1.1 強度

根據載荷性質的不同，金屬材料的強度有靜強度、沖擊強度和疲勞強度。通常所說的強度是指靜強度。

1.1.1 靜強度

在靜載荷作用下，金屬抵抗塑性變形和斷裂的能力稱為強度。金屬材料在逐漸增大的靜載荷作用下，一般依次產生彈性變形、塑性變形直至斷裂。彈性變形是載荷去除后能完全消失的變形；塑性變形是載荷去除后仍然保留的變形。測定金屬材料強度的常用方法是拉伸試驗。

1.拉伸試驗

拉伸試驗在拉伸試驗機上進行。先將被測金屬材料按GB/T 228—2002制成圓截面標準拉伸試樣（如圖1.1所示）。試驗時將試樣裝夾在試驗機的夾頭上，緩慢加載，試樣逐漸被拉長，觀察并測定拉力F及相應伸長量ΔL，直至試樣斷裂。根據測定的拉力F和伸長量ΔL可繪出拉伸曲線。

如圖1.2所示為低碳鋼的拉伸曲線。曲線上的斜直線段（Oe段），表示試樣的伸長量與載荷成正比，此階段內卸載，試樣的伸長量能完全恢復，為彈性變形階段；當載荷F超過Fe后（es段），試樣開始出現微量塑性伸長；當F增至Fs時，曲線上出現水平線段，表示載荷F不增加而試樣的塑性伸長卻明顯增加（稱為屈服），為屈服階段；當載荷F超

過Fs后（sb段），試樣將產生明顯塑性伸長，為均勻塑性變形階段；當載荷F超過Fb時（bk段），試樣某處橫截面開始急劇縮小（稱為縮頸）；此后，試樣的塑性伸長局限在縮頸部位，承載能力迅速減小直至斷裂（曲線上k點），為縮頸斷裂階段。

金屬材料并非都有明顯的上述四個階段，對于脆性材料，拉伸過程中只有彈性變形和斷裂兩個階段（如圖1.3所示）。

2.強度指標

拉伸試驗測得的強度指標主要有彈性極限、屈服極限和抗拉強度。

（1）彈性極限。

試樣彈性伸長范圍內承受的最大拉應力，用符號σe表示，單位為MPa。

式中：

Fe——試樣在彈性伸長范圍內承受的最大拉伸力（N）；

S0——試樣原始橫截面積（mm2）。

彈性極限是表征在拉伸力作用下，金屬抵抗開始塑性變形的能力。

（2）屈服極限。

試樣屈服時承受的拉應力，用符號σs表示，單位為M P a。

式中：

Fs——試樣屈服時承受的拉伸力（N）。

對于沒有明顯屈服現象而難以測定其σs的金屬材料，國標規定以其產生0.2 %殘余應變時的拉應力作為條件屈服極限，用符號σ0.2表示。

屈服極限或條件屈服極限是表征在拉伸力作用下，金屬抵抗明顯塑性變形的能力。

（3）抗拉強度。

試樣斷裂前承受的最大拉應力，用符號σb表示，單位為M P a。

式中：

Fb——試樣拉斷前承受的最大拉伸力（N）。

抗拉強度是表征在拉伸力作用下，金屬抵抗斷裂的能力。

1.1.2 疲勞強度

許多機械零件工作時承受的載荷并非靜載荷，而是循環載荷或交變載荷（即大小或大小與方向隨時間做周期性變化的載荷）。金屬在小于屈服極限σs的循環載荷作用下，經多次（次數＞104次）載荷循環而發生斷裂的現象稱為疲勞斷裂或疲勞。在循環載荷作用下，金屬抵抗疲勞斷裂的能力稱為疲勞強度。

金屬的疲勞強度指標由相應疲勞試驗測定的疲勞曲線確定。金屬承受的最大循環應力σ和斷裂前應力循環次數N之間的關系曲線（即σ-N曲線），稱為疲勞曲線。

如圖1.4所示是中、低強度鋼在對稱循環應力作用下的疲勞曲線。由疲勞曲線可知，當材料承受的循環應力σ＞σ-1時，材料的應力循環次數N（即疲勞壽命）隨σ減小而增長；當σ≤σ-1時，疲勞曲線呈水平線，表示材料經無限次應力循環而不斷裂。因此，中、低強度鋼和鑄鐵以循環107次不斷裂的最大循環應力σ-1作為疲勞強度指標，稱為疲勞極限。有色金屬、不銹鋼和高強度鋼的疲勞曲線，因其不存在水平線部分而不能確定σ-1，故規定以循環108次不斷裂的最大循環應力σ108作為疲勞強度指標，稱為條件疲勞極限。

材料的疲勞強度與抗拉強度之間存在一定的經驗關系，碳鋼的疲勞強度σ-1≈（0.4～0.5）σb；非鐵金屬的疲勞強度σ-1≈（0.3～0.4）σb。材料的強度越高，表示其抵抗斷裂的能力越強，零件使用時越安全、可靠。