金属材料的力学性能
（第一课时）
潘甜
教学内容：金属材料力学性能的概念、力学性能指标及测定方法
教学目标：
1、掌握金属材料力学性能的基本概念。

2、理解金属材料的各种力学性能指标的表达方式及测定方法。

教学重点：
1、材料的力学性能的概念。

2、强度、塑性指标的概念及测量方法。

教学难点：对材料的应力-应变曲线各阶段进行分析得出材料的力学性能指标
教学过程：
一、导入
前面我们已经学习了工程材料的种类及成形，材料的种类繁多，用途甚广，但不同的材料性能各异，掌握各种材料的性能对材料的选择、加工及应用具有重要作用。

金属材料是目前应用最广泛的工程材料，我们首先了解金属材料的性能，而金属材料的力学性能指标是选择、使用金属材料的重要依据，所以，我们重点学习金属材料的力学性能的概念及性能指标。

二、授课内容
1、金属材料的力学性能
金属材料的性能可分为使用性能和工艺性能两大类。

使用性能指材料在使用过程中所表现出来的性能，包括力学性能、物理性能和化学性能。

工艺性能指材料在被加工过程中适应各种冷热加工的性能，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。

材料的力学性能指材料在常温、静载作用下受外力作用（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）表现出来的宏观力学特性（变形或断裂）。

材料的力学性能主要有刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。

这些力学性能需采用标准试样在材料试验机上按照规定的试验方法和程序测定。

2、低碳钢拉伸应力-应变曲线
低碳钢拉伸的应力-应变曲线是说明材料力学性能的最明显的示例。

如图1所示，有一低碳钢圆柱标准试样，在拉伸试验机上对试样轴向施加静拉力F，使试样产生变形直至断裂，可测出试样的拉伸力与伸长量的F−∆L拉伸曲线图。

为消除试件尺寸对材料性能的影响，
定义应力σ=F
A （单位面积上的拉力），应变ε=∆L
L
（单位长度的伸长
量）代替F和∆L，得到应力-应变曲线，如图2所示，对应力-应变曲线进行分析：
图1 低碳钢拉伸试样
图2 应力-应变曲线
（1）弹性阶段（ob段）：在拉伸的初始阶段，应力-应变曲线（oa 段）为一直线，应力与应变成正比，满足胡克定律，此阶段称为线性阶段，a点对应的应力σp称为比例极限。

线性阶段后，应力-应变曲线不为直线（ab段），应力与应变不再成正比，但若在整个弹性阶段卸载，应力-应变曲线会沿原曲线返回，载荷卸载到零时，变形也完全消失。

金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能称为弹性，这种随外力去除而消失的变形称为弹性变形。

b点对应的应力σe为产生弹性变形的最大应力，称为材料的弹性极限。

（2）屈服阶段（bc段）：继续拉伸，应力几乎不变，只是在某一微小范围内上下波动，而应变却急剧增长，这种现象称为屈服。

使材料发生屈服的应力σs称为屈服应力。

（3）硬化阶段（ce段）：继续拉伸，应力-应变曲线呈现上升趋势，材料的抗变形能力又增强了，这种现象称为应变硬化。

若在此阶段卸载，卸载过程的应力-应变曲线为一条斜线（如dd’），其斜率与线性阶段的直线段斜率大致相等。

当载荷卸载到零时，变形并未完全
消失，这种不能随外力去除而消失的残余变形称为塑性变形。

对卸载后已有塑性变形的试样重新进行加载，应力-应变曲线基本上沿卸载时的直线变化，其弹性极限得到提高，这一现象称为冷作硬化。

在硬化阶段，应力-应变曲线存在一最高点e，对应的应力σb称为材料的强度极限。

（4）颈缩阶段（ef段）：继续拉伸，试样出现局部显著收缩，这一现象称为颈缩。

颈缩出现后，使试样继续变形所需的载荷减小，应力-应变曲线呈现下降趋势，直至最后在f点断裂。

3、力学性能指标
（1）刚度
刚度：材料受外力作用时抵抗弹性变形的能力。

刚度常用弹性模量E来衡量，弹性模量是材料在弹性范围内应力与应变的比值，单位为MPa。

E值的大小主要取决于材料的本性，E越大，产生的弹性变形越小，刚度越大。

提高零件刚度的方法有增加横截面积、改变截面形状及选用弹性模量较大的材料。

（2）强度
强度：材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。

常用的强度指标主要是屈服强度和抗拉强度。

屈服强度即屈服应力σs，单位为MPa。

对于无明显屈服现象的材料，国家标准规定用试样标距长度产生0.2％塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，以σ0.2表示。

抗拉强度是材料在断裂前所承受的最大应力值，即强度极限σb，单位为MPa。

（3）塑性
塑性：材料受外力作用时产生永久变形而不引起破坏的性能。

工程上常用断后伸长率和断面收缩率作为材料的塑性指标。

断后伸长率：试样拉断后的标距伸长量与原始标距之比。

δ=L1−L0
L0
×100%
式中L0——试样原始标距长度；
L1——试样拉断后的标距长度。

断面收缩率：试样拉断处横截面积的收缩量与原始横截面积之比。

ψ=A0−A1
A1
×100%
式中A0——试样原始横截面积；
A1——试样拉断处的横截面积。

断面伸长率和断面收缩率的值越大，表明材料的塑性越好。

三、课堂小结
今天我们了解了金属材料的性能，重点学习了材料的力学性能的概念，以低碳钢的拉伸应力-应变曲线为例分析了金属材料的刚度、强度及塑性等力学性能指标的表达方式及测定方法。

四、板书设计
金属材料的力学性能
1、力学性能：材料在常温、静载作用下受外力作用（拉伸、压缩、弯
曲、扭转、冲击、交变应力等）表现出来的宏观力学特
性（变形或断裂）。

2、低碳钢拉伸应力-应变曲线
四个阶段：（1）弹性阶段（ob）：比例极限σp、弹性变形、弹性极限σe （2）屈服阶段（bc）：屈服应力σs
（3）硬化阶段（ce）：应变硬化、塑性变形、冷作硬化、
强度极限σb
（4）颈缩阶段（ef）：断裂
3、力学性能指标
（1）刚度：抵抗弹性变形的能力
弹性模量：E=σ
ε
（2）强度：抵抗塑性变形和破坏的能力
屈服强度σs（MPa），σ0.2
抗拉强度σb（MPa）
（3）塑性：产生永久变形而不引起破坏的性能
×100%
断后伸长率：δ=L1−L0
L0
×100% 断面收缩率：ψ=A0−A1
A1
五、教学反思。