《金属加工与实训》金属材料的强度与塑性（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《金属加工与实训》金属材料的强度与塑性-讲义 （1）理解力学性能的基本概念​ （2）掌握拉伸试验方法与过程​ （3）掌握强度指标和塑性指标的定义、计算与工程意义​ 知识点一 拉伸试验过程分析 力学性能是指金属材料在力的作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能，主要包括强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。物体受外力作用后导致物体内部产生的相互作用的力称为内力，单位面积上的内力则称为应力(单位为 或MPa)。应变是指由外力引起的物体原始尺寸或形状的相对变化。金属材料的力学性能是评定金属材料质量的主要依据，也是设计金属构件时选材和进行强度计算的主要依据。 拉伸试验是指用静(缓慢)拉伸力对试样进行轴向拉伸，通过测量拉伸力和伸长量来测定试样的强度、塑性等力学性能的试验。拉伸试验在拉伸试验机上进行，拉伸试样和拉伸试验机如图1-1所示。国家标准GB/T 228.1-2021 规定，比例试样的原始标距与原始横截面积满足 ，其中k称为比例系数，取值为5.65和11.3。当k=5.65时，计算的比例标距称为短比例标距，对应的试样称为短比例试样；当k=11.3时，计算的比例标距称为长比例标距，对应的试样称为长比例试样。同时，国家标准建议优先选用圆形横截面试样。圆形横截面长比例试样的 圆形横截面短比例试样的 为了节省成本，通常采用圆形横截面短比例试样。图1-1a所示为圆形横截面比例试样拉伸前的状态，图1-1b所示为圆形横截面比例试样被拉断对接后的状态。图中du为圆形横截面比例试样断口处的直径，Lu为圆形横截面比例试样被拉断对接后测出的标距长度。图1-1c所示为拉伸试验机。 进行拉伸试验时，拉伸力 F和试样伸长量△L之间的关系曲线称为力-伸长曲线。通常把拉伸力F作为纵坐标，伸长量△L作为横坐标。图1-2所示为退火低碳钢的F-△L曲线和 曲线，从图中可以看出，试样从开始拉伸到断裂要经过以下四个阶段。 ① 弹性变形阶段 F-△L 曲线中的直线 Op部分。在该阶段，当拉伸力增加时，试样伸长量△L呈正比增加，当去除拉伸力后，试样变形消失，恢复其原来的形状，变形表现为弹性变形。图中 是试样保持弹性变形的最大拉伸力。Ft是指拉伸力卸除后残余伸长或延伸等于规定的原始标距或引伸计标距百分率时对应的力。 ② 屈服阶段 F-△L曲线中s点附近的一段曲线。当拉伸力不断增加并超过 Fp时，试样将产生塑性变形，即去除拉伸力后，变形不能完全恢复，变形(或伸长)将被长期保留下来。当拉伸力继续增加到 时,F-△L曲线在s点附近出现一个平台，即在拉伸力不再增加的情况下，试样也会明显伸长，这种现象称为屈服现象。拉伸力 称为屈服拉伸力。 ③ 变形强化阶段 F-△L 曲线中的 sm部分。当拉伸力超过屈服拉伸力 后，试样抵抗变形的能力将会增加，这种现象称为冷变形强化，即随着变形的增大，试样变形抗力也逐渐增大。 ④ 缩颈与断裂阶段 F-△L曲线中的 mk部分。当拉伸力达到 F 时，试样的局部横截面开始收缩，产生缩颈现象。由于缩颈使试样局部横截面迅速缩小，最终导致试样被拉断。F 是试样被拉断前能承受的最大拉伸力，称为极限拉伸力。 【单项选择题】为节省成本，拉伸试验通常采用的试样类型是（ ） A. 圆形横截面长比例试样 B. 圆形横截面短比例试样 C. 方形横截面长比例试样 D. 方形横截面短比例试样 【答案】B 【解析】内容明确，为节省成本，通常采用圆形横截面短比例试样，且国家标准建议优先选用圆形横截面试样，故答案为B。 1. （单项选择题）冷变形强化现象的特点是（ ） A. 拉伸力增加，试样伸长量减小 B. 拉伸力不变，试样持续伸长 C. 随着变形增大，试样变形抗力增大 D. 试样局部横截面收缩 【答案】C 【解析】冷变形强化是拉伸力超过屈服拉伸力FₑH后，试样抵抗变形能力增加的现象，即随着变形增大，变形抗力增大，A、B、D分别对应其他阶段特征，故答案为C。 2. （单项选择题）拉伸试验中，极限拉伸力是指（ ） A. 试样保持弹性变形的最大力 B. 屈服阶段的最大力 C. 试样被拉断前能承受的最大拉伸力 D. 产生缩颈时的拉伸力 【答案】C 【解析】文中提到，极限拉伸力是试样被拉断前能承受的最大拉伸力，A对应Fₚ，B对应FₑH，D是极限拉伸力出现后的现象，故答案为C。 3. （填空题）金属材料在力的作用下，与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能，称为________。 【答案】力学性能 【解析】根据“力学性能的概念”部分，此表述即为力学性能的定义，因此应填“力学性能”。 1. （单项选择题）下列关于Fₜ的定义，正确的是（ ） A. 试样保持弹性变形的最大拉伸力 B. 拉伸力卸除后残余伸长符合规定时对应的力 C. 屈服阶段的最大拉伸力 D. 试样被拉断前的最大拉伸力 【答案】B 【解析】内容明确，Fₜ是拉伸力卸除后残余伸长或延伸等于规定的原始标距或引伸计标距百分率时对应的力，A对应Fₚ，C对应FₑH，D对应极限拉伸力，故答案为B。 2. （单项选择题）退火低碳钢拉伸试验中，屈服现象出现在哪个阶段（ ） A. 弹性变形阶段 B. 屈服阶段 C. 变形强化阶段 D. 缩颈与断裂阶段 【答案】B 【解析】文中指出，在屈服阶段，当拉伸力增加到FₑH时，F-△L曲线出现平台，拉伸力不增加试样仍明显伸长，此为屈服现象，故屈服现象出现在屈服阶段，答案为B。 3. （填空题）由外力引起的物体原始尺寸或形状的相对变化，称为________。 【答案】应变 【解析】文中明确给出应变的定义为“由外力引起的物体原始尺寸或形状的相对变化”，故答案为“应变”。 · 性能看五样：材料的“性格”由强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度五大性能决定，这是我们选材和设计的根本。 · 试验分四段：拉伸过程像拉糖，经历弹性、屈服、强化、缩颈四个阶段，屈服点和最大拉力是关键测量点。 · 结果判优劣：拉断后测伸长率和断面收缩率，这两个值越大，代表材料塑性越好，越“耐折腾”。 知识点二 强度 强度是指金属材料抵抗永久变形和断裂的能力。金属材料强度指标的数值可以通过拉伸试验测得。金属材料抵抗拉伸力的强度指标主要有屈服强度(或规定塑性延伸强度)和抗拉强度等。 1.屈服强度和规定塑性延伸强度 屈服强度是指当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间金属材料产生塑性变形而力不增加时的应力。国家标准GB/T 228.1——2021规定，屈服强度分为上屈服强度( 和下屈服强度 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，下屈服强度是指在试样屈服期间，不计初始瞬时效应时的最小应力。一般情况下，屈服强度是指下屈服强度。屈服强度是工程技术中重要的力学性能指标之一，也是大多数机械零件选材和设计的依据。下屈服强度 可用下式计算： 式中： ———下屈服强度,MPa; ——试样在屈服期间不计初始瞬时效应时的最小拉伸力，N； S0————试样平行长度的原始横截面积, 工业上使用的部分金属材料(如高碳钢、铸铁等)在进行拉伸试验时，没有明显的屈服现象，也不会产生缩颈现象，这就需要规定一个相当于屈服强度的指标，即规定塑性延伸强度。规定塑性延伸强度是指塑性延伸等于规定的引伸计标距 百分率时对应的应力，用符号 表示。例如， 表示规定塑性延伸率为0.2%时的应力。 2.抗拉强度 抗拉强度是指试样被拉断前与最大力( 对应的应力，用 表示。 可用下式计算： 式中: Rm————抗拉强度,MPa; Fm————试样承受的最大力，N； S0————试样原始横截面积， Rm是表征金属材料由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也表征金属材料在静拉伸条件下的最大承载能力。对于塑性较好的金属材料来说，拉伸试样在承受最大拉应力Rm之前，变形是均匀一致的，但超过Rm后，金属材料便开始出现缩颈现象，即产生集中塑性变形。 【单项选择题】对于塑性较好的金属材料，拉伸试验中开始出现缩颈现象的时机是（ ） A. 拉伸力达到上屈服强度对应的力时 B. 拉伸力达到下屈服强度对应的力时 C. 拉伸力超过抗拉强度对应的最大力Fₘ时 D. 拉伸力达到规定塑性延伸强度对应的力时 【答案】C 【解析】内容提到“对于塑性较好的金属材料来说……超过Rₘ后，金属材料便开始出现缩颈现象”，Rₘ对应最大力Fₘ，故超过Fₘ时出现缩颈，答案为C。 1. （单项选择题）抗拉强度Rₘ表征金属材料在静拉伸条件下的哪种能力？（ ） A. 抵抗弹性变形的最大能力 B. 抵抗塑性变形的最大能力 C. 最大承载能力 D. 抵抗断裂的最小能力 【答案】C 【解析】文中明确“Rₘ……也表征金属材料在静拉伸条件下的最大承载能力”，A对应弹性极限，B表述不完整，D与Rₘ定义不符，故答案为C。 2. （单项选择题）下列哪种材料拉伸试验时，通常需要用规定塑性延伸强度替代屈服强度？（ ） A. 退火低碳钢 B. 高碳钢 C. 铝合金 D. 纯铜 【答案】B 【解析】文中明确“高碳钢、铸铁等材料在进行拉伸试验时，没有明显的屈服现象……需要规定一个相当于屈服强度的指标，即规定塑性延伸强度”，A、C、D均为塑性较好、有明显屈服现象的材料，故答案为B。 3. （填空题）金属材料抵抗永久变形和断裂的能力称为________，其主要指标可通过拉伸试验测得。 【答案】强度 【解析】根据内容开篇定义，“强度是指金属材料抵抗永久变形和断裂的能力”，且后续明确强度指标通过拉伸试验测得，故填“强度”。 1. （单项选择题）符号Rₚ₀.₂的含义是（ ） A. 下屈服强度为0.2MPa B. 上屈服强度为0.2MPa C. 规定塑性延伸率为0.2%时的应力 D. 抗拉强度为0.2MPa 【答案】C 【解析】内容指出“规定塑性延伸强度用符号 Rₚ表示。例如， Rₚ₀.₂表示规定塑性延伸率为0.2%时的应力”，A、B、D对符号含义的解读均错误，故答案为C。 2. （单项选择题）抗拉强度Rₘ的计算公式中，分母S₀代表的是（ ） A. 试样断口处的横截面积 B. 试样平行长度的原始横截面积 C. 试样拉伸后的最大横截面积 D. 试样引伸计标距段的横截面积 【答案】B 【解析】文中公式Rₘ=Fₘ/S₀的说明及下屈服强度公式中，均明确S₀是“试样平行长度的原始横截面积”，A为断口面积（与S₀无关），C、D无对应定义，故答案为B。 3. （填空题）国家标准GB/T 228.1-2021规定，上屈服强度是指试样发生屈服而力________前的最大应力。 【答案】首次下降 【解析】文中明确上屈服强度的定义为“试样发生屈服而力首次下降前的最大应力”，核心限定条件为“首次下降”，故填“首次下降”。 · 强度分两种：屈服强度是材料“开始服软”的临界点，抗拉强度是材料“彻底扛不住”的极限值。 · 设计看屈服：机械零件选材和设计主要依据屈服强度，要确保工作应力永远低于它，零件才不会发生永久变形。 · 极限看抗拉：抗拉强度代表了材料能承受的最大应力，超过它材料就会发生缩颈并最终断裂。 知识点三 塑性 塑性是指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。金属材料的塑性可以用拉伸试样断裂时的最大相对变形量表示，如断后伸长率和断面收缩率。它们是表征材料塑性优劣的主要力学性能指标。 1.断后伸长率 试样在力的作用下会产生塑性变形，试样的原始标距会不断伸长。试样被拉断后标距的残余伸长与原始标距之比的百分率称为断后伸长率，用A表示。A可用下式计算： 式中：A——断后伸长率，%； ——试样断后对接的标距，mm； L。————试样原始标距， mm。 对于比例试样，若原始标距不为 ，符号A宜附以下脚标说明，如 表示长比例试样的断后伸长率。同一种金属材料的断后伸长率A和 的数值是不相等的，因而不能直接用A和 进行比较。一般短比例试样的A 值大于长比例试样的 值。 2.断面收缩率 断面收缩率是指试样被拉断后，其横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率，用Z 表示，可用下式计算： 式中：Z——断面收缩率，%； S。————试样平行长度部分的原始横截面积，mm²； Su————试样断口处的最小横截面积，mm²。 金属材料的塑性对零件的加工和使用具有重要意义，塑性好的金属材料容易进行锻压、轧制等成形加工，而且在使用时万一超载，由于金属材料能产生塑性变形，可避免突然断裂。因此，大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还要求有一定的塑性。 目前，金属材料室温拉伸试验方法采用的国家标准主要是GB/T228.1—2021，它与旧标准GB/T 228——1987在强度与塑性方面的名词和符号对照见表1-1。 表1-1新标准与旧标准在强度与塑性方面的名词和符号对照 GB/T 228.1——2021新标准 GB/T 228—1987旧标准 名 词 符号 名 词 符 号 断面收缩率 Z 断面收缩率 断后伸长率 A，A11.3 断后伸长率 和 屈服强度 — 屈服点 上屈服强度 ReH 上屈服点 下屈服强度 ReL 下屈服点 规定塑性延伸强度 Rp，如Rp0.2 规定残余延伸应力 如 抗拉强度 Rm 抗拉强度 【单项选择题】下列关于断后伸长率的说法，正确的是（ ） A. 同一种材料的A和A₁₁.₃可直接比较 B. 原始标距为5.65√S₀时，符号A需附下标 C. 断后伸长率数值越大，材料塑性越差 D. 断后伸长率是相对变形量，用百分率表示 【答案】D 【解析】A选项，文中明确A和A₁₁.₃“不能直接比较”，故错误；B选项，“若原始标距不为5.65√S₀，符号A宜附以下脚标”，反之则无需附加，故错误；C选项，断后伸长率越大，材料塑性越好，故错误；D选项，文中公式显示断后伸长率是“残余伸长与原始标距之比的百分率”，即相对变形量，用百分率表示，故正确。 1. （单项选择题）旧标准GB/T 228—1987中，“断后伸长率δ₁₀”对应的新标准符号是（ ） A. A B. A₅.₆₅ C. A₁₁.₃ D. Z 【答案】C 【解析】表1-1显示，新标准“断后伸长率A，A₁₁.₃”对应旧标准“断后伸长率δ₅和δ₁₀”，其中δ₁₀对应长比例试样（k=11.3），即A₁₁.₃，δ₅对应A₅.₆₅，故答案为C。 2. （单项选择题）GB/T 228.1—2021新标准中，“下屈服强度”的符号是（ ） A. σ_sL B. ReL C. Rp D. σ_b 【答案】B 【解析】由表1-1可知，新标准“下屈服强度”的符号为ReL，A是旧标准下屈服点符号，C是规定塑性延伸强度符号，D是旧标准抗拉强度符号，故答案为B。 3. （填空题）金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力称为________，其主要评价指标为断后伸长率和断面收缩率。 【答案】塑性 【解析】根据内容开篇定义，“塑性是指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力”，且后续明确其主要指标，故填“塑性”。 1. （单项选择题）金属材料塑性好的优势不包括（ ） A. 易进行锻压、轧制等成形加工 B. 使用时超载可避免突然断裂 C. 能承受更大的弹性变形 D. 便于通过塑性变形调整零件形状 【答案】C 【解析】文中提到塑性好的材料“容易进行锻压、轧制等成形加工”“超载时能产生塑性变形，避免突然断裂”，A、B、D均为塑性好的优势；C“承受更大弹性变形”是弹性性能的体现，与塑性无关，故答案为C。 2. （单项选择题）根据GB/T 228.1—2021新标准，断面收缩率的符号是（ ） A. ψ B. Z C. A D. Rₘ 【答案】B 【解析】由表1-1可知，新标准中“断面收缩率”的符号为Z，A是旧标准中断面收缩率符号，C是断后伸长率符号，D是抗拉强度符号，故答案为B。 3. （填空题）断后伸长率A的计算公式中，L_u代表的是________，单位为mm。 【答案】试样断后对接的标距 【解析】文中公式A=[(L_u - L₀)/L₀]×100%的说明中，明确“L_u——试样断后对接的标距，mm”，故填“试样断后对接的标距”。 · 塑性好坏用两个指标衡量——断后伸长率 (A) 和断面收缩率 (Z)。A值/Z值越大，材料塑性越好，越能“拗”而不断。 · 塑性好不仅便于锻压、轧制等成型加工，更能让零件在超载时通过变形预警，避免突然断裂。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$