金属材料强度分析

金属在外力作用下抵抗变形和破坏的能力称为金属的强度。金属常用的力学性能指标有抗拉强度R_m、屈服强度R_eU（上屈服强度）和R_eL（下屈服强度）、断后伸长率A和断面收缩率Z。这些指标可以通过拉伸试验来测得。图1-1所示为标准的拉伸试样。圆形拉伸试样的外形尺寸见表1-17。

图1-1 拉伸试样

a）一般试样 b）螺纹试样

注：短试样L₀=5d₀；长试样L₀=10d₀，L=L₀+d₀。

表1-17 圆形拉伸试样的外形尺寸

把试样装卡在拉伸试验机上，并对试样施加拉力。由于拉力的作用，试样被拉长，即试样产生了变形。如果这时去掉外力，试样仍恢复到原来的长度，那么在外力作用下产生的这种变形称为弹性变形；继续加大拉力，试样会继续被拉长，当去掉外力以后，如果试样不能恢复到原来的长度，则把在外力作用下产生的这种永久性的变形称为塑性变形。

一般的低碳钢在进行拉伸试验过程中，当载荷不超过F_p（F_p为比例极限载荷）时，应力-应变曲线为一直线，说明载荷与变形成正比。当载荷大于F_p时，应力-应变曲线便会稍稍偏离直线。载荷F_e称为弹性极限载荷，在这一载荷下试样的塑性变形理论上应该等于零（实际上F_e与F_p的数值非常接近）。当载荷继续增加并超过F_e时，应力-应变曲线对直线的偏离逐渐加大。当载荷达到F_s时，应力-应变曲线表现为一接近水平线的小锯齿形线段，也就是说这时载荷并没有增加，但试样的变形却继续增大，这种现象叫做屈服，引起试样屈服的载荷F_s称为屈服极限载荷。此后载荷继续增加，试样继续变形，当载荷达到某一极限数值F_m时，试样局部横截面积缩小，出现缩颈现象。由于断面逐渐缩小，使试样继续变形所需载荷逐渐降低，此时应力-应变曲线呈现下降趋势，直至最后试样发生断裂现象。

当材料受到载荷作用时，在其内部会产生抵抗力。材料在单位面积上的抵抗力称为应力，其计算公式是

式中 R——应力（MPa）；

F——载荷（N）；

A——材料横截面面积（mm²）。

材料在拉伸时的力学性能，包括规定塑性延伸强度、上屈服强度、下屈服强度、抗拉强度等。

规定塑性延伸强度R_p（MPa）——塑性延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力，其计算公式是

式中 F_p——试样在应力达到规定非比例延伸强度时所受的力；(www.xing528.com)

A₀——试样原始截面积。

上屈服强度R_eU（MPa）——试样发生屈服而力首次下降前的最高应力，其计算公式是

式中 F_eU——试样在应力达到上屈服强度时所受的力。

下屈服强度R_eL（MPa）——在试样屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力，其计算公

式是

式中 F_eL——试样在应力达到下屈服强度时所受的力。

抗拉强度R_m（MPa）——对应最大力（F_m）的应力，其计算公式是

试样在拉伸试验过程中长度增加，横截面积缩小。若试样在拉断且将其两段对接后两端标记之间的长度为L_u，拉伸前两端标记之间的长度为L₀，原始横截面面积为S₀，拉断后的最小横截面面积为S_u，那么：

试样的绝对伸长值ΔL=L₀-L_u；

试样的断面收缩值ΔS=S₀-S_u；

试样的相对伸长比值（称为断后伸长率），通常以百分数表示，即；

试样的单位面积收缩比（称为断面收缩率），通常以百分数表示，即。

由拉伸试验测得的材料力学性能，如规定塑性延伸强度R_p、上屈服强度R_eU、下屈服强度R_eL、抗拉强度R_m、断后伸长率A、断面收缩率Z，具有重要的实际意义。