第二章 材料的静载拉伸力学性能2.1 静载拉伸试验 2.2 弹性变形

2.3 塑性变形2.4 材料的断裂

2.1 静载拉伸试验静载拉伸试验是最基本的、应用最广泛的力学性 能试验方法。 * 由静载拉伸试验测定的力学性能指标，可以作为 工程设计、评定材料和优选工艺的依据，具有重要的 工程实际意义。

* 静载拉伸试验可以揭示材料的基本力学行为规律， 并且得到材料弹性、强度、塑性和韧性等许多重要的 力学性能指标。

2.1.1 应力-应变曲线 * 静载拉伸试样 一般为光滑圆柱试样或板状试样。若采用光滑 圆柱试样，试样工作长度(标长)l0=5d0或l0=10d0, d0为原始直径。

光滑圆柱试样

* 试验装置和过程：试验通常在室 温、轴向和缓慢加 载(10-4~10-2/s)条件 下进行的，并以自 动记录或绘图装置 记录或绘制试件所 受的载荷P和伸长 量Δl之间的关系曲 线，这种曲线通常 称为拉伸图。 万能材料试验机

* 典型曲线

* 评价指标工程应力(Engineering Stress) ζ = P/A0 工程应变(Engineering Strain) δ = Δl/l0 (2-1) (2-2)

式中P为载荷，Δl为试样伸长量，Δl = l- l0,l0为 试样原始标长，l为与P相对应的标长部分的长度， A0为原始截面积(πd02/4)。

图2-1 脆性材料的应力-应变曲线

2.1.1.1 脆性材料的应力-应变曲线 * 典型材料： 玻璃、多种陶瓷、岩石，低温下的金属材料、淬 火状态的高碳钢和普通灰铸铁等。

* 曲线特征： 在拉伸断裂前，只发生弹性变形，不发生塑性变 形，在最高载荷点处断裂，如图2-1所示。* 断口特征：平断口，断口平面与拉力轴线垂直。 * 描述参数： 弹性模量E 应力-应变曲线与横轴夹角α的大小表示材料对 弹性变形的抗力，E=tanα (2-3) 虎克(Hooke)定律 在弹性变形阶段，应力与应变成正比， σ= Eδ (2-4)

2.1.1.2 塑性材料的应力-应变曲线对塑性金属材料，常有如下四种典型的应力/应变曲线

图2-2 塑性材料的应力-应变曲线

(1)最常见的金属材料应力-应变曲线：Oa为弹性变形阶段，ab为形变强化阶段，bk为缩 颈阶段，在k点发生断裂，如图2-2(a) 。 典型材料有调质钢、黄铜和铝合金。 (2)具有明显屈服点的应力-应变曲线： 曲线有明显的屈服点aa′,屈服点呈屈服平台或呈 齿状，相应的应变量在1%~3%范围，图2-2(b) 。 典型材料：退火低碳钢、某些有色金属。

(3) 不出现颈缩的应力-应变曲线：

只有弹性变形oa和均匀塑性变形ak阶段，图2-2(c) 。典型材料：铝青铜和高锰钢。 (4) 不稳定型材料的应力-应变曲线： 在形变强化过程中出现多次局部失稳，原因是孪 生变形机制的参与，当孪生应变速率超过试验机夹头运 动速度时，导致局部应力松

弛，从而出现齿形特征，如

图2-2(d) 。典型材料：低溶质固溶体铝合金和含杂质铁合金。

2.1.1.3 高聚物的拉伸 1)玻璃态高聚物的拉伸 * T<<Tg ,曲线(1),应变10%

* T<<Tg ,但温度升高，曲线(2),屈服点B, 20%应变 * Tg以下几十度，曲线(3) * Tg以上几十度，曲线 (4),较长的平台。

2.结晶高聚物的拉伸 (1)试样均匀被拉长，应力与应变成线性关系；在 Y点后，出现一个或几个“细颈”。(应变1%~10%) (2)细颈部分不断扩展，非细颈部分缩短，直至整 个试样完全变细。(500%~1000%) 此阶段应力几乎不变。 (3)成颈后的试样再次 被均匀拉长，应力再次升 高，直至断裂。

3.高分子材料的应力-应变曲线特征 (1)分类： 大致可分为五类

a-硬而脆；b-硬而强；c-硬而韧；d-软而韧；e-软而弱

(2) 高分子材料应力-应变曲线的不同特征

(3)影响因素 * 温 度： Tg 以下，为脆性破坏； Tg 附近或以上，为延性破坏。 * 形变速率：低形变速率时，为延性破坏；高形变 速率时，为脆性破坏。 *当T<<Tg ,E>4.5GPa时，呈脆性破坏行为(即硬 而脆类型);在T<Tg ,E=2~4GPa时，呈半延性破坏 行为(即硬而强类型);在T<Tg ,E<1.5GPa时，材 料呈延性破坏行为(即硬而韧类型);在T>Tg时， 材料呈现橡胶大形变行为(即软而韧类型)。