1.1 强度

根据载荷性质的不同，金属材料的强度有静强度、冲击强度和疲劳强度。通常所说的强度是指静强度。

1.1.1 静强度

在静载荷作用下，金属抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。金属材料在逐渐增大的静载荷作用下，一般依次产生弹性变形、塑性变形直至断裂。弹性变形是载荷去除后能完全消失的变形；塑性变形是载荷去除后仍然保留的变形。测定金属材料强度的常用方法是拉伸试验。

1.拉伸试验

拉伸试验在拉伸试验机上进行。先将被测金属材料按GB/T 228—2002制成圆截面标准拉伸试样（如图1.1所示）。试验时将试样装夹在试验机的夹头上，缓慢加载，试样逐渐被拉长，观察并测定拉力F及相应伸长量ΔL，直至试样断裂。根据测定的拉力F和伸长量ΔL可绘出拉伸曲线。

如图1.2所示为低碳钢的拉伸曲线。曲线上的斜直线段（Oe段），表示试样的伸长量与载荷成正比，此阶段内卸载，试样的伸长量能完全恢复，为弹性变形阶段；当载荷F超过Fe后（es段），试样开始出现微量塑性伸长；当F增至Fs时，曲线上出现水平线段，表示载荷F不增加而试样的塑性伸长却明显增加（称为屈服），为屈服阶段；当载荷F超

过Fs后（sb段），试样将产生明显塑性伸长，为均匀塑性变形阶段；当载荷F超过Fb时（bk段），试样某处横截面开始急剧缩小（称为缩颈）；此后，试样的塑性伸长局限在缩颈部位，承载能力迅速减小直至断裂（曲线上k点），为缩颈断裂阶段。

金属材料并非都有明显的上述四个阶段，对于脆性材料，拉伸过程中只有弹性变形和断裂两个阶段（如图1.3所示）。

2.强度指标

拉伸试验测得的强度指标主要有弹性极限、屈服极限和抗拉强度。

（1）弹性极限。

试样弹性伸长范围内承受的最大拉应力，用符号σe表示，单位为MPa。

式中：

Fe——试样在弹性伸长范围内承受的最大拉伸力（N）；

S0——试样原始横截面积（mm²）。

弹性极限是表征在拉伸力作用下，金属抵抗开始塑性变形的能力。

（2）屈服极限。

试样屈服时承受的拉应力，用符号σs表示，单位为M P a。

式中：

Fs——试样屈服时承受的拉伸力（N）。

对于没有明显屈服现象而难以测定其σs的金属材料，国标规定以其产生0.2 %残余应变时的拉应力作为条件屈服极限，用符号σ0.2表示。

屈服极限或条件屈服极限是表征在拉伸力作用下，金属抵抗明显塑性变形的能力。

（3）抗拉强度。

试样断裂前承受的最大拉应力，用符号σb表示，单位为M P a。

式中：

Fb——试样拉断前承受的最大拉伸力（N）。

抗拉强度是表征在拉伸力作用下，金属抵抗断裂的能力。

1.1.2 疲劳强度

许多机械零件工作时承受的载荷并非静载荷，而是循环载荷或交变载荷（即大小或大小与方向随时间做周期性变化的载荷）。金属在小于屈服极限σs的循环载荷作用下，经多次（次数＞104次）载荷循环而发生断裂的现象称为疲劳断裂或疲劳。在循环载荷作用下，金属抵抗疲劳断裂的能力称为疲劳强度。

金属的疲劳强度指标由相应疲劳试验测定的疲劳曲线确定。金属承受的最大循环应力σ和断裂前应力循环次数N之间的关系曲线（即σ-N曲线），称为疲劳曲线。

如图1.4所示是中、低强度钢在对称循环应力作用下的疲劳曲线。由疲劳曲线可知，当材料承受的循环应力σ＞σ-1时，材料的应力循环次数N（即疲劳寿命）随σ减小而增长；当σ≤σ-1时，疲劳曲线呈水平线，表示材料经无限次应力循环而不断裂。因此，中、低强度钢和铸铁以循环107次不断裂的最大循环应力σ-1作为疲劳强度指标，称为疲劳极限。有色金属、不锈钢和高强度钢的疲劳曲线，因其不存在水平线部分而不能确定σ-1，故规定以循环108次不断裂的最大循环应力σ108作为疲劳强度指标，称为条件疲劳极限。

材料的疲劳强度与抗拉强度之间存在一定的经验关系，碳钢的疲劳强度σ-1≈（0.4～0.5）σb；非铁金属的疲劳强度σ-1≈（0.3～0.4）σb。材料的强度越高，表示其抵抗断裂的能力越强，零件使用时越安全、可靠。