金屬材料力學(xué)性能及相關(guān)試驗原理

強度和應(yīng)力

   材料的強度fu是材料在經(jīng)受外力或其他作用時抵抗破壞的能力。某種材料的強度可用這種材料制成的標(biāo)準(zhǔn)試件，在一定的受力狀態(tài)或工作條件下進行試驗來確定。在結(jié)構(gòu)工程中,常用材料的極限強度,即在試驗過程中試件截面所能承受的zui大應(yīng)力來表示強度。應(yīng)力是指由外力、溫度變化或其他作用等因素引起的材料內(nèi)部單位截面面積上的內(nèi)力。應(yīng)力沿截面法向的分量稱為正應(yīng)力；沿截面切向的分量稱為剪應(yīng)力。
　根據(jù)外力和其他作用施加方式的不同，材料的強度主要可分為靜態(tài)強度和動態(tài)強度。動態(tài)強度中包括抵抗沖擊作用的沖擊強度和抵抗交變外力或作用的疲勞強度。此外，根據(jù)環(huán)境溫度不同，材料強度還可分為常溫強度、高溫強度和低溫強度等。
　根據(jù)外力或其他作用的效應(yīng)的不同，材料的強度又可分為抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度、抗彎強度和抗扭強度

強度和應(yīng)力　材料的強度fu是材料在經(jīng)受外力或其他作用時抵抗破壞的能力。某種材料的強度可用這種材料制成的標(biāo)準(zhǔn)試件，在一定的受力狀態(tài)或工作條件下進行試驗來確定。在結(jié)構(gòu)工程中,常用材料的極限強度,即在試驗過程中試件截面所能承受的zui大應(yīng)力來表示強度。應(yīng)力是指由外力、溫度變化或其他作用等因素引起的材料內(nèi)部單位截面面積上的內(nèi)力。應(yīng)力沿截面法向的分量稱為正應(yīng)力；沿截面切向的分量稱為剪應(yīng)力。
　根據(jù)外力和其他作用施加方式的不同，材料的強度主要可分為靜態(tài)強度和動態(tài)強度。動態(tài)強度中包括抵抗沖擊作用的沖擊強度和抵抗交變外力或作用的疲勞強度。此外，根據(jù)環(huán)境溫度不同，材料強度還可分為常溫強度、高溫強度和低溫強度等。
　根據(jù)外力或其他作用的效應(yīng)的不同，材料的強度又可分為抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度、抗彎強度和抗扭強度

材料的抗拉力學(xué)性質(zhì)　拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,表示從開始加載直至破壞的拉伸試驗全過程中應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系。例如低碳鋼的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖1）低碳鋼拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線可劃分為彈性、屈服、強化和頸縮四個階段

①    彈性階段圖[低碳鋼拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線]中0a段是一條直線，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，稱為比例階段，與點a相對應(yīng)的應(yīng)力,稱為比例極限在這階段內(nèi)，材料變形是彈性的。由實驗得知，材料的彈性范圍較比例階段還要大一些，即當(dāng)應(yīng)力略微超過比例極*，盡管應(yīng)力與應(yīng)變不再成線性關(guān)系，但撤除外力或其他作用后，變形仍能*消除。由于的彈性范圍很難測準(zhǔn)，它又與比例階段相接近，因此在工程中常將比例極限作為彈性極限來處理。在彈性階段中應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比例系數(shù)稱為彈性模量，用E表示。

②    屈服階段。過a點以后,應(yīng)變較應(yīng)力增長為快,應(yīng)力與應(yīng)變不成正比，到達b點，鋼材開始塑流,應(yīng)力不增加而應(yīng)變繼續(xù)增加，段稱為流幅或屈服階段，相應(yīng)于bc段中zui低點b1對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力,此時的材料強度為屈服強度;有些材料，如高強度鋼絲和鋼筋、鑄鐵、鋁合金等，在拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上,沒有屈服階段。通常規(guī)定對應(yīng)于殘余應(yīng)變?yōu)?.2％的應(yīng)力值為條件屈服極限;

③    強化階段當(dāng)屈服階段的變形增加到一定的程度(圖中的C點）以后,繼續(xù)增加外力，則應(yīng)力曲線上升，變形繼續(xù)增大，材料進入強化階段,曲線到達zui高點d,相應(yīng)應(yīng)力達到zui大值,此時的材料強度為極限強度，又稱拉伸極限強度?！?/span>

④    頸縮階段。過了點以后，試件變形開始集中在某一局部區(qū)域，橫截面出現(xiàn)顯著收縮現(xiàn)象，形成局部頸縮，變形迅速增加，應(yīng)力隨之下降，zui后被拉斷，曲線下降到達點。此階段稱為頸縮階段。若試件原標(biāo)距為 ，將斷裂試件拼合后量出拉斷后的標(biāo)距長 ，則可按下式計算其延伸率：對圓形截面試件，規(guī)定延伸率應(yīng)按標(biāo)距 ＝10d或＝5d（為圓形截面試件直徑）進行測定。值越大，材料的塑性性能越好；值小，即材料的變形值小,無明顯的塑性變形,這種材料稱為脆性材料。通常＜5％的材料為脆性材料，如鑄鐵、石、陶瓷等。脆性材料的抗壓強度比抗拉強度要高很多，不宜用于承受振動荷載和沖擊荷載。頸縮處的截面收縮率，則為試件斷裂橫截面積的縮減值占原來橫截面積的百分比。

總之；強度的試驗研究是綜合性的研究，主要是通過其應(yīng)力狀態(tài)來研究零部件的受力狀況以及預(yù)測破壞失效的條件和時機；強度是指零件承受載荷后抵抗發(fā)生斷裂或超過容許限度的殘余變形的能力。也就是說，強度是衡量零件本身承載能力（即抵抗失效能力）的重要指標(biāo)。強度是機械零部件首先應(yīng)滿足的基本要求。