材料的静态力学性能分析与优化

静载是指对试样缓慢加载。最常用的静载试验有拉伸、压缩、硬度、弯曲、扭转等，利用这些试验方法，可以测得各种力学性能指标，这里主要讨论强度、塑性和硬度指标。

1）强度

（1）应力－延伸率曲线

材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力称为强度。因材料受载方式和变形形式不同，可将强度分为抗拉强度、抗压强度和剪切强度等。不同材料抵抗载荷作用和变形方式的能力是不同的。因此，可以有不同的强度指标，并且不同材料的强度差别很大。

材料在载荷作用下的形状和尺寸变化称为变形。材料变形随载荷的增加一般发生弹性变形、塑性变形和断裂。图1－1为低碳钢缓慢加载单向静载拉伸曲线，从图中可以看出，曲线主要分为以下几个阶段：

图1－1　低碳钢的应力－延伸率曲线

Oab：弹性变形阶段。拉伸曲线Oa段为直线，即当载荷不超过a点对应载荷时，载荷与伸长量成正比，试样产生弹性变形，当外力卸载后，试样恢复到原来的尺寸；当载荷超过a点载荷而不大于b点对应载荷时，载荷与伸长量已不再成正比关系，试样发生极微量塑性变形（0．001%～0．005%），但仍属于弹性变形阶段。

bc：屈服阶段。当载荷超过b点对应载荷后，此时，试样不仅发生弹性变形，还发生了塑性变形。在拉伸曲线上出现了水平的或锯齿形的线段，这种现象称为“屈服”。

cde：强化阶段。随着载荷的不断增加，塑性变形增大，材料的变形抗力也逐渐增加。e点对应的载荷为材料所能承受的最大载荷，材料所承受的最大应力称为抗拉强度（Rm）。

ef：颈缩阶段。当载荷超过最大载荷后，试样的局部截面缩小，产生所谓的“颈缩”现象。由于试样的局部截面的逐渐缩小，载荷也逐渐降低，当达到拉伸曲线的f点时，试样随即断裂。

图1－2为不同类型材料的拉伸曲线（应力－延伸率关系曲线）。

图1－2　几种材料的应力－延伸率曲线

（2）屈服强度

屈服强度是指当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点，区分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL，如图1－3所示。它表示材料抵抗微量塑性变形的能力，是设计和选材的主要依据之一。上屈服强度ReH为试件发生屈服而力首次下降前的最大应力。下屈服强度ReL指在屈服期间，不计初始瞬间效应时的最小应力。屈服强度越大，其抵抗塑性变形的能力越强，越不容易发生塑性变形。

当金属材料在拉伸试验过程中没有明显屈服现象发生时，用塑性延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力，即规定塑性延伸强度Rp表示材料的屈服强度。如Rp0．2表示规定塑性延伸率为0．2%时的应力。

影响材料屈服强度的内在因素主要有结合键、组织和结构等。金属材料的屈服强度与陶瓷、高分子材料相比，可看出结合键的影响是根本性的。固溶强化、形变强化、沉淀强化、弥散强化、晶界强化和亚晶强化是工业合金中提高材料屈服强度的常用手段。温度、应变速率和应力状态是影响材料屈服强度的外在因素。随着温度的降低与应变速率的增高，材料的屈服强度也升高，尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆化。应力状态不同，屈服强度值也不同。通常给出的材料屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度。三向应力状态下的材料屈服强度会提高。

图1－3　拉伸曲线的上屈服强度和下屈服强度

（3）抗拉强度

材料在常温和载荷作用下发生断裂前的最大应力称为抗拉强度，用符号Rm表示，Rm＝Pb／So，单位为N／mm2或MPa（Pb为试样拉断时所承受的最大力，So为试样原始横截面积）。它表示材料抵抗断裂的能力。Rm越大，材料抵抗断裂的能力越强。

抗拉强度和屈服强度是材料在常温下的强度指标。如零件工作所受应力不大于屈服强度，则不会发生塑性变形；不大于Rm，则不会引起断裂。此外，常温下强度指标根据不同的试验还有抗压强度、抗弯强度和剪切强度。

比强度（强度与密度之比）是度量材料承载能力的一个重要指标，比强度愈高，同一零件的自重愈小。铝、钛合金的比强度高于钢材，因而在飞机、火箭等结构中得到广泛应用。

2）刚度

材料受载荷作用时立即引起变形；当载荷去除，变形立即消失而恢复至原来状态的性质称为弹性。弹性变形是指去除载荷后，形状和尺寸能恢复至原来的变形。在弹性变形范围内，施加载荷与其所引起变形量成正比关系，其比例常数

称为弹性模量。弹性模量E仅与材料本身有关，反映了材料抵抗弹性变形能力即刚度的大小。E愈大，则弹性越小，刚度愈大；反之，E愈小，则弹性越大，刚度愈小。

材料的弹性模量主要取决于结合键和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标。改变材料的成分和组织会对材料的强度（如屈服强度、抗拉强度）有显著影响，但对材料的刚度影响不大。

零件的刚度与材料的刚度不同，它除了取决于材料的刚度外，还与零件的截面尺寸、形状以及载荷作用的方式有关。如材料的刚度不够，只有增加截面尺寸或改变截面形状以提高零件的刚度。当既要提高零件刚度，又要求减轻零件的质量时，就要以零件的比刚度来评定。零件的比刚度依载荷形式而定，杆件拉伸时，其比刚度以E／ρ来度量，ρ为材料的密度。

3）塑性(www.xing528.com)

材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力，称为塑性。材料塑性好坏可通过拉伸试验来测定。

塑性大小用断后伸长率A和断面收缩率Z来表示，即式中：lo为试件拉伸前的初始长度；lu为试样拉断后最终标距长度。

式中：So，Su分别为试样加载前、断裂后的断面面积。

工程上通常根据材料断裂时塑性变形的大小来确定材料类型。将A≥5%的材料称为塑性材料，将A＜5%的材料称为脆性材料。良好的塑性可使材料顺利地实现成型。金属材料应具有一定的塑性才能进行各种变形加工；另一方面，材料具有一定塑性，可以提高零件使用的可靠性，防止突然断裂。

4）硬度

材料抵抗其他物体压入其表面的性能，称为硬度。材料硬度愈高，其他物体压入其表面愈困难。硬度是材料的重要力学性能之一，它表示材料表面抵抗局部塑性变形和破坏的能力。因此，硬度又是材料强度的又一种表现形式。常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

（1）布氏硬度

布氏硬度的测定原理是在直径为D的球形压头上施加一定负荷，压入被试金属的表面（如图1－4所示），保持规定的时间后卸除负荷，根据金属表面压痕的直径，计算硬度值。根据GB／T 231．1—2009规定，布氏硬度值的符号以HBW（硬质合金球压头）来表示，取消了旧国标中的HBS（钢球压头）。

图1－4　布氏硬度试验方法示意图

式中：P为载荷（N）；D为球体直径（mm）；d为压痕平均直径（mm）；g为重力加速度。

由上式可知，在P和D一定时，硬度值的高低取决于h的大小，二者呈反比。h大说明金属形变抗力低，故硬度值小，反之则硬度值大。

布氏硬度值一般采用“硬度值＋硬度符号（HBW）＋数字／数字／数字”的形式来标记。硬度符号后的数字依次表示球形压头直径、载荷大小及载荷保持时间等试验条件，如280HBW10／3000／30表示试验力为3 000 N保持时间为30s，采用的硬质合金球直径为 10mm，试件的布氏硬度为280。

布氏法优点是测定结果较准确，缺点是压痕大，不适于成品检验。目前布氏硬度一般均以硬质合金球为压头，主要用于测量较软的金属材料，如未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。

（2）洛氏硬度

洛氏硬度试验原理和布氏硬度类似，它是以顶角为120°的金刚石圆锥体（如图1－5所示）或直径1．588mm的淬火钢球作为压头，以一定的压力压入材料表面，与布氏硬度不同的是，洛氏硬度是通过测量压痕深度来确定其硬度的。压痕愈深，材料愈软，洛氏硬度值愈低；反之，洛氏硬度值愈高。被测材料硬度，可直接由硬度计的刻度盘读出。

图1－5　洛氏硬度试验方法示意图

根据GB／T 230．1—2009规定，洛氏硬度常用三种标尺，分别以HRA、HRC、HRD表示，如表1－1所示。洛氏硬度的表达方法为硬度值＋符号HR＋使用的标尺（＋使用球形压头的类型），如70HR30NW表示用总试验力为294．2N的30N标尺测得的表面洛氏硬度值为70，使用的球形压头为硬质合金球；压头为钢球时用S表示。

表1－1　洛氏硬度常用的三种标尺

注：a．试验允许范围可延伸至94HRA。
b．如果压痕具有合适的尺寸，试验允许范围可延伸至10HRC。

洛氏硬度试验避免了布氏硬度试验所存在的缺点。其优点首先是适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题；其次是压痕小，基本不损伤工件表面，且操作简单，能立即得出数据，效率高，适用于大量生产中的成品检验。其缺点是用不同标尺的硬度值是不可比的；此外，在粗大组成相（如灰铸铁中的石墨片）或粗大晶粒的材料中，因压痕小，可能正好落在个别组成相上，使得硬度数据缺乏代表性。

（3）维氏硬度

测定维氏硬度的原理和上述两种硬度的测量方法类似，其区别在于压头采用锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，压痕是四方锥形（如图1－6所示），以压痕的对角线长度来衡量硬度值的大小。维氏硬度用HV表示，单位为N／mm2，一般不予标出。维氏硬度值的表示为“数字＋HV＋数字／数字”的形式。HV前的数字表示硬度值，HV后的数字表示试验所用的载荷和持续时间，如640HV30／20表示试验力为30kgf（294．2N），保持20s，得到的硬度值为640。

图1－6　维氏硬度试验示意图

维氏硬度试验法所用载荷小，压痕深度浅，适用于测量薄壁零件的表面硬化层、金属镀层及薄片金属的硬度，这是布氏法和洛氏法所不及的。此外，因压头是金刚石角锥，载荷可调范围大，故对软、硬材料均适用。应当指出，各硬度试验法测得的硬度值不能直接进行比较，必须通过硬度换算表换算成同一种硬度值后，方可比较其大小。