金属材料强度与屈服强度的测试与分析

图1-1 拉伸试验标准试样

a）试验前 b）试验后

强度是金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。工程上常用抗拉强度和屈服强度来表征金属材料的强度。

1.拉伸力-伸长曲线

抗拉强度和屈服强度是用拉伸试验来测定的。试验前先将被测金属材料制成图1-1a所示的标准试样。将试样装在拉伸试验机上缓慢地施加轴向静载荷，使之承受轴向静拉力。随载荷的不断增加，试样逐渐被拉长，直到拉断为止，如图1-1b所示。试验机会自动记录每一瞬间的拉伸力（拉力）F和伸长量ΔL，并绘出拉伸力-伸长曲线。低碳钢的拉伸力-伸长曲线如图1-2所示。

低碳钢的拉伸力-伸长曲线中，当拉力不超过F_e时，Oe是直线，拉力与变形量成正比，拉力卸去后，试样恢复到原来的长度，这种变形称为弹性变形。拉力超过F_e后，试样除发生弹性变形外，还产生了部分塑性变形，此时卸去拉力后，试样不能恢复到原来的长度，这种变形称为塑性变形。当拉力继续增加到F_eH不再增加，但试样仍然继续伸长，此点（H点）称为上屈服点，当拉力下降到F_eL后，曲线开始上升，此点（L点）称为下屈服点，这种现象称为“屈服”。拉力继续增加，塑性变形明显增大。当拉力增加到F_m以后，试样截面局部开始变细，出现了“缩颈”，如图1-1b所示。因为截面积变小，继续变形所需的拉力减小，而变形量增大，当拉力在F_k时试样在缩颈处断裂。

图1-2 低碳钢的拉伸力-伸长曲线

从图1-2中可以看出，低碳钢拉伸过程中的四个阶段如下：

1）Oe段为弹性变形阶段。可以认为，此阶段变形完全是弹性变形。

2）eL段为屈服变形阶段。此阶段发生弹塑性变形，即除了有弹性变形外，还有塑性变形。

3）Lm段为强化变形阶段。经过屈服阶段后，材料内部组织起了变化，从而提高了材料抵抗变形的能力。

4）mk段为缩颈变形阶段。当外力达到强度极限后，外力开始下降，试样截面局部开始变细，出现缩颈，直至断裂。

2.应力-延伸率曲线

为了更好地反映出材料的力学性能，可将纵坐标的拉力改用应力R表示，将横坐标的变形量改为延伸率e。应力即单位截面上所受的力，受拉力时称为正应力；当单位截面上受的是压力时称为负应力，用-R表示。延伸率表示的是单位长度的伸长量，e=ΔL/L_o。此时绘成的曲线称为应力-延伸率曲线（R-e曲线）。R-e曲线与F-ΔL曲线形状是相同的，只是坐标的含义不同而已。

3.屈服强度与抗拉强度(www.xing528.com)

金属强度的指标通常以拉应力来表示。

R=F/S_o

式中F——拉力，单位为N；

S_o——试样原始横截面积，单位为mm²。

应力R单位为MPa（兆帕）或Pa（帕），是国际单位制。目前我国材料手册中有的还用工程单位制，即kgf/mm²（千克力每平方毫米），两者的关系为1kgf/mm²≈10MPa。

（1）屈服强度 当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而拉力不增加，但试样仍然发生塑性变形而伸长。屈服强度应区分为上屈服强度R_eH（试样发生屈服而拉力首次下降前的最大应力）和下屈服强度R_eL（在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最小应力），如图1-3所示。

有些材料的应力-延伸率曲线没有明显的屈服强度，工程规定以试样产生0.2%塑性变形时的应力作为材料的屈服强度，用R_p0.2表示。

图1-3 上屈服强度和下屈服强度

屈服强度是材料力学性能的重要指标之一。因为机械零件在工作中是不允许产生塑性变形的，所以在机械中绝大多数传动件，都以屈服强度作为强度设计指标的依据。

（2）抗拉强度 材料在拉断前所能承受的最大最大应力，用R_m表示。

R_m=F_m/S_o

式中R_m——抗拉强度，单位为MPa；

F_m——最大拉力，单位为N；

S_o——原始横截面积，单位为mm²。

抗拉强度也是材料的主要力学性能指标之一，它表征材料在拉伸条件下所能承受的最大应力值。机械零件或金属构件，当应力达到R_m时，意味着要发生断裂。对于脆性材料（如灰铸铁等）断裂前不发生塑性变形，无屈服之言，则用R_m作为强度设计的依据。因此，除脆性材料外，R_m不直接用于强度计算，通常只作为材料质量评定指标或间接用于估算材料的疲劳能力。