材料在拉伸和压缩时的力学性能

     材料在外力作用下所表现出来的规律性和特征，称为材料的力学性能，如弹性、塑性、强度、韧度、硬度等。

材料的力学性能是通过试验测出来的，通常是做静载荷拉伸或压缩试验，这个试验可以较明显地表现出材料的各种力学性能。试验通常在常温下进行，选用具有代表性的常用材料低碳钢或铸铁做成标准试件，在万能材料试验机上进行。

（1）低碳钢拉伸时的力学性能

    通过拉伸试验来研究材料在拉伸时的力学性能。试验时采用国家标准（GB/T228.1—2010）所规定的标准试件，如图3-14所示为金属材料的圆截面试件，试件中间等截面部分的工作长度称为标距，标距与直径d有两种不同比例：      

      5倍试件（断后伸长率为A₅）       =5d

      10倍试件（断后伸长率为A ₁₀）      =10d

试验时，将试件两端夹在试验机上，如图3-15所示, 然后开动试验机，在试件上缓慢施加拉力F，直致试件被拉断为止。在拉伸过程中，试验机上的微机控制系统能自动记录数据，并绘出所加载荷F和标距内伸长变形量Δ之间的关系曲线，称拉伸图或F—Δ曲线，如图3-16a所示。由于拉伸图与试件几何尺寸有关，为消除试件几何尺寸的影响，将拉伸图纵坐标除以试件横截面面积S，横坐标除以标距，得到能反映材料力学性能的应力与应变关系曲线，如图3-16b所示，称为应力应变图或R—ε图。

a)                                b)

                      图3-15 材料的拉伸实验

a)  电子万能材料试验机            b) 试件装夹

 低碳钢是工程上广泛使用的材料，据统计，汽车40%左右的零部件都是由其制成。图3-16b是低碳钢拉伸时的R—ε曲线，低碳钢的力学性质具有代表性，从图中可看出低碳钢的整个拉伸过程大致可分为四个阶段：

1）弹性阶段（图3-16b中OA′段）  图中OA为直线段，在此阶段，应力R与应变ε成正比关系，即虎克定律成立，有R =Ｅε。与A点对应的应力是R_p，称为比例极限，是R与ε成正比的最高极限。低碳钢的R_p≈200ＭPa。直线OA的倾角α，tanα==Ｅ，Ｅ 即为材料的弹性模量。

OA′段内，材料发生的是弹性变形，当应力R小于A′点对应应力R_e时，如卸去外力，则相应的应变ε将随之完全消失，R_e称为弹性极限。由于R_p和 R_e很接近，应用时可认为R_e=R_p，A和A′可以认为是同一点。

2) 屈服阶段（图3-16b中BC段）  当应力R＞R_e后，图上曲线出现接近水平的有微小波动的锯齿线段，说明在此阶段内应力虽有微小的波动，但基本不变，而应变ε却迅速增加，表明此时材料暂时几乎失去抵抗变形的能力，这种现象称为材料的屈服。屈服阶段的最低应力值R_eL称为材料的屈服强度。低碳钢的屈服强度为R_eL=220～240ＭPa。

    在屈服阶段，经磨光的试件表面可看到与试件轴线成45°的条纹，是由于材料内部晶格之间产生滑移而形成的，称为滑移线。在这一阶段，材料发生明显的塑性变形。工程中绝大多数构件出现塑性变形后已不能正常工作，因此，屈服强度常作为衡量材料是否破坏的强度指标。

3)强化阶段（图3-16b中CD段）  过了屈服阶段后，图上曲线又开始逐渐上升，表明材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形就必须增加拉力，这种现象称为材料的强化。曲线的最高点D所对应的应力值R_m称为强度极限。它是材料能承受的最大应力值，是衡量材料力学性能的另一个重要指标。低碳钢的R_m≈400ＭPa。

     强化阶段如卸载后再加载，则出现材料的弹性极限提高而塑性降低的现象，称为冷作硬化。工程上常利用这一性质来提高材料在弹性阶段的承载能力。如冷拉钢筋、冷拔钢丝等。

   4）缩颈断裂阶段（图3-16bDE段）  在强度极限之前，试件的变形是均匀的，过了强度极限之后，即曲线上DE段，变形就集中在试件的某一局部区域内，截面尺寸显著减小，出现缩颈现象，如图3-17 所示，最后试件在缩颈处被拉断。

    试件被拉断后，弹性变形消失了，但塑性变形保留下来，使试件标距由原长变为₁。两者之差₁—称为残余伸长，它与之比的百分率称为断裂总延伸率，用A_t表示

A_t=

断裂总延伸率A_t表征材料塑性变形的程度，是衡量材料塑性大小的指标。

    工程上通常将A_t≥5%的材料称为塑性材料，如钢材、铝、铜等；把At＜5%的材料称为脆性材料，如铸铁、砖石、混凝土等。低碳钢的At=20%～30%，是典型的塑性材料。

　　衡量材料塑性的另一个指标是断面收缩率Z

Z＝

式中，S₀为试件初始横截面面积；S₁为试件拉断后缩颈处的最小横截面面积。

低碳钢的Z＝60%～70%。

(２) 灰铸铁拉伸时的力学性能

    灰铸铁（简称铸铁）是汽车工程上广泛应用的一种材料，如发动机缸体、飞轮、前桥、后桥等到总成都是由铸铁制成。铸铁在拉伸时的应力—应变曲线如图3-18所示。 

图中无明显直线部分，说明不符合虎克定律，工程中通常近似地用直线（图中虚线部分）代替。从曲线可知，铸铁在拉伸过程的变形不明显，没有屈服阶段和缩颈现象，断裂是突然出现的，直至拉断，塑性变形都很小，是典型的脆性材料，其断裂总延伸率At<1%，强度极限R_m是铸铁唯一衡量其强度的指标。铸铁的抗拉强度极限很低，不宜用作受拉构件。

 (3) 材料在压缩时的力学性能

金属材料的压缩试件一般做成粗短圆柱状，圆柱高度与直径之比在1～３范围内选取。也有采用方形试件的，如混凝土。

    １)低碳钢的压缩力学性能

如图3-19所示为低碳钢压缩时的R—ε曲线（实线部分），虚线部分为拉伸时的R—ε曲线。

从图中可以看出，屈服阶段以前，两曲线重合，材料压缩时的比例极限、屈服极限、弹性模量等与拉伸时是相同的；过了屈服阶段后，曲线一直显上升趋势，这是因为低碳钢塑性好，可以发生很大塑性变形，使试件愈压愈扁而不断裂，因此不存在强度极限R_m。

    2)铸铁压缩时的力学性能

    如图3-20所示为铸铁的应力—应变曲线图。

    与拉伸时一样，铸铁在压缩时没有明显的直线部分，也不存在屈服点。压缩时随压力的增加，试件略成鼓形，最后在很小变形下断裂。值得注意的是，灰铸铁的压缩强度比拉伸强度高得多，大约是拉伸时的3～5倍。其它脆性材料与铸铁相似，拉伸时强度低，塑性差，但抗压强度高，因此脆性材料的压缩试验更具有实用意义，脆性材料是很好的耐压、减震件的材料。