗的最大載荷，對(duì)于無(wú)明顯屈服（連續(xù)屈服）

的金屬材料，為試驗(yàn)期間的最大載荷（N）；

&一一試樣的原始截面積（mn?）。

抗拉強(qiáng)度是工程上最重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一。對(duì)于塑性較好的材料，花表示了對(duì)

最大均勻變形的抗力。對(duì)于塑性較差的材料，一旦達(dá)到最大載荷，材料便迅速發(fā)生斷裂，

所以此也是材料的斷裂抗力（斷裂強(qiáng)度）指標(biāo)。一般機(jī)器構(gòu)件都是在彈性狀態(tài)下工作的，

不允許微小的塑性變形，所以在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用卡或心,2強(qiáng)度指標(biāo)，并加上適當(dāng)?shù)陌?/p>

全系數(shù)。但由于抗拉強(qiáng)度R測(cè)定較方便，而且數(shù)據(jù)也較準(zhǔn)確，所以設(shè)計(jì)零件時(shí)有時(shí)也可

以直接采用抗拉強(qiáng)度泥，但需使用較大的安全系數(shù)。

（/分的比值稱(chēng)為屈強(qiáng)比，是一個(gè)有意義的指標(biāo)。比值越大，越能發(fā)揮材料的潛力，

減小結(jié)構(gòu)的自重。但為了使用安全也不宜過(guò)大，適合的比值在0.65?0.75之巨。

2.4疲勞強(qiáng)度

許多機(jī)械零件是在交變應(yīng)力下工作的，如機(jī)床主軸、連桿、齒輪、彈簧、各種滾動(dòng)

軸承等。交變應(yīng)力，是指零件所受應(yīng)力的大小和方向隨時(shí)間做周期性變化。例如，受力

發(fā)生彎曲的軸，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)材料要反復(fù)受到拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，屬于對(duì)稱(chēng)交變應(yīng)力循環(huán)。零

件在交變應(yīng)力作用下，當(dāng)交變應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后也會(huì)發(fā)

生破壞，材料在這種應(yīng)力作用下發(fā)生的斷裂現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞斷裂。

疲勞斷裂往往突然發(fā)生，無(wú)論是塑性材料還是脆性材料，斷裂時(shí)都不產(chǎn)生明顯的塑

性變形，具有很大的危險(xiǎn)性，常常會(huì)造成事故。

金屬材料的疲勞破壞過(guò)程，首先是在其薄弱部位，如在有應(yīng)力集中或缺陷（劃傷、

夾渣、顯微裂紋等）處產(chǎn)生微細(xì)裂紋。這種裂紋是疲勞源，并且一般會(huì)出現(xiàn)在零件表面

上，形成裂紋擴(kuò)展區(qū)。當(dāng)裂紋擴(kuò)展區(qū)達(dá)到某一臨界尺寸時(shí)，零件甚至?xí)诘陀趶椥詷O限

的應(yīng)力下突然脆斷c最后的脆斷區(qū)稱(chēng)為最終破斷區(qū)c圖1-%是典型疲勞斷口（汽車(chē)后軸）

的宏觀照片，而圖L3b是典型斷口三個(gè)區(qū)域的示意圖O

裂紋擴(kuò)展區(qū)

圖1-3疲勞斷口的特征

a）汽車(chē)后軸的斷口b）斷口的示意圖

材料抵抗疲勞破壞的能力由疲勞實(shí)驗(yàn)獲得。被測(cè)材料承受交變應(yīng)力與材料斷裂前的

應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系曲線(xiàn)可以用圖1-4所示的材料的疲勞曲線(xiàn)描述。按GB/T10623

—2008的規(guī)定，材料疲勞強(qiáng)度用S表示，*表示交變應(yīng)力循環(huán)系數(shù)，對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)時(shí)的

疲勞強(qiáng)度用。,表示。由于無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)難以實(shí)現(xiàn)，規(guī)定鋼鐵材料經(jīng)受107次循環(huán)，有

色金屬經(jīng)受10“次循環(huán)時(shí)的應(yīng)力值確定為一般認(rèn)為，產(chǎn)生疲勞破壞的原因是材料

的某些缺陷，如夾雜物、氣孔等所致。在交變應(yīng)力下，缺陷處首先形成微小裂紋，裂紋

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