金属材料力学性能及相关试验原理

金属材料力学性能及相关试验原理强度和应力材料的强度fu是材料在经受外力或其他作用时抵抗破坏的能力。某种材料的强度可用这种材料制成的标准试件，在一定的受力状态或工作条件下进行试验来确定。在结构工程中,常用材料的极限强度,即在试验过程中试件截面所能承受的最大应力来表示强度。应力是指由外力、温度变化或其他作用等因素引起的材料内部单位截面面积上的内力。应力沿截面法向的分量称为正应力；沿截面切向的分量称为剪应力。根据外力和其他作用施加方式的不同，材料的强度主要可分为静态强度和动态强度。动态强度中包括抵抗冲击作用的冲击强度和抵抗交变外力或作用的疲劳强度。此外，根据环境温度不同，材料强度还可分为常温强度、高温强度和低温强度等。根据外力或其他作用的效应的不同，材料的强度又可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗弯强度和抗扭强度强度和应力材料的强度fu是材料在经受外力或其他作用时抵抗破坏的能力。某种材料的强度可用这种材料制成的标准试件，在一定的受力状态或工作条件下进行试验来确定。在结构工程中,常用材料的极限强度,即在试验过程中试件截面所能承受的最大应力来表示强度。应力是指由外力、温度变化或其他作用等因素引起的材料内部单位截面面积上的内力。应力沿截面法向的分量称为正应力；沿截面切向的分量称为剪应力。根据外力和其他作用施加方式的不同，材料的强度主要可分为静态强度和动态强度。动态强度中包括抵抗冲击作用的冲击强度和抵抗交变外力或作用的疲劳强度。此外，根据环境温度不同，材料强度还可分为常温强度、高温强度和低温强度等。根据外力或其他作用的效应的不同，材料的强度又可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗弯强度和抗扭强度材料的抗拉力学性质拉伸应力-应变曲线,表示从开始加载直至破坏的拉伸试验全过程中应力与应变的关系。例如低碳钢的拉伸应力-应变曲线（图1）低碳钢拉伸应力-应变曲线可划分为弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段①弹性阶段图[低碳钢拉伸应力－应变曲线]中0a段是一条直线，应力与应变呈线性关系，称为比例阶段，与点a相对应的应力,称为比例极限在这阶段内，材料变形是弹性的。由实验得知，材料的弹性范围较比例阶段还要大一些，即当应力略微超过比例极限时，尽管应力与应变不再成线性关系，但撤除外力或其他作用后，变形仍能完全消除。由于绝对的弹性范围很难测准，它又与比例阶段相接近，因此在工程中常将比例极限作为弹性极限来处理。在弹性阶段中应力与应变成正比，其比例系数称为弹性模量，用E表示。②屈服阶段。过a点以后,应变较应力增长为快,应力与应变不成正比，到达b点，钢材开始塑流,应力不增加而应变继续增加，段称为流幅或屈服阶段，相应于bc段中最低点b1对应的应力称为屈服应力,此时的材料强度为屈服强度;有些材料，如高强度钢丝和钢筋、铸铁、铝合金等，在拉伸应力-应变曲线上,没有屈服阶段。通常规定对应于残余应变为0.2％的应力值为条件屈服极限;③强化阶段当屈服阶段的变形增加到一定的程度(图中的C点）以后,继续增加外力，则应力曲线上升，变形继续增大，材料进入强化阶段,曲线到达最高点d,相应应力达到最大值,此时的材料强度为极限强度，又称拉伸极限强度。④颈缩阶段。过了点以后，试件变形开始集中在某一局部区域，横截面出现显著收缩现象，形成局部颈缩，变形迅速增加，应力随之下降，最后被拉断，曲线下降到达点。此阶段称为颈缩阶段。若试件原标距为，将断裂试件拼合后量出拉断后的标距长，则可按下式计算其延伸率：对圆形截面试件，规定延伸率应按标距＝10d或＝5d（为圆形截面试件直径）进行测定。值越大，材料的塑性性能越好；值小，即材料的变形值小,无明显的塑性变形,这种材料称为脆性材料。通常＜5％的材料为脆性材料，如铸铁、石、陶瓷等。脆性材料的抗压强度比抗拉强度要高很多，不宜用于承受振动荷载和冲击荷载。颈缩处的截面收缩率，则为试件断裂横截面积的缩减值占原来横截面积的百分比。总之；强度的试验研究是综合性的研究，主要是通过其应力状态来研究零部件的受力状况以及预测破坏失效的条件和时机；强度是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。也就是说，强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。强度是机械零部件首先应满足的基本要求。