任务1　认识力学性能指标——强度和塑性

【任务描述】

对所采购的优质碳素结构钢20钢取样并进行拉伸试验，评定其强度和塑性指标是否满足要求？

【知识链接】

知识点一　强度

①强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力。

②变形是指材料的形状发生了变化，一般分为弹性变形和塑性变形。

变形的金属材料当外应力去除后，能够恢复原状的变形称为弹性变形。

变形的金属材料当外应力去除后，不能够恢复原状的变形称为塑性变形。

③相同的材料在不同的应力（拉应力、压应力、弯屈应力、扭转应力等）作用下，表现出不同的抵抗变形和断裂的能力，如抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗扭强度等。工程上最常用的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率等指标是通过应变速率恒定的拉伸试验所获得。

知识点二　塑性

①塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。

②常用的塑性指标是材料断裂时最大相对塑性变形，如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。

知识点三　拉伸试验

根据国家标准GB/T228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》规定，以圆形拉伸试样为例，首先制备圆形标准拉伸试样，如图1－3所示，图中d₀为试样原始直径（mm），l₀为试样原始标距长度（mm）。然后在拉伸试验机上进行拉伸试验，即将已制备好的标准试样正确装夹在拉伸试验机的上下夹头间夹紧，以恒定的应变速率加载，此时标准试样两端承受缓慢增加的轴向拉力，与此同时在标准试样的各截面上产生拉应力；随轴向拉力的增加，拉应力相应增大，标准试样变形加剧直至拉断为止。图1－4是低碳钢的力——伸长量曲线，图1－5是低碳钢的应力——应变曲线。

图1－3　圆形标准拉伸试样

1.应力应变曲线分析

图1－4　退火态的低碳钢的力——伸长量曲线

图1－5　退火态的低碳钢的应力——应变曲线

应力应变曲线反映了金属材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形直至断裂的全部力学性能。应力应变曲线共分4个阶段。

（1）OE：弹性变形阶段

基本特征是应力应变间满足胡克定律，其比例系数定义为弹性模量，同时，当外力释放后，材料的变形能够恢复原来的状态。

（2）ES：屈服阶段

基本特征是不仅有弹性变形，还发生了塑性变形。外力释放之后再也恢复不到初始材料的长度。S点处发生屈服现象，即外力不增加，试样却继续伸长。

（3）SB：强化阶段

基本特征是为使试样继续变形，载荷必须不断增加，随着塑性变形增大，材料变形抗力也逐渐增加。该阶段的塑性变形为均匀塑性变形。

（4）BK：缩颈阶段

当载荷达到最大值（B点）时，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。此后变形所需的载荷逐渐降低。试样在K点断裂。该阶段的塑性变形为不均匀塑性变形。

2.强度判据

（1）弹性极限

表征标准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。

式中：F_e——试样产生完全弹性变形时最大拉伸力，单位为N；

　　　A₀——试样原始横截面积，单位为mm²。(www.daowen.com)

（2）屈服强度

划分弹性区－塑性区的应力为材料的屈服强度，它标志着塑性变形的开始，是工程应用中最为关心的材料参数之一。

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。

式中：F_S——试样产生屈服时的拉伸力，单位为N；

　　　A₀——试样原始横截面积，单位为mm²。

由于有些材料无明显的屈服现象，无法测定σ_s，因此根据GB10623—89规定，试样标距部分产生0.2％的原始标距长度的残余变形时的应力，作为该材料的条件屈服强度，用符号σ_0.2表示。

机械零件在服役期间一般不允许产生明显的塑性变形，因此σ_s或σ_0.2是机械零件设计和选材的力学性能的主要判据。

（3）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。

式中：F_b——试样被拉断前所能承受的最大拉伸力，单位为N；

　　　A₀——试样原始横截面积，单位为mm²。

对于塑性材料，抗拉强度表示材料抵抗大量均匀塑性变形的能力；对于脆性材料，它表示抵抗断裂的能力。抗拉强度是机械零件设计时的重要依据，同时也是评定金属材料强度的重要指标之一。

3.塑性判据

塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。常用的塑性判据是材料断裂时最大相对塑性变形，如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。

（1）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表示。

式中：l₁——试样被拉断后的标距，单位为mm；

　　　l₀——试样原始标距，单位为mm。

根据国家标准GB/T228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》规定：试样分为长试样和短试样。对圆形标准拉伸试样，长试样l₀=10d₀，短试样=5d₀。长试样的断后伸长率用符号δ₁₀表示；短试样的断后伸长率用符号δ₅表示。相同材料的δ₅＞δ₁₀，但不能直接比较。由于短试样节省材料，一般应优先选用短试样进行拉伸试验。

（2）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表示。

式中：A₁——试样被拉断处的横截面积，单位为mm²。

断面收缩率不受试样尺寸的影响，因此能较准确的反映出材料的塑性。

δ、ψ是衡量材料塑性变形能力大小的判据，δ、ψ值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的材料（如低碳钢、铝合金等）可用轧制、锻造、冲压等方法加工成形。另外，塑性好的机械零件在工作时若超载，也可因其发生塑性变形而避免突然断裂，提高了机械零件工作时的安全性。

【任务实施】

①对采购的优质碳素结构钢20钢取样进行拉伸试验。

②拉伸试验方法见【实验项目】中的金属拉伸实验。

③试验结果为：

σ_b=422Mpa；σ_s=247.4Mpa

δ₅=26.5％；ψ=56.8％

【任务结论】

这批优质碳素结构钢20钢的强度和塑性指标均满足GB/T699—1999《优质碳素结构钢》要求。