崔永廣 河南科技學(xué)院高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院

工業(yè)生產(chǎn)中使用的各類機(jī)器設(shè)備以及日常生活中使用的諸多生活用品，都是由各種材料經(jīng)過(guò)加工制造而成的?？梢哉f(shuō)，材料是科學(xué)技術(shù)發(fā)展、現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)以及人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾镔|(zhì)基礎(chǔ)。因此，了解和熟悉材料的性能，不僅是機(jī)械零件設(shè)計(jì)、選材和制訂各種加工工藝的主要依據(jù)，同時(shí)也是生活在工業(yè)現(xiàn)代化社會(huì)中的每個(gè)人必須具備的基礎(chǔ)知識(shí)。

材料的性能是指材料對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、使用等要求的滿足程度，也就是材料本身所具有的性質(zhì)和能力。只有全面了解材料的各種性能，才能正確、經(jīng)濟(jì)、合理地選擇使用材料，準(zhǔn)確制定各種加工工藝，從而達(dá)到既節(jié)約材料又保證產(chǎn)品質(zhì)量的目的。材料的性能主要包括使用性能、工藝性能等。其中使用狀態(tài)下表現(xiàn)出來(lái)的性能最為重要，尤以力學(xué)性能為首。

一、拉伸試驗(yàn)

材料抵抗外力作用下變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度。通過(guò)拉伸試驗(yàn)可以測(cè)定材料的強(qiáng)度和塑性。目前金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法采用GB/T228-2002標(biāo)準(zhǔn)，但新標(biāo)準(zhǔn)的采用也有一個(gè)過(guò)程，本文為敘述方便仍采用舊標(biāo)準(zhǔn)（GB/T228-1987）符號(hào)。

圖1 拉伸試樣圖

從一個(gè)完整的拉伸試驗(yàn)記錄中，可以得到許多有關(guān)該材料的重要指標(biāo)，如材料的彈性、塑性變形的特點(diǎn)和程度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等。以低碳鋼為例，拉伸試驗(yàn)的試樣通常加工成圓形或矩形截面，如圖1所示。拉伸試樣的兩端放在拉伸試驗(yàn)機(jī)的夾頭內(nèi)夾緊，然后緩慢而均勻地施加軸向拉力，隨著拉力的增大，試樣開始被拉伸，直到拉斷為止。由試驗(yàn)機(jī)帶有的自動(dòng)記錄裝置，將負(fù)荷-伸長(zhǎng)以至斷裂的全過(guò)程繪出曲線圖，稱為拉伸曲線圖。如果把拉力除以試樣的原始橫截面積S0，得到拉應(yīng)力σ，把伸長(zhǎng)量△L除以試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度L0得到應(yīng)變?chǔ)拧８鶕?jù)σ和ε，則可以畫出應(yīng)力-應(yīng)變曲線（如圖2b所示）。應(yīng)力-應(yīng)變曲線不受試樣尺寸的影響，可以從圖上直接讀出材料的一些常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)。

圖2 退火低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

二、應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

如圖2所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以分為以下幾個(gè)變形階段。

（一）oe段

試樣在oe段所產(chǎn)生的變形，當(dāng)外載荷去除后試樣將恢復(fù)原來(lái)的形狀，也就是所謂的彈性變形，因此一般稱為彈性變形階段。需要注意的是在oe段中的op是直線，在此階段中應(yīng)力與應(yīng)變成完全正比關(guān)系，其比例系數(shù)為op段的斜率tanα，稱為彈性模量E。

oe段中有兩個(gè)應(yīng)力σp和σe需特別注意，其中σe是試樣去除外載荷后能恢復(fù)到原來(lái)形狀和尺寸的最大加載應(yīng)力，稱為彈性極限。σp是應(yīng)力與應(yīng)變成完全正比關(guān)系的最大加載應(yīng)力，稱為比例極限。由于p點(diǎn)與e點(diǎn)兩點(diǎn)之間非常的接近，一般不嚴(yán)格區(qū)分σp和σe，均可統(tǒng)稱為彈性極限，用σe表示。

（二）sc段

當(dāng)施加的應(yīng)力超過(guò)σe，去除外載荷后，試樣的變形就只能部分恢復(fù)，而保留了一部分殘余變形，這種不能恢復(fù)的殘余變形稱為塑性變形。在圖中可以看到，在此階段圖形曲線出現(xiàn)明顯的鋸齒形或平臺(tái)，這表明此階段在外載荷不增加甚至略有減小時(shí)，試樣的變形會(huì)繼續(xù)增加，這種現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象。σs是屈服階段中最小的應(yīng)力值，稱為屈服應(yīng)力。材料出現(xiàn)屈服后，將開始出現(xiàn)明顯的塑性變形，因此工程中常根據(jù)σs來(lái)確定材料的許用應(yīng)力。

（三）cb段

在屈服階段后，要使試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)就必須不斷增加外載荷。隨著外載荷的增加，塑性變形也不斷增大，隨著變形量的增大，試樣變形抗力也在不斷的增加，這種現(xiàn)象稱為材料的變形強(qiáng)化，也就是生產(chǎn)中常說(shuō)的加工硬化。在此階段中試樣的變形是均勻發(fā)生的，σb是拉伸試驗(yàn)中，試樣不發(fā)生斷裂所能承受的最大外載荷，稱為抗拉強(qiáng)度?？估瓘?qiáng)度是零件設(shè)計(jì)時(shí)的重要依據(jù)，同時(shí)也是評(píng)定金屬材料強(qiáng)度的重要指標(biāo)。

（四）bk段

當(dāng)外載荷超過(guò)抗拉強(qiáng)度σb后，試樣的直徑會(huì)發(fā)生明顯的局部收縮，這種收縮稱為縮頸。此時(shí)施加的外載荷逐漸減小，但試樣的變形繼續(xù)增加，直至達(dá)到k點(diǎn)時(shí)試樣發(fā)生斷裂。

三、彈性極限與剛度

σ-ε曲線中開始一段為直線。在該段的加載過(guò)程中若中途卸除載荷，則試樣即恢復(fù)原狀，這種不產(chǎn)生永久變形的能力稱為彈性，彈性段對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力稱為彈性極限，如圖2中的σe（MPa）。σ-ε曲線中直線部分的斜率E稱為彈性模量，其數(shù)值為單位MPa，此值僅與材料有關(guān)，反映了材料抵抗彈性變形能力的大小，即剛度。E愈大，則彈性愈小，剛度愈大；反之，E愈小，則彈性愈大，剛度愈小。材料在使用中，如剛度不足，則會(huì)由于發(fā)生過(guò)大的彈性變形而失效。

四、強(qiáng)度

（一）屈服強(qiáng)度

屈服強(qiáng)度是指材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的最小應(yīng)力，反映了材料抵抗塑性變形的能力，如圖2所示的σs（MPa）。

式中Fs—試樣產(chǎn)生屈服時(shí)的最小載荷（N）；

A0—試樣原始橫截面積（mm2）。

需要注意的是對(duì)于鑄鐵和高碳鋼等脆性材料，沒有明顯的屈服現(xiàn)象，按國(guó)標(biāo) GB/T228的規(guī)定，可以測(cè)定其規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力值σr（MPa），它表示材料在去除外載荷后，試樣的殘余伸長(zhǎng)率達(dá)到規(guī)定數(shù)值時(shí)的應(yīng)力。如σ0.2表示規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力，σ0.2可用來(lái)表示脆性材料開始產(chǎn)生塑性變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的最小應(yīng)力，即以σ0.2作為脆性材料的屈服強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度是機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的主要依據(jù)，也是評(píng)定金屬材料性能的主要指標(biāo)之一。

（二）抗拉強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度σb是指材料在被拉斷前所能承受的最大應(yīng)力，它反映了材料抵抗斷裂的能力，其單位為MPa，即

式中Fb—試樣拉斷前承受的最大載荷（N）；

A0—試樣原始橫截面積（mm2）。

機(jī)械零件在工作中所承受的外載荷，只要超過(guò)抗拉強(qiáng)度，零件材料將會(huì)發(fā)生斷裂，因此抗拉強(qiáng)度是機(jī)械設(shè)計(jì)中斷裂強(qiáng)度校核的主要依據(jù)。

五、塑性

材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性。塑性大小用斷后伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ來(lái)表示，即：

δ、ψ愈大，材料塑性愈好。