强度与拉伸曲线：低碳钢试验分析

强度是指金属在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。金属材料的强度与塑性指标是通过拉伸试验测得的。

1.拉伸试验

拉伸试验是在拉伸试验机上进行的。试验之前，先将被测金属材料按照GB/T228—2019《金属材料拉伸试验》要求制成标准试样。图2.1（a）为圆柱形拉伸试样，d0为试样原始直径，L0为试样原始标距长度。

试验时，将试样装夹在拉伸试验机上，在试样两端缓慢地施加轴向拉伸载荷，随着载荷地不断增加，试样被逐步拉长，直到被拉断为止。在拉伸过程中，拉伸试验机将自动记录每一瞬间的载荷F与伸长量ΔL之间的变化曲线，即拉伸曲线。

图2.2为低碳钢的拉伸曲线。从图中可以看出，低碳钢在拉伸过程中伸长量ΔL与载荷F之间有如下关系。

Op段：该段为一条斜线，在此区间伸长量ΔL与载荷F成正比关系，完全符合虎克定律；去除载荷，试样能完全恢复到原来的尺寸和形状，属于弹性变形阶段。

pe段：在该区间，拉伸曲线开始偏离直线，伸长量ΔL与载荷F之间不符合虎克定律；但去除载荷后，试样仍能恢复到原来的尺寸和形状，因此该阶段仍属于弹性变形阶段。

es段：该段曲线呈水平或锯齿形，试样表现为在载荷不增加的情况下，伸长量却继续增加；去除载荷后，试样已不能恢复原状，开始出现塑性变形，这种现象称为屈服。

图2.1　拉伸试样

（a）圆柱形拉伸试样；（b）拉断后的圆柱形试样

图2.2　低碳钢的拉伸曲线

sb段：当载荷超过屈服强度载荷后，试样的伸长量ΔL随载荷F的增加继续伸长直到b点，该阶段试样为均匀变形阶段。

bk段：该段试样的局部开始收缩，产生“缩颈”现象，由于试样局部截面逐渐减小，其承受载荷的能力也不断下降，直至到达k点时试样被拉断。

2.强度指标

强度是用应力来表示的。当材料受载荷时做一个与载荷相平衡的内力。材料单位面积上的内力称为应力，用R表示，单位为MPa。其计算公式为

式中：F——试样所承受的载荷，单位为N；

　　　S0——试样的原始截面积，单位为mm2。

材料强度的高低是以其能承受的应力大小来表示的，根据拉伸试验可得到金属材料的以下强度指标。

（1）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而力不增加的应力点。金属材料的屈服强度分为上屈服强度和下屈服强度，如图2.3所示。

1）上屈服强度

上屈服强度是指试样发生屈服而力首次下降前的最大应力，用ReH表示。(www.xing528.com)

2）下屈服强度

下屈服强度是指在屈服期间，不计初始瞬时效应的最小应力，用ReL表示。当金属材料在拉伸试验过程中没有明显屈服现象发生时，可测定规定塑性延伸强度（Rp）或规定残余延伸强度（Rr）。

（2）抗拉强度

抗拉强度是指试样被拉断前所能承受的最大应力值。用Rm表示，单位为MPa。其计算公式为

式中：Fm——试样断裂前所承受的最大载荷，单位为N；

　　　S0——试样的原始截面积，单位为mm2。

屈服强度、抗拉强度是金属材料的两个重要力学性能指标，也是大多数机械零件选材和设计的依据。零件在工作过程中承受的最大应力值不能超过其屈服强度，否则会引起零件的塑性变形；更不能在超过其抗拉强度的条件下工作，否则会导致零件的断裂破坏。

3.塑性指标

塑性是材料在外力的作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。金属材料的塑性指标可以用试样被拉断时的最大相对变形量来表示，常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率。

1）断后伸长率

断后伸长率是试样被拉断后的标距增长量（Lu-L0）与原始标距（L0）之比的百分数，用符号A表示。断后伸长率可用下式进行计算，即

图2.3　屈服强度的测定

式中：Lu——拉断后试样标距的长度，单位为mm；L0——试样的原始标距长度，单位为mm。

材料的断后伸长率是随原始标距长度的增大而减小的，所以同一材料的短试样要比长试样测得的断后伸长率大，对局部集中变形特别明显的材料，甚至可大到20%～50%。

拉伸试验采用的拉伸试样为原始标距与横截面积有关系的比例试样。对于比例试样，国际上使用k＝5.65的短比例试样，其断后伸长率用A表示，短试样的原始标距应不小于15mm。当试样横截面积太小，以致采用比例系数k＝5.65不能符合这一最小标距要求时，可以采用k＝11.3的长比例试样，其断后伸长率用A11.3表示或采用非比例试样。

2）断面收缩率

断面收缩率是指试样被拉断后试样处横截面积的最大缩减量（S0-Su）与原始横截面积（S0）之比的百分数，用符号Z表示。断面收缩率可用下式进行计算，即

式中：S0——试样的原始横截面积，单位为mm2；

　　　Su——试样断口处的最小横截面积，单位为mm2。

材料的塑性指标通常不直接用于工程设计计算，但材料的塑性对零件的加工和使用都具有重要的实际意义。塑性好的材料不仅能顺利地进行锻压、轧制等塑性变形加工，而且零件在使用过程中偶然超载时，由于能产生一定的塑性变形而不致突然断裂，从而能提高产品的安全性。所以大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还必须具有一定的塑性。