强度指标及其在低碳钢构件设计中的应用

强度是指金属材料在外力作用下抵抗破坏（塑性变形和断裂）的能力。强度越高，金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力越强。按所受外力不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等，一般情况下以抗拉强度作为最基本的强度指标。

将一定尺寸和形状的金属试样（即标准试件）装夹在试验机上，在其两端逐渐施加拉伸力，直到把试样拉断为止，如图2-1-1和图2-1-2所示。

在做拉伸试验时，试样在受到缓慢施加的拉力作用下逐渐被拉长，直到试样断裂为止。试验机自动记录载荷与伸长量之间的关系，并得出以载荷为纵坐标，伸长量为横坐标的曲线图，称为拉伸图或拉伸曲线，如图2-1-3所示。低碳钢试样在拉伸过程中，其载荷与伸长量间的关系可分为弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段。图2-1-3中，Oe为弹性变形阶段，es为屈服阶段，sb为强化阶段，bz为缩颈阶段。

图2-1-1　拉伸实验前后试棒示意图

图2-1-2　拉伸实验实材

弹性变形阶段（Oe）：在拉伸的初始阶段，拉伸曲线Oe为一直线段，它表示载荷与试样伸长量成正比关系。若此时卸除载荷，试样能完全恢复到原来的尺寸。

屈服阶段（es）：当载荷超过一定数值再卸载时，试样的伸长只能部分恢复，而保留一部分残留变形，即为塑性变形。当载荷继续增加到Fs，曲线出现锯齿状，此时拉伸力不增加，试样变形却继续增加，这种现象称为屈服。屈服后，材料残留较大的塑性变形。

图2-1-3　低碳钢拉伸曲线（低碳钢拉伸曲线的绘制过程见AR）

强化阶段（sb）：屈服阶段以后，要使试样继续伸长，则必须增加载荷。随着变形继续增大，变形抗力也逐渐增大，这种现象称为形变强化。此阶段的塑性变形是均匀的。

缩颈阶段（bz）：当载荷达到最大值Fb后，试样截面会发生局部收缩，称为“缩颈”，这时伸长主要集中于缩颈部位，直至试样断裂。

钢材在受压缩时，试件被压成鼓形，受压面越来越大，不可能产生断裂，也无法判断材料的压缩强度极限。因此，钢材的力学性能主要用拉伸实验来确定。

灰铸铁的拉伸曲线如图2-1-4所示，从图中可以看出，试样从开始拉伸至拉断，作用力、变形量都很小，也没有屈服阶段和缩颈阶段。

图2-1-4　灰铸铁的拉伸曲线(www.xing528.com)

实验证明，灰铸铁的抗压能力远远大于其抗拉能力（约3～4倍）。所以以灰铸铁为代表的脆性材料常用作受压构件。

强度指标用应力来度量，包括屈服强度和抗拉强度。

（一）屈服强度

屈服强度是指金属材料产生屈服时的应力，用式（2-1-1）表示。

式中 Sσ—— 屈服强度（N/mm2或MPa）；

FS—— 屈服时的最小载荷（N）；

S0—— 试样的原始横截面面积（mm2）。

无明显屈服现象的材料，用试样标距长度产生 0.2%塑性变形时的应力值σ0.2作为屈服强度，称为条件屈服强度。

由于低碳钢在屈服时发生较大的塑性变形，使构件不能正常工作，故在进行构件设计时，一般将构件的最大工作应力限制在屈服强度Sσ以内。屈服强度Sσ是衡量钢材强度的一个重要指标。

（二）抗拉强度

抗拉强度是指金属材料抵抗外力而不致断裂的最大应力，即拉伸曲线中b点的应力，用bσ表示，即

式中 bσ—— 抗拉强度（N/mm2或MPa）；

Fb—— 试样断裂前所承受的最大载荷（N）。

σS/σb的值称为屈强比。屈强比越大，结构零件的可靠性越高。一般碳素钢屈强比为0.6～0.65，低合金结构钢为0.65～0.75，合金结构钢为0.84～0.86。