强度与塑性的关系

材料受到外力（载荷）作用时，引起尺寸与形状的改变称为变形。金属的变形一般分为弹性变形和塑性变形。物体在外力作用下产生变形后，当外力不大时，一旦去除外力，则物体又恢复到原始的形状和尺寸，这种变形称为弹性变形；若外力去除后物体不能恢复到原始的形状和尺寸，这种变形称为塑性变形或永久变形。

强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。塑性是指金属材料在静载荷作用下产生塑性变形而不发生断裂的能力。强度和塑性指标都可以通过拉伸试验测定。

1.拉伸试验

拉伸试验是指在静拉伸力作用下，对试样进行轴向拉伸，直到拉断。根据拉伸试验绘制出的拉伸曲线，即可计算出强度和塑性的性能指标（《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》GB/T 228.1—2010）。

GB/T 228.1—2010　金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法

拉伸试验前，将被测金属制成一定形状和尺寸的标准拉伸试样，如图2-3所示为常用的圆形拉伸试样。将拉伸试样装夹在拉伸试验机（如图2-4所示）的两个夹头上，沿轴向缓慢加载进行拉伸，试样逐渐伸长、变细，直到最后拉断。在拉伸试验过程中，拉伸试验机上的自动记录装置可绘出能反映静拉伸载荷F与试样轴向伸长量ΔL对应关系的拉伸曲线，即F-ΔL曲线。如图2-5所示为低碳钢的F-ΔL曲线。

图2-3　圆形拉伸试样

图2-4　拉伸试验机

图2-5　低碳钢的 F-ΔL曲线

由图2-5所示曲线可以看出，拉伸过程中试样表现出以下几个变形阶段。

1）弹性变形阶段（Op、pe段）

当载荷不超过Fp时，拉伸曲线Op为直线段，试样的变形量与外加载荷成正比。如卸除载荷，试样立即恢复原状。在pe段，试样仍处于弹性变形阶段，但载荷与变形量不再成正比。

2）屈服阶段（es段）

当载荷增加到Fs时，拉伸曲线出现平台或锯齿线，表明在载荷不增加或略有减小的情况下，试样却继续伸长，这种现象称为屈服，s点称为屈服点。

3）强化阶段（sb段）

屈服阶段之后，继续增加载荷，试样继续拉长。随着试样塑性变形的增大，材料的变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称为加工硬化）。

4）缩颈阶段（bk段）

当载荷增加到最大值Fb后，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。此时变形所需载荷也逐渐降低，伸长部位主要集中于缩颈部位，如图2-3（b）、（c）所示。当载荷达到Fk时，试样被拉断。

应该指出，做拉伸试验时，低碳钢等材料在断裂前有明显的塑性变形，这种断裂称为塑性断裂，塑性断裂的断口呈“杯锥”状，这种材料称为塑性材料。对于铸铁等脆性材料不仅没有屈服现象，而且不产生缩颈，脆性材料的断口是平整的。

2.强度指标

通过拉伸试验测得的强度指标有屈服强度和抗拉强度。

1）屈服强度

金属材料开始产生屈服现象时的最低应力称为屈服强度，用符号ReL表示。

式中：Fs——试样发生屈服时的最小载荷（N）；

S0——试样原始横截面积（mm2）。

除退火和热轧的低碳钢和中碳钢等材料在拉伸过程中有屈服现象以外，汽车上使用的某些金属材料如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中没有明显的屈服现象，如图2-6所示。因此，根据GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》规定，当试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到规定的原始标距百分比时对应的应力，即作为条件屈服强度Rr，并附脚标说明规定残余伸长率。例如Rr0.2，表示规定残余伸长率为0.2％时的应力。(www.xing528.com)

图2-6　铸铁的 F-ΔL曲线

机械零件经常由于过量的塑性变形而失效，因此，零件在使用过程中不允许发生明显的塑性变形，大多数机械零件常根据ReL或Rr0.2作为选材和设计时的依据。

2）抗拉强度

金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号Rm表示。

式中：Fb——试样断裂前所承受的最大载荷（N）；

S0——试样原始横截面积（mm2）。

抗拉强度是设计和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度指标。一般情况下，在静载荷作用下，只要工作应力不超过材料的抗拉强度，零件就不会发生断裂。

在工程上，屈强比ReL/Rm是一个有意义的指标。其比值越大，越能发挥材料的潜力。但是为了使用安全，该比值不宜过大，适当的比值一般在0.65～0.75之间。另外，比强度Rm/ρ也常被提及。它表征了材料强度与密度之间的关系。在考虑汽车轻量化的问题时，常常用到这个指标。

3.塑性指标

金属的塑性指标主要由断后伸长率和断面收缩率表示。

1）断后伸长率

试样拉断后，标距长度的伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率，用符号A表示。

式中：Lu——试样拉断后标距的长度（mm）；

L0——试样的原始标距（mm）。

2）断面收缩率

试样拉断后横截面积的缩减量与原始横截面积之比称为断面收缩率，用符号Z表示。

式中：Su——试样拉断处的最小横截面积（mm2）；

S0——试样的原始横截面积（mm2）。

同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长率略有不同，用短试样（L0=5d0）测得的断后伸长率A略大于用长试样测得的断后伸长率A11.3。而断面收缩率与试样的尺寸因素无关。

金属材料的A、Z值越大，说明材料的塑性越好。塑性好的金属材料易于通过压力加工制成形状复杂的零件。如汽车车身覆盖件、油箱等大多是采用具有良好塑性的冷轧钢板冲压而成。而且用塑性好的金属材料制成的零件，偶尔发生过载时，由于塑性变形能避免发生突然断裂造成的事故。因此，用于汽车制造的材料大多要求有一定的塑性。

目前，金属材料室温拉伸试验方法采用GB/T 228.1—2010新标准。本书即采用此标准。但一些书籍或资料的金属材料力学性能数据是按GB/T 228—2002测定和标注的，为方便读者学习和阅读，现将金属材料强度与塑性的新、旧标准名称和符号对照列于表2-1中。

表2-1　金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照

续表

注：在旧标准GB/T 228—2002中，没有对屈服强度规定符号，本书采用Re作为屈服强度符号。