金属材料的“强度”和“塑性”

今天来学习一下金属材料的基础知识：

强度

塑性

&

先来名词解释：

强度	在外力作用下，材料抵抗变形和 断裂的能力称为强度。按外力作 用方式不同，可分为抗拉强度、 抗压强度、抗弯强度、抗剪强度 和抗扭强度等，其中以抗拉强度 最为常用。当材料承受拉力时， 强度主要是指屈服强度σｓ和抗 拉强度σｂ。
塑性 （弹性）	材料受到外力作用会产生变形。 当外力撤除，产生的变形能恢复 原状，这种能力称为弹性；当外 力撤除，产生的变形不能恢复至 原状，这种产生永久变形而不断 裂的性能称为塑性。

要理解上面的名词，必须来了解金属材料受到外界的“暴力”后究竟发生了什么：

第一阶段：弹性变形(elastic deformation)；

第二阶段：塑性变形(plastic deformation)；

第三阶段：断裂(fracture)。

拼死抵抗，奈何扛不过，被迫变形，最后被拉断——为了骨肉相连，原子们拼尽了全力，最终换来的还是悲伤的结局，有没有一种很悲壮的感觉？

这种受到外力后产生变形最后断裂的过程可以用应力-应变曲线图来形象表示。典型的低碳钢拉伸试验的曲线图如下：

拉伸试验是指将一定形状和尺寸的标准试样装夹在拉伸试验机上，缓慢地进行拉伸，使试样承受轴向拉力，直至拉断为止。试验机自动记录装置可将整个拉伸过程中的拉伸力和伸长量自动记录下来——即应力-应变曲线图。

从曲线图中可以看到：

当拉伸力由零逐渐增加到F_e时（即曲线上OE段），试样的伸长量与拉伸力成正比例增加，试样随拉伸力的增大而均匀伸长，此时若去除拉伸力，试样能完全恢复到原来的形状和尺寸，即试样处于弹性变形阶段。

 

当拉伸力超过F_e后，试样除产生弹性变形外，还开始出现微量的塑性变形。

 

当拉伸力增大到F_s时，曲线上出现水平（或锯齿形）线段，即表示拉伸力不增加，试样却继续伸长，称此现象为“屈服”。

有没有觉得“屈服”命名很妙？我拼命反抗你的暴力，但是没办法，你实力比我强，我实在抵不过，好吧，那就跪倒在地上，俯首称臣，你想怎样就怎样……

 

拉伸力超过F_s后，试样产生大量的塑性变形，直到最大拉伸力为F_b时，试样横截面发生局部收缩，即产生“缩颈”。

 

此后，试样的变形局限在缩颈部分，承受的拉伸力迅速减小，直至拉断试样（曲线K点）。

用我们的眼睛来看，试样是这样变化的：

是不是有点眼熟？没错，拉断一根面条或拉断一根细铁丝，发生的故事和拉伸试验差不了多少。拉伸试验机的好处是把这个过程的力和变形准确地动态记录下来了。这些数据可以用来计算强度和塑性的大小。

强度的计算

金属材料的强度是用应力来度量的。单位截面上的内力称为应力，用符号σ（音：西格玛）表示。内力是指材料受外力作用发生变形时，内部产生阻止变形的抗力。

常用的强度判据有：弹性极限、屈服强度和抗拉强度。

⑴

弹性极限

弹性极限是指试样产生完全弹性变形时所能承受的最大应力，用符号σ_e表示，单位为MPa。

计算式：σ_e=F_e / A₀

F_e：试样产生完全弹性变形时的最大拉伸力，N；

A₀：试样原始横截面积，mm²。

⑵

屈服强度

屈服强度是指试样在拉伸过程中，力不增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力，用符号σ_s表示，单位为MPa。

σ_s=F_s / A₀

F_s：试样产生屈服时的拉伸力，N。

有些材料（如高碳钢）在拉伸时没有明显的屈服现象，无法测定σ_s 。因此人们又规定，以试样去掉拉伸力后，其标距部分的残余伸长量达到规定原始标距长度0.2%时的应力，为该材料的条件屈服强度，用符号σ_r0.2表示，通常记作σ_0.2。

σ_s和σ_0.2是表示材料抵抗微量塑性变形的能力。零件工作时一般不允许产生塑性变形。因此，σ_s是设计和选材时的主要参数。

⑶

抗拉强度

抗拉强度是指试样被拉断前所能承受的最大拉应力，用符号σ_b表示，单位为MPa。

σ_b=F_b / A₀

F_b：试样被拉断前的最大拉伸力，N。

 

σ_b表征材料对最大均匀塑性变形的抗力。σ_s与σ_b的比值称为屈强比，屈强比越小，零件工作时的可靠性越高，因为若超载也不会立即断裂。但屈强比太小，材料强度的有效利用率降低。σ_b也是设计和选材时的主要参数。

塑性的计算

塑性是指断裂前材料发生不可逆塑性变形的能力。

常用的判据有断后伸长率和断面收缩率。

⑴

断后伸长率

断后伸长率是指试样被拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比，用符号δ（音：德尔塔）表示。

δ=(l_k-l₀)/l₀×100%

l₀：试样原始标距长度，mm；

l_k：试样被拉断后的标距长度，mm。

 

长试样的断后伸长率用符号δ₁₀表示，通常写成δ；短试样的断后伸长率用符号δ₅表示。同种材料的δ₅>δ₁₀，但不能直接比较。

⑵

断面收缩率

断面收缩率是指试样被拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ（音：普西）表示。

ψ=(A₀-A_k)/A₀×100%

A_k：试样被拉断处的横截面积，mm²。

 

断面收缩率不受试样尺寸的影响，因此能较准确地反映出材料的塑性。

 

一般δ或ψ值越大，材料塑性越好。塑性好的材料可用轧制、锻造、冲压等方法加工成形。另外，塑性好的零件在工作时若超载，也可因其塑性变形而避免突然断裂，提高了工作安全性。

怎么样，强度和塑性的概念是不是清晰很多？

下面来说说符号的问题。《金属材料 室温拉伸试验方法》的国标是GB/T 228，上面的符号其实是出自1987版，2002年版本已经跟国际接轨，符号也随着更新，但在高校的教学或实际的制造生产中，仍或有习惯沿用，并没有完全改过来。

新旧符号对照表

GB/T  228-1987		GB/T  228-2002
屈服点	σs	屈服强度	Re
上屈服点	σsU	上屈服强度	ReH
下屈服点	σsL	下屈服强度	ReL
抗拉强度	σb	抗拉强度	Rm
断后伸长率	δ	断后伸长率	A
断面收缩率	ψ	断面收缩率	Z

好了，有关金属材料的强度和塑性，今天就讲到这里。星星同学，你学得这么认真，来跟大家说说，有什么感想？

好的老师。我是卖材料的，今天听了这节课收获很大啊。跟客户介绍一种材料时，罗列其化学成分特点之余，顺带讲一点强度啊塑性啊抗拉屈服什么的，专业的形象一下子树立起来有木有？

客户欣赏的眼光，小伙伴们崇拜的眼光，探照灯一样，都汇聚到我身上，哎呀，不行了，有点晕，站不稳，快帮我扶扶！

仿佛已经走上了人生的巅峰……