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武汉科技大学本科毕业论文外文翻译 PAGE 23 第二章 材料的性质 材料的性质是材料选择的重要依据。比如我们要买一辆汽车，就要在多种汽车之间进行比较。除了大小、外观、配置之外，还要比较性能，如起动性能、加速性能、转弯性能、刹车性能、油耗高低等等。选择材料也是这样，在考虑材料的来源、材料的经济性、材料对环境的影响（这些因素我们将在第九章讨论）之外，最重要的就是材料的性能。材料的性质可以罗列数百种之多，我们暂不必一一了解，在此只择其要者，作一简单介绍。在本书中将材料的性质分为三类：化学性质，物理性质和力学性质。化学性质包括了材料的化学组成、原子或分子结构、凝聚态结构以及环境对材料的作用。有关晶体结构和环境对材料的影响我们将在第六、八章专门讨论，其它各层次的结构将会在各种材料中具体讨论。因此在本章中我们只对材料一般的力学性质与物理性质作较详细的描述。在图2-1中归纳了三类性质所包含的内容。我们必须清楚，没有归入图2-1中的性质远比图中的要多得多。 图2-1 材料性质谱 2.1 力学性质 2.1.1 应力-应变曲线 拉伸试验测定材料对静态的或缓慢施加的外力的抵抗力。测试中必须采用哑铃形试样，形状如图2-2所示。高分子材料使用(a)的形状，金属材料使用(b)的形状。陶瓷材料很脆，不容易加工成哑铃形标准样品，一般不作拉伸测试。测试装置如图2-3所示，在拉伸测试过程中，仪器同时记录对样品所施加的力以及样品的长度，将外力和长度分别换算为工程应力和工程应变： 工程应力＝ 工程应变＝ 图2-2 拉伸测试用样品 图2-3 拉伸性能的测试装置 其中A0为样品的初始截面积，l0为初始有效长度。l为外力为F时样品的有效长度。根据工程应力与工程应变的值后可以作出应力-应变曲线。典型的低碳钢的应力-应变曲线见图2-4。从图中可以看到起始部分为直线，在这一区域内应力与应变呈线性关系。如果在这一区域撤除外力，样品会恢复测试前的初始长度，故这一段称为弹性区。材料在弹性区服从虎克定律，即 σ=Ee E为弹性模量，即直线部分的斜率。直线部分之后的应力应变曲线是不规则的非线性部分。这两部分的分界线称为屈服点。屈服点后形变仍可大幅度增加，但应力升高则十分有限。在这一区域撤除外力，样品不再会回到初始长度，我们说样品产生了永久形变。不是所有的材料都有明显的线性段和明显的屈服点，如图2-5中灰铸铁的应力-应变曲线，二者都没有。但不能因此而认为灰铸铁没有弹性，在较低应力下这种材料还是具有一定弹性的。如果应力-应变曲线的直线部分不清楚，则以曲线在原点处切线的斜率作为弹性模量。应力-应变曲线上最大的应力值称为极限强度或拉伸强度。这一性质在工程设计中用处不大。因为在到达极限强度之前材料已发生了相当大的塑性形变。塑性形变在多数情况下等同于材料的破坏，但在少数情况下是有利的，如汽车保险扛。 图2-4 低碳钢的应力-应变曲线 图2-5 一些材料的应力-应变曲线 A：低碳钢；B：中碳钢；C：熟石膏；D：碳化钨； E：灰铸铁（压缩）；F：灰铸铁（拉伸） 在工程设计中常使用的是屈服强度，即屈服点的应力。在理论上屈服点是弹性形变与塑性形变的分水岭，是应力不随应变的发展而显著增加的起始点。但实际上像低碳钢那样具有清晰屈服点的材料并不多见。这样如何确定屈服强度就成了一个问题。在实际应用中，允许有0.2%的塑性形变。所以约定在发生0.2%塑性形变处的应力为屈服强度。为区别于理论屈服强度，这样约定的屈服强度称为偏屈服强度。图2-6为铝合金的典型的应力-应变曲线。从曲线上看不到屈服点，图中表示了确定偏屈服强度的方法。 延展性是材料发生塑性形变而不断裂的度量。可以用断裂伸长率表示材料的延展性： 断裂伸长率＝ 其中lf 为样品断裂时刻的有效长度。表示延展性的另一方法是利用样品截面积的变化： 截面积收缩率＝ 其中Af为样品断裂时刻的截面积。设计人员希望部件过度受力时能够在断裂前先发生一些塑性形变，而加工人员希望材料能被制成任意复杂的形状，因而延展性对材料是十分重要的。 图2-6 决定偏屈服强度的方法 图2-7真应力－应变曲线与工程曲线的对比 工程应力－应变曲线上应力在达到最大值后发生下降是工程应力的定义造成的。我们始终将样品的初始截面积作为样品的截面积，而实际上样品的截面积是不断缩小的。在韧性材料的拉伸过程中，会有一个局部发生较大的截面积收缩，使样品的截面积尺寸变得不均匀，这个局部称为细颈。在其后的形变过程中，细颈部分的长度持续延伸，而截面积保持不变。由于我们始终将初始截面积作为样品的截面积，细颈部分所承受的应力要远大于工程应力所反映的值。为了解样品真实的应力与应变状态，就必须使用真应力与真应变，这两个量可定义如下： 真应力＝ 真应变＝ 其中A为真实的或瞬时的样品截面积。图2-7中将真应力－应变曲线