2.2.1 强度、塑性和韧性
材料的力学性能指标通常分为强度、塑性和韧性三大类，不同加载方式（拉伸、压缩、弯曲、扭转）时强度、塑性和韧性指标的定义略有不同，但其意义基本相同。下面以拉伸为例阐述其概念及工程意义。
2.2.1.1 强度及其工程意义
强度是指材料抵抗变形和断裂的能力。通常用应力的一些特征值或临界值表示。弹性极限、正弹性模量和剪切弹性模量是弹性变形阶段的三个强度指标。
如图2-3所示，在静拉伸塑性变形阶段，强度指标包括以下三个： RP0.2——屈服强度，试样在加载过程中发生0.2%非比例变形时对应的应力。Rs——屈服极限，试样开始屈服时对应的最小应力值。 RP0.2和Rs取其一。Rm ——抗拉强度，试样断裂前的最大应力。
图2-3 拉伸曲线和强度、塑性指标
材料的强度是机械工程材料中最重要的性能指标。有何工程意义呢？分别作如下说明。
①如果制作的拉伸件只使用一次或几十次乃至数百次，只要应力小于抗拉强度Rm就不会发生断裂。
②如果制作的拉伸件要反复使用无穷多次而不断裂，严格来说所加的应力必须保证材料的微观结构不能发生任何变化，即原子、空位、位错等在外力去除后都完全恢复到了原来的位置。由于微观结构在加载后未做任何变化，其性能当然不会发生改变，也就可以无限次地使用下去而不发生任何变化。要满足这样的条件，实际受的应力要小于弹性极限Re。当应力略小于Re时，也不能绝对保证上述微观结构不发生任何变化，但这些变化不足以影响到宏观上的尺寸变化，但是，有可能形成微裂纹，在使用过程中裂纹不断扩展而导致断裂。这类断裂称为疲劳断裂。
③在机械设计中常常用式（2-1）来选择材料：
塑性材料
RP0.2（Rs）≥nRmax
脆性材料
Rm≥nRmax （2-1）
式中，n是安全系数；Rmax是设计的最大应力。对式（2-1）的选材原则作如下说明：
a.对塑性材料，按说材料的弹性极限应满足Re≥nRmax，但是材料的Re不容易测定，而且数值的稳定性也较差，所以用RP0.2（Rs）代替Re。
b.如白口铸铁、陶瓷等脆性材料拉伸时，非比例变形还没达到0.2%或略大于0.2%就发生断裂了，则用Rm代替RP0.2。
c.安全系数的大小应从多方面考虑。从应力大小来说应考虑过载问题、应力集中问题、疲劳问题（将在2.3节介绍），综合考虑n一般不应小于2。
在实际情况中，为了减轻零构件重量，需要增大设计应力，因而需要选用高强度的材料。在不同使用场合，对材料强度的要求也不同，如桥梁、输电铁塔的主要问题是刚度问题，对材料强度要求不高，而机械中零件的主要问题是强度问题，对强度的要求就非常高，因而需要分别选用具有不同强度的材料。
例2-1 一个长2m的受拉伸的杆件，承受的最大拉力为400kN，取安全系数n=2。A材料的屈服强度为400MPa，价格为4元/kg，B材料的屈服强度为600MPa，价格为4.2元/kg。分别计算材料费用是多少（密度均为7.8g/cm3），选哪种材料更好？
解：
。对A材料，R=400/2=200（MPa），截面积A=400000/200=2000（mm2），材料费=200×20×7.8×10-3×4=124.8（元）。对B材料，R=600/2=300（MPa），截面积A=400000/300=1333（mm2），材料费=200×13.33×7.8×10-3×4.2=87.34（元）。
答：A材料费用为124.8元，B材料费用为87.34元，选B材料更好。
2.2.1.2 塑性及其工程意义
塑性是指材料发生塑性变形的能力，常用静拉伸的延伸率（A）和断面收缩率（Z）表示。在图2-3中已经标出了延伸率A，就是断裂后残余伸长应变。断面收缩率用试样拉断后缩颈处横截面积的缩减量与原始的截面积的比值表示。塑性具有以下工程意义。
①生产上可以通过塑性变形而成形，通常有锻造、轧制、冲压、滚压等塑性成形方法，采用这些方法可以制备出金属板材、型材、零件毛坯等。
②可以通过塑性变形提高金属强度，丝（线）材、板材在成形的同时提高其强度。
③缓解应力集中，提高使用安全性。图2-4表示板上挖一个孔，在孔的边缘O点产生应力集中，如果是弹性变形，O点应力是平均应力的3倍，因此，当平均应力R=RP0.2/3时O点开始发生塑性变形，随应力增大，塑性变形区不断扩大，但塑性变形区的应力则基本上不变，仍然低于断裂强度而不会断裂。但是，如果材料不能发生塑性变形，如白口铸铁、灰口铸铁、陶瓷材料等，应力集中处的应力（如图2-4中的虚线）已经超过了断裂强度，则发生断裂。由于塑性变形区沿拉应力方向伸长，卸载后产生残余压应力，当再次加载时，残余应力抵消一部分外加应力，这时，即使加到原来的载荷，也几乎不会再发生塑性变形，即出现应力集中减小的现象，所以说塑性可以减缓应力集中。
图2-4 塑性变形缓解应力集中
综上所述，塑性是金属材料难能可贵的性能，在工程中意义重大，尤其对有应力集中的零构件，如果材料的塑性低，容易发生脆性断裂，造成安全事故。所以，在选材时，不仅要满足强度要求，还要满足对塑性的要求，应力集中越大或对安全性要求越高，则所选材料的塑性应越高。对焊接件，由于焊缝处不可避免地存在一些焊接缺陷，造成应力集中，也要求焊接用材要具有非常好的塑性。
2.2.1.3 韧性及其工程意义
韧性是材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。在静拉伸条件下，用单位体积吸收的塑性变形功（应力-应变曲线下的面积）表示材料韧性，叫静力韧度，如图2-5所示。由图2-5看出，静力韧度可以近似用屈服强度和抗拉强度的平均值与延伸率的乘积计算。韧性不是独立的性能指标，与强度和塑性都有关系。在高强度低塑性情况下适当提高塑性（强度可能降低），韧性提高较大。而对低强度高塑性材料，提高强度，适当降低塑性可提高韧性。即在强度和塑性都比较高的情况下韧性最高。
图2-5 静力韧度
材料的韧性常用冲击功和断裂韧度作为韧性指标，这两个指标在后面介绍。
穿甲弹和甲板就是矛与盾的关系，两者都需要高强度和高韧性。当零构件承受冲击载荷时，对韧性的要求就高了。
知识巩固2-2
1._________是指外力去除后不能恢复的变形。
（a）弹性变形 （b）永久变形 （c）拉伸变形 （d）弯曲变形
2._________是指材料抵抗变形和断裂的能力。
（a）强度 （b）塑性 （c）韧性 （d）硬度
3._________是指材料发生塑性变形的能力。
（a）强度 （b）塑性 （c）韧性 （d）硬度
4._________是指材料吸收塑性变形功和断裂功的能力。
（a）强度 （b）塑性 （c）韧性 （d）硬度
5.某零件设计时安全系数为2，设计的最大应力为300MPa，所选材料的屈服极限应该满足_________。
（a）RP0.2>300MPa （b）RP0.2>450MPa （c）RP0.2>600MPa （d）RP0.2>1000MPa
6.根据对某零件的应力分析，材料的强度应满足RP0.2>600MPa，有4种材料的强度和塑性指标如下，如果只考虑强度，哪种材料最好？_________。
（a）RP0.2=580MPa，A=30% （b）RP0.2=650MPa，A=20%
（c）RP0.2=800MPa，A=20% （d）RP0.2=1800MPa，A=2%
7.根据对某零件的应力分析，材料的强度应满足RP0.2>600MPa，有4种材料的强度和塑性指标如下，如果考虑强度和安全性，哪种材料最好？_________。
（a）RP0.2=580MPa，A=30% （b）RP0.2=650MPa，A=20%
（c）RP0.2=800MPa，A=20% （d）RP0.2=1800MPa，A=2%
8.有4种材料的强度和塑性指标如下，如果用来制造炮弹壳，哪种材料最好？_________。
（a）RP0.2=580MPa，A=30% （b）RP0.2=650MPa，A=20%
（c）RP0.2=800MPa，A=20% （d）RP0.2=500MPa，A=0.2%
9.材料的强度越高，说明其力学性能越好。（ ）
10.材料的韧性越高，说明其强度和塑性都比较高。（ ）