材料的力學(xué)性能

1、第三章 材料的力學(xué)性能第一節(jié)拉伸或壓縮時(shí)材料的力學(xué)性能一、概述分析構(gòu)件的強(qiáng)度時(shí)，除計(jì)算應(yīng)力外，還應(yīng)了解材料的力學(xué)性質(zhì)(Mecha nicaiproperty)，材料的力學(xué)性質(zhì)也稱為機(jī)械性質(zhì)，是指材料在外力作用下表現(xiàn)出的變形、破壞等 方面的特性。它要由實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。在室溫下，以緩慢平穩(wěn)的方式進(jìn)行試驗(yàn)，稱為常溫靜載試 驗(yàn)，是測(cè)定材料力學(xué)性質(zhì)的基本試驗(yàn)。為了便于比較不同材料的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)試件的形狀、 加工精度、加載速度、試驗(yàn)環(huán)境等，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了相應(yīng)變形形式下的試驗(yàn)規(guī)范。本章只研 究材料的宏觀力學(xué)性質(zhì)，不涉及材料成分及組織結(jié)構(gòu)對(duì)材料力學(xué)性質(zhì)的影響，并且由于工程中常用的材料品種很多，主要以低碳鋼和鑄鐵為

2、代表，介紹材料拉伸、壓縮以及純剪切時(shí)的力學(xué)性質(zhì)。二、低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性質(zhì)低碳鋼是工程中使用最廣泛的金屬材料，同時(shí)它在常溫靜載條件下表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性質(zhì)也最具代表性。低碳鋼的拉伸試驗(yàn)按金屬拉伸試驗(yàn)方法(GB/T228 2002)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)試件(Sta ndard specimen )有圓形和矩形兩種類型，如圖 3-1所示。試件上標(biāo)記 A、B兩點(diǎn)之間的距離稱為標(biāo)距，記作I。圓形試件標(biāo)距I。與直徑d0有兩種比例，即lo=1Odo和lo=5do。矩形試件也有兩種標(biāo)準(zhǔn)，即|0 =113、入和I。=5.65.入。其中A0為矩形試件的截面面積。圖3-1拉伸試件試件裝在試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)試

3、件緩慢加拉力Fp,對(duì)應(yīng)著每一個(gè)拉力 Fp,試件標(biāo)距I0有一個(gè)伸長(zhǎng)量AI。表示Fp和AI的關(guān)系曲線，稱為拉伸圖或 FpAI曲線。如圖3-2a,由于FpAI 曲線與試件的尺寸有關(guān)，為了消除試件尺寸的影響，把拉力Fp除以試件橫截面的原始面積Fp心IA0,得出正應(yīng)力匕為縱坐標(biāo)；把伸長(zhǎng)量 A除以標(biāo)距的原始長(zhǎng)度I0,得出應(yīng)變?yōu)锳)I0橫坐標(biāo)，做圖表示b與&的關(guān)系(圖3-2b)稱為應(yīng)力應(yīng)變圖或(r£曲線(Stress-straincurve) o圖3-2低碳鋼拉伸曲線根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，低碳鋼的拉伸力學(xué)性質(zhì)大致如下:(一) 彈性階段由斜直線Oa和很短的微彎曲線 ab組成。斜直線 Oa表示應(yīng)力和應(yīng)

4、變成正比關(guān)系，即 皿s,直線的斜率即為材料的彈性模量E,寫(xiě)成等式 b =E（就是拉伸或壓縮的虎克定律。與a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 為稱為比例極限（Proportional limit ）。顯然，只有應(yīng)力低于比例極限時(shí)， 應(yīng)力才與應(yīng)變成正比，材料才服從虎克定律。這時(shí)，稱材料是線彈性的（Lin ear elasticity ）。對(duì)于微彎曲線段 ab,應(yīng)力和應(yīng)變之間不再服從線性關(guān)系，但解除拉力后變形仍可完全 消失，這種變形稱為彈性變形（Elastic deformation ）, b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 ce是材料只出現(xiàn)彈性變形的極限值，稱為彈性極限（Elastic limit ）。由于ab階段很短，c和c相差很小，

5、通常并 不嚴(yán)格區(qū)分。在應(yīng)力大于彈性極限后，如再解除拉力，則試件產(chǎn)生的變形有一部分消失，這就是上面提到的彈性變形。但還遺留下一部分不能消失的變形，這種變形稱為塑性變形或殘余變形（Plastic deformation ）。（二）屈服（流動(dòng)）階段當(dāng)應(yīng)力超過(guò)b點(diǎn)增加到c點(diǎn)之后，應(yīng)變有非常明顯的增加，而應(yīng)力先是下降，然后作微小的波動(dòng)，在c曲線上出現(xiàn)接近水平線的小鋸齒形線段。這種應(yīng)力基本保持不變，而應(yīng)變顯著增加的現(xiàn)象，稱為屈服或流動(dòng)（Yield ）。在屈服階段內(nèi)的最高應(yīng)力（c點(diǎn)）和最低應(yīng)力（c點(diǎn)）分別稱為上屈服極限和下屈服極限。上屈服的數(shù)值與 試件形狀、加載速度等因素有關(guān)，一般是不穩(wěn)定的。下屈服極限則相

6、對(duì)較為穩(wěn)定，能夠反映材料的性質(zhì)，通常就把下屈服極限稱為屈服極限（Yield limit ）或屈服點(diǎn)，用c來(lái)表示。對(duì)于粗糙度值很低的表面光滑試件，屈服之后在試件表面上隱約可見(jiàn)與軸線成45。的滑移線。材料屈服表現(xiàn)為顯著的塑性變形，而零件的塑性變形將影響機(jī)器的正常工作，所以屈服極限c是衡量材料強(qiáng)度的重要指標(biāo)。（三）強(qiáng)化階段過(guò)屈服階段后，材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形必須增加拉力。這種現(xiàn)象稱為材料的強(qiáng)化（Strengthening）。在圖3-2b中，強(qiáng)化階段中的最高點(diǎn)e所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力c是材料所能承受的最大應(yīng)力，稱為強(qiáng)度極限（Strength limit ）或抗拉強(qiáng)度。它是衡量材料強(qiáng)度的另一重

7、要指標(biāo)。在強(qiáng)化階段，試件標(biāo)距長(zhǎng)度明顯地變長(zhǎng)，直徑明顯地縮小。（四）局部變形階段過(guò)e點(diǎn)之后，進(jìn)入局部變形階段，試件局部出現(xiàn)顯著變細(xì)的現(xiàn)象，亦即頸縮（Necking ）現(xiàn)象（如圖3-3）。由于在頸縮部位橫截面面積迅速減小，使試件繼續(xù)伸長(zhǎng)所需要的拉力也相應(yīng)減少。在c圖中，用橫截面原始面積 A算出的應(yīng)力 cFp/A隨之下降，直到f點(diǎn)，試件 被拉斷。圖3-3頸縮現(xiàn)象（五）延伸率和斷面收縮率試件拉斷后，由于保留了塑性變形，試件加載前的標(biāo)距長(zhǎng)度 表示的比值卡 1000%10拉斷后變?yōu)樨?。用百分比3-10( 3-1)稱為延伸率（Percentage elongation）。試件的塑性變形（1仁|0）越大，3

8、也就越大。因此，延伸率是衡量材料塑性的指標(biāo)。低碳鋼的延伸率很高，其平均值為20%30%,這說(shuō)明低碳鋼的塑性性能很好。工程上通常按延伸率的大小把材料分成兩大類，8> 5%的材料稱為塑性材料，如碳鋼、黃銅、鋁合金等；而把 8< 5%的材料稱為脆性材料，如鑄鐵、玻璃、陶瓷等。原始橫截面面積為 A0的試件，拉斷后頸縮處的最小截面面積變?yōu)锳i,用百分比表示的A0 A1A0100°。(3-2)比值稱為斷面收縮率。0也是衡量材料塑性的指標(biāo)。（六）卸載定律和冷作硬化現(xiàn)象在上述的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如果不是持續(xù)將試件拉斷，而是加載至超過(guò)屈服極限后如到達(dá)圖3-2b中的d點(diǎn)），然后逐漸卸除拉力，應(yīng)力應(yīng)

9、變關(guān)系將沿著斜直線dd回到d點(diǎn)，斜直線dd'近似地平行于 Oa。這說(shuō)明：在卸載過(guò)程中，應(yīng)力和應(yīng)變按直線規(guī)律變化。這就是卸載定律。拉力完全卸除后，應(yīng)力一應(yīng)變圖中，d'g表示消失了的彈性變形，而Od表示保留下來(lái)的塑性變形。卸載后，如在短期內(nèi)再次加載，則應(yīng)力和應(yīng)變又重新沿著卸載直線dd'上升，直到d點(diǎn)后，又沿直線def變化?？梢?jiàn)在再次加載時(shí)，直到d點(diǎn)以前材料的變形是彈性的，過(guò)d點(diǎn)后才開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形。 比較圖3-2b中的Oabcc def和d' de兩條曲線，可見(jiàn)在第二次加載時(shí)， 其比例極限（亦即彈性階段）得到了提高，但塑性變形和延伸率卻有所降低。這種現(xiàn)象稱為 冷作硬

10、化。工程上經(jīng)常利用冷作硬化來(lái)提高材料的彈性階段。如起重機(jī)用的鋼索和建筑用的鋼筋，常用冷拔工藝以提高強(qiáng)度。 又如對(duì)某些零件進(jìn)行噴丸處理， 使其表面發(fā)生塑性變形， 形成冷 硬層，以提高零件表面層的強(qiáng)度。但冷作硬化也像世間一切事物一樣無(wú)不具有兩重性，其有利之處將在工程中得到廣泛應(yīng)用， 不利之處是由于冷作硬化使材料變硬變脆， 給塑性加工帶 來(lái)困難，且容易產(chǎn)生裂紋，往往需要在工序之間安排退火，以消除冷作硬化帶來(lái)的影響。三、其他塑性材料拉伸時(shí)的力學(xué)性質(zhì)工程上常用的塑性材料，除低碳鋼外，還有中碳鋼、某些高碳鋼和合金鋼、青銅、黃 銅、硬鋁和退火的球墨鑄鐵等。圖3-4中是幾種塑性材料的6曲線。其中有些材料，如1

11、6Mn鋼和低碳鋼一樣，有明顯的彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和局部變形階段。有些材T10A，料，如黃銅H62，沒(méi)有屈服階段，但其他三階段卻很明顯。還有些材料，如高碳鋼 沒(méi)有屈服階段和局部變形階段，只有彈性階段和強(qiáng)化階段。圖3-4常見(jiàn)塑性材料應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)沒(méi)有明顯屈服極限的塑性材料，可以將產(chǎn)生0.2%塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力作為屈服指標(biāo),并用q).2來(lái)表示(圖3-5)。圖3-5名義屈服極限各類碳素鋼中，隨含碳量的增加，屈服極限和強(qiáng)度極限相應(yīng)提高，但延伸率降低。例如 合金鋼、工具鋼等高強(qiáng)度鋼材、屈服極限較高，但塑性性能卻較差。四、鑄鐵拉伸時(shí)的力學(xué)性質(zhì)鑄鐵也是工程中廣泛應(yīng)用的材料之一，拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是一

12、條微彎曲線。如圖3-6所示，沒(méi)有直線區(qū)段，沒(méi)有屈服和頸縮現(xiàn)象，試件斷口平齊、粗糙，拉斷前的應(yīng)變很小， 延伸率也很小，幾乎沒(méi)有塑性變形，所以只能測(cè)得拉伸時(shí)的強(qiáng)度極限(拉斷時(shí)的最大應(yīng)力)鑄鐵是典型的脆性材料，由于沒(méi)有屈服現(xiàn)象，強(qiáng)度極限(5是衡量強(qiáng)度的唯一指標(biāo)。圖3-6鑄鐵拉伸曲線由于鑄鐵6圖是一微彎的曲線，彈性模量E的數(shù)值隨應(yīng)力的大小而變。但在工程中鑄鐵的拉應(yīng)力不能很高，而在較低的拉應(yīng)力下，則可近似認(rèn)為服從虎克定律。通常取6 曲線的割線代替曲線的開(kāi)始部分，并以割線的斜率作為彈性模量，稱為割線彈性模量(Seca nt modulus)。鑄鐵等脆性材料的抗拉強(qiáng)度很低，所以不宜作為受拉構(gòu)件。但鑄鐵經(jīng)球化

13、處理成為球墨鑄鐵后，力學(xué)性能有顯著變化，不但有較高的強(qiáng)度，還有較好的塑性性能。國(guó)內(nèi)不少工廠成 功地用球墨鑄鐵代替鋼材制造曲軸、齒輪等零件。五、低碳鋼和鑄鐵壓縮時(shí)的力學(xué)性質(zhì)壓縮試驗(yàn)也是考察材料力學(xué)性質(zhì)的基本試驗(yàn)之一。金屬的壓縮試件一般制成很短的圓柱，以免被壓彎。按試驗(yàn)規(guī)范GB7314-87要求，一般試件的長(zhǎng)度是直徑的1.53倍。為了比較低碳鋼和鑄鐵拉伸與壓縮時(shí)的力學(xué)性質(zhì)的異同，將6曲線畫(huà)在同一個(gè)坐標(biāo)內(nèi)。圖3-7是低碳鋼壓縮與拉伸時(shí)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，從圖中看出，低碳鋼拉伸與壓縮時(shí)的彈性模量E和屈服極限 6相同。屈服階段以后，低碳鋼壓縮試件會(huì)被越壓越扁，橫截面積不斷增大，試件抗壓能力也繼續(xù)提高，因而

14、得不到壓縮時(shí)的強(qiáng)度極限。圖3-7低碳鋼壓縮圖3-8是鑄鐵壓縮與拉伸時(shí)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線。鑄鐵是一種典型的脆性材料，壓縮時(shí)的力學(xué)性質(zhì)與拉伸時(shí)有較大差異， 從圖3-8可看出，此種材料拉伸與壓縮時(shí)的彈性模量基本相 同，但壓縮時(shí)的強(qiáng)度極限 ob是拉伸時(shí)的45倍，試件在變形不大的情形下突然破壞，破壞 斷面的法線與軸線約成 450550的傾角，表明試件沿斜截面因相對(duì)錯(cuò)動(dòng)而破壞。圖3-8鑄鐵壓縮低碳鋼和鑄鐵目前仍是工程中使用最為廣泛的典型的塑性與脆性材料，這兩種材料表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性質(zhì)具有一定的代表性。一般認(rèn)為，低碳鋼及其他塑性材料是拉、壓力學(xué)性質(zhì)相同的材料，在了解其拉伸性質(zhì)之后， 不一定再去做壓縮實(shí)驗(yàn)。鑄鐵所

15、反映出的拉伸與壓縮力學(xué)性質(zhì)有較大的差異，對(duì)于其他脆性材料也有同樣情形。脆性材料抗壓強(qiáng)度高，價(jià)格低廉， 宜于制成受壓構(gòu)件使用，特別是鑄鐵，堅(jiān)固耐磨，高溫熔融態(tài)時(shí)流動(dòng)性很好，廣泛用于澆鑄 制成的床身、機(jī)座等零部件。綜上所述，衡量材料力學(xué)性能的指標(biāo)主要有：比例極限（或彈性極限）o（0）、屈服極限o、強(qiáng)度極限o、彈性模量E、延伸率3和斷面收縮率 $等。對(duì)很多金屬來(lái)說(shuō)，這些量 往往受溫度、熱處理等條件的影響。表3-1中列出了幾種常用材料在常溫、靜載下 o、o和3的數(shù)值。表3-1幾種常用材料的力學(xué)性質(zhì)材料名稱牌號(hào)o (MPa )或 o.2o 和(MPa)3 (%)普通碳素鋼Q215186216333412

16、26 31Q23521623537346125 27Q27525527449060819 21優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼152253732740333569194535359816普通低合金結(jié)構(gòu)鋼12M n27429443244119 2116Mn27434347154919 2115 MnV33341249054917 1918MnM oNb44151058863716 17合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr785981950Mn27859329碳素鑄鋼ZG1519639225ZG3527449016可鍛鑄鐵KTZ45-52744415KTZ70-25396872球墨鑄鐵QT40-1029439210QT45-5324

17、4415QT60-24125882灰鑄鐵HT15-33拉 98.1 274HT30-54拉255294第二節(jié) 失效、許用應(yīng)力、安全系數(shù)一般來(lái)說(shuō)構(gòu)件的破壞表現(xiàn)為構(gòu)件發(fā)生斷裂（Rupture）（或破裂）或產(chǎn)生過(guò)大的塑性變形（永久變形）而失效。由材料力學(xué)性質(zhì)的研究可知，表征塑性材料破壞的行為是屈服，表征脆性材料破壞的行為是斷裂。因此，塑性材料的屈服極限（5和脆性材料的強(qiáng)度極限ob分別被定義為兩類材料的極限應(yīng)力。為保證構(gòu)件有足夠的強(qiáng)度，在載荷作用下構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力（稱為工作應(yīng)力）顯然應(yīng)低于極限應(yīng)力。但實(shí)際中還應(yīng)使構(gòu)件具有必要的安全儲(chǔ)備，一般應(yīng)使工作應(yīng)力不超過(guò)許用應(yīng)力o（ Allowable stress

18、 ）,而o按如下二式計(jì)算：對(duì)塑性材料fcr =ns對(duì)脆性材料式中，大于1的系數(shù)ns或nb稱為安全系數(shù)（Safety factory ）。根據(jù)不同工況對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的要求， 正確選擇安全系數(shù)是重要的工程任務(wù)。 絕大多數(shù)情 形下都是由工業(yè)部門(mén)或國(guó)家規(guī)定。 選擇安全系數(shù)的總原則是既安全又經(jīng)濟(jì)。 具體選擇時(shí)一般 需要考慮以下幾方面：（1）材料性能方面的差異，包括材料的均勻程度、質(zhì)地好壞，是塑性還是脆性，以及 冶煉、機(jī)加工等過(guò)程都會(huì)使材料的成分和強(qiáng)度有差別。（2） 構(gòu)件在服役期可能遇到的各種意外情況，如短時(shí)間的超載或臨時(shí)的不利工作條件， 經(jīng)歷多次 啟動(dòng)（加載）一一運(yùn)行一一停車（卸載）”的過(guò)程，這些都會(huì)使材

19、料強(qiáng)度減小。（3）構(gòu)件可能承受的載荷類型，絕大多數(shù)設(shè)計(jì)載荷很難精確已知，只能是工程估算的 結(jié)果，此外使用場(chǎng)合的變化或變更，也會(huì)引起實(shí)際載荷的變化。有動(dòng)載荷、循環(huán)載荷、沖擊 載荷的作用，安全系數(shù)則應(yīng)大些。（4）可能發(fā)生的失效形式，如脆性材料失效（斷裂）前沒(méi)有明顯的預(yù)兆，而是突然發(fā) 生。而塑性（韌性）材料失效時(shí)有明顯的變形，在失效前有預(yù)兆，能知道超載的存在。前一 種情形則取較大的安全系數(shù)。（5）分析方法的不精確性，所有工程設(shè)計(jì)方法，都以一定的簡(jiǎn)化假定作基礎(chǔ)，由此得 到的計(jì)算應(yīng)力只是實(shí)際應(yīng)力的近似。方法精度越高，安全系數(shù)則可越小。（6）構(gòu)件所處的工況情況，對(duì)于在腐蝕或銹蝕等難以控制的惡劣條件下工作的

20、構(gòu)件， 安全系數(shù)則應(yīng)取得較大。許用應(yīng)力和安全系數(shù)的數(shù)值，可在相關(guān)行業(yè)的一些規(guī)范中查到。作為一名工程技術(shù)人員， 如何深入了解工程實(shí)際，深刻理解規(guī)范的科學(xué)本質(zhì)，在兼顧經(jīng)濟(jì)和安全的前提下，科學(xué)地選 取安全系數(shù)，不是單純靠學(xué)習(xí)本課程知識(shí)就可以做到的，而是需要長(zhǎng)期實(shí)際工作的鍛煉和積累。安全系數(shù)的規(guī)范也不是固定不變的，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展， 各種計(jì)算技術(shù)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)與測(cè)試儀器等方面的進(jìn)步，人們對(duì)于客觀世界的認(rèn)識(shí)會(huì)不斷深入。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)水平、 工藝水平及產(chǎn)品質(zhì)量也會(huì)不斷提高，安全系數(shù)的規(guī)范必將更加完善和合理。第三節(jié) 溫度和時(shí)間對(duì)材料力學(xué)性能的影響金屬材料在高溫和低溫下的力學(xué)性能與常溫下有著顯著的差別，且往

21、往與作用時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)。另外，加載速率對(duì)材料力學(xué)性能也有較大影響。由于工程中有許多零件，例如汽輪 機(jī)的葉片，長(zhǎng)期在高溫中運(yùn)轉(zhuǎn)；又如液態(tài)氫和液態(tài)氮的容器，則在低溫下工作。有的構(gòu)件受 到不同加載速率的載荷。 因此，需要研究上述因素對(duì)材料力學(xué)性能的影響，這里只做簡(jiǎn)單介紹。一、短期靜載下溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響為確定金屬材料在高溫下的性能，可在指定溫度下對(duì)試件進(jìn)行短時(shí)靜載拉伸實(shí)驗(yàn)，一般在1520min內(nèi)將試件拉斷。圖3-9a為碳鋼、圖3-9b為低合金鋼有關(guān)力學(xué)性質(zhì)（§、殆、E、& 0）等在不同溫度下變化的情況。從圖中可看出，os和E隨溫度的升高而降低。在 250300 C之前，隨溫度

22、的升高， &和$降低而o增加；在250300C之后，隨溫度升高， &和0增加而o降低。圖3-9溫度影響在低溫情況下，碳鋼的彈性極限和強(qiáng)度極限都有所提高，但延伸率則相應(yīng)降低。這表明 在低溫下，碳鋼傾向于變脆。、高溫、長(zhǎng)期靜載下材料的力學(xué)性能金屬在一定的溫度和應(yīng)力作用下，隨著時(shí)間的增加而緩慢地發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變（Creep）。對(duì)于某些有色金屬及其合金，在室溫下也會(huì)發(fā)生蠕變，碳鋼在300305°C、合金鋼在350400oC以上才會(huì)出現(xiàn)蠕變。在高溫下工作的零件往往因蠕變而引起事故。例如汽輪機(jī) 的葉片可能因蠕變發(fā)生過(guò)大的塑性變形，以致與輪殼相碰而打碎。圖3-10是典型蠕

23、變曲線的示意圖，圖中 Oa段是初始載荷的瞬時(shí)應(yīng)變£,若初始應(yīng)力超過(guò)試驗(yàn)溫度下的彈性極限，d s則Oa段既應(yīng)有彈性應(yīng)變也應(yīng)有塑性應(yīng)變。ab段蠕變速率 （曲線的斜率）在不斷減少，dt稱為減速蠕變階段。be段蠕變速度基本不變，稱為等速蠕變階段。超過(guò)c點(diǎn)后蠕變速度迅速增加，至d點(diǎn)試件斷裂，ed段則稱為加速蠕變階段。圖3-10蠕變曲線高溫下工作的零件，在發(fā)生彈性變形后，如何保持其變形總量不變，根據(jù)虎克定律，則 零件內(nèi)將保持一定的預(yù)緊力。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，因蠕變而逐漸發(fā)展的塑性變形將逐步地代替 了原來(lái)的彈性變形，從而使零件內(nèi)的預(yù)緊力逐漸降低，這種現(xiàn)象稱為松馳（Relaxation ）?？款A(yù)緊力密封

24、或連接的機(jī)器，往往因松馳而引起漏氣或松脫。例如汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與軸的緊密配合 可能因松馳而松脫。對(duì)這類問(wèn)題就需要了解材料有關(guān)蠕變的性質(zhì)。三、加載速率對(duì)材料力學(xué)性質(zhì)的影響d名不同的加載速率，將使試件產(chǎn)生不同的變形速率，變形速率通常用表示。試驗(yàn)表明，dt加載速率對(duì)彈性變形幾乎沒(méi)有影響，這是因?yàn)閺椥宰冃问菑椥圆ǖ膫鞑?，其速度遠(yuǎn)大于通常意義的加載或變形速率。試驗(yàn)由不同的加載速率所測(cè)出的同一材料的彈性模量E （也包括剪切彈性模量G、泊松比Q幾乎沒(méi)有差別。由于塑性變形較為緩慢，當(dāng)加載速率較大時(shí)則來(lái) 不及產(chǎn)生塑性變形，因而加載速率對(duì)材料的塑性變形過(guò)程影響較大。試驗(yàn)結(jié)果還表明，材料的強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)加載速率反映敏感，由于

25、變形速率的提高，材料的屈服極限cs和強(qiáng)度極限都有顯著提高。第四節(jié)應(yīng)力集中的概念實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)桿件承受軸向拉伸（或壓縮）時(shí)，在載荷作用的附近區(qū)域和截面發(fā)生劇烈變化的區(qū)域，式（2-1）不再適用。前者表現(xiàn)為應(yīng)力的分布規(guī)律受到不同加載方式的影響，其影響范圍可由圣維南原理解釋；后者則表現(xiàn)為應(yīng)力在截面變化部位局部升高，被稱為應(yīng)力集中（Stress concentrations）現(xiàn)象。一、圣維南原原理在工程實(shí)際中，由于構(gòu)件所處工況的不同，在外力作用區(qū)域內(nèi)，外力分布方式有各種可能，例如圖3-11a和圖3-11b中的拉力作用方式就是不同。實(shí)驗(yàn)證明：桿端載荷的作用方 式，將顯著地影響作用區(qū)附近的應(yīng)力分布規(guī)律，但距桿

26、端較遠(yuǎn)處上述影響逐漸消失，應(yīng)力趨于均勻，其影響范圍和12倍的橫向尺寸相當(dāng)，此即圣維南原理。由此原理可知，雖然圖3-11a、b所示桿件上端外力的作用方式不同，但可用與外力系靜力等效的合力來(lái)代替原力系，這就簡(jiǎn)化成相同的計(jì)算簡(jiǎn)圖（圖3-11C）。在距端截面略遠(yuǎn)處都可用公式（2-1）來(lái)計(jì)算應(yīng)力。圖 3-11二、應(yīng)力集中的概念由于工程實(shí)際的需要，有許多零件必須開(kāi)有切口、切槽、油孔、螺紋、軸肩等，以致在這些部位上截面尺寸發(fā)生劇烈變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析都表明，在零件尺寸劇烈變化處的橫截面上，應(yīng)力并不是均勻分布的。例如，開(kāi)有圓孔和切口的板條（圖3-12）受拉時(shí)，在圓孔或切口附近的局部區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力將劇烈增加，

27、但在離開(kāi)圓孔或切口稍遠(yuǎn)處，應(yīng)力就迅速降低而趨于均勻。這種因構(gòu)件外形突然變化引起的局部應(yīng)力急劇增大的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。圖 3-12設(shè)發(fā)生應(yīng)力集中的截面上的最大應(yīng)力為omax,同一截面上的平均應(yīng)力為怖，則比值為k歸x（33-17稱為理論應(yīng)力集中系數(shù)（Fatigue stress concentration factor ）。它反映了應(yīng)力集中的程度，是一個(gè)大于1的系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：截面尺寸改變得越急劇，角越尖，孔越小，應(yīng)力集中的程度就越嚴(yán)重。因此，零件設(shè)計(jì)加工時(shí)應(yīng)盡可能使截面的變化緩慢一點(diǎn)，如階梯軸的軸肩要用圓弧過(guò)渡，而且盡量使圓弧半徑大一些。材料不同，對(duì)應(yīng)力集中的敏感程度也不同。塑性材料因?yàn)橛星?/p>

28、服階段，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服極限o后該處材料的變形可以繼續(xù)增加，而應(yīng)力卻暫時(shí)不再加大。如外力繼續(xù)增加，增加 的力由截面上尚未屈服的材料來(lái)承擔(dān)，使該截面上的應(yīng)力相繼增大到屈服極限，如圖3-13所示。應(yīng)力分布逐漸趨于均勻，相應(yīng)地限制了最大應(yīng)力omax的數(shù)值，因此，塑性材料對(duì)應(yīng)力集中并不敏感，而脆性材料由于沒(méi)有屈服階段，應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力omax較快地達(dá)到材料的強(qiáng)度極限O,該處將首先產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致破壞。所以脆性材料對(duì)應(yīng)力集中表現(xiàn)很敏感。用脆性材料制成的零件，即使在靜載下，也應(yīng)考慮應(yīng)力集中對(duì)零件承載能力的削弱。至于灰鑄鐵，其內(nèi)部的不均勻性和缺陷往往是產(chǎn)生應(yīng)力集中的主要因素，而零件外形改變所引起的應(yīng) 力集中

29、就可能成為次要因素，對(duì)零件的承載能力不一定造成明顯的影響。圖3-13應(yīng)力集中工程中許多構(gòu)件由于工況的要求，經(jīng)常存在有切槽、螺紋、鉆孔等，致使截面發(fā)生突然 變化，因而應(yīng)力集中是工作中常見(jiàn)的現(xiàn)象，應(yīng)給予充分的注意。小 結(jié)對(duì)于金屬材料在常溫、 靜荷載條件下，若按照斷裂時(shí)其塑性變形的大小來(lái)分類，可分為塑性材料和脆性材料，在它們中又分別選取低碳鋼和鑄鐵作為典型。本章重點(diǎn)內(nèi)容就是研究這兩種材料在常溫、靜荷載作用下的力學(xué)性質(zhì)。通過(guò)低碳鋼拉伸試驗(yàn)，可以測(cè)定出它的下述主要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)：比例極限環(huán)，標(biāo)志材料的線彈性范圍內(nèi)的強(qiáng)度上限值；屈服極限cs,標(biāo)志材料的屈服（流動(dòng)）階段的強(qiáng)度下限值；強(qiáng)度極限C,標(biāo)志材料的最大

30、強(qiáng)度值；延伸率3和截面收縮率Y,標(biāo)志材料的塑性性能；彈性模量E和泊松比卩，標(biāo)志材料的彈性性能。注意：在確定上述 c、c、c時(shí)均用試件原截面面積去除相應(yīng)的荷載而求得的，因此， 它們只是一種名義應(yīng)力，并非真正的應(yīng)力。但是，對(duì)工程實(shí)際的要求來(lái)說(shuō)，應(yīng)用它們?nèi)ソ鉀Q 構(gòu)件的設(shè)計(jì)問(wèn)題，是完全適用和可靠的。對(duì)于無(wú)明顯屈服階段的塑性材料，工程中規(guī)定產(chǎn)生塑性應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)的應(yīng)力為名義屈服極限0.2，例如標(biāo)距為100mm的拉伸試件，在卸載后能產(chǎn)生塑性變形為0.2mm時(shí)的應(yīng)力即為0.2。材料的屈服現(xiàn)象，表明了斜截面上的最大剪應(yīng)力對(duì)受拉桿的塑性變形有著重大影 響，使我們認(rèn)識(shí)到全面了解桿件各個(gè)截面上的應(yīng)力情況是很重要的

31、。由拉伸圖和 c &圖曲線下的面積所代表的物理意義，能很好理解后面章節(jié)中學(xué)習(xí)的變形能和變形比能的概念，它不僅能使我們了解拉斷試件所需消耗的功與試件變形之間的關(guān)系， 而且還能表示出材料抵抗沖擊作用的能力。低碳鋼具有強(qiáng)度較高， 塑性性能較好，晶體組織較均勻等特點(diǎn)， 這也是一般塑性材料具 有的特點(diǎn)。鑄鐵與低碳鋼相比較，其抗拉強(qiáng)度低，塑性性能差；但鑄鐵的抗壓性能遠(yuǎn)大于它 的抗拉性能，這也是一般脆性材料的特點(diǎn)。要注意材料的特點(diǎn)，合理選擇和使用材料。工程中規(guī)定塑性材料以屈服極限c或0.2作為極限應(yīng)力 0x ；脆性材料取強(qiáng)度極限 O作為極限應(yīng)力 Cx，一般將qx除以安全系數(shù)n即得材料的容許應(yīng)力c。由于材料并不具有理想 的勻質(zhì)性，構(gòu)件工作時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)超載現(xiàn)象以及應(yīng)力計(jì)算的近似性等，所以必須采取安全系數(shù)使設(shè)計(jì)出的構(gòu)件具有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備。若同一種材料所處情況不同時(shí)，應(yīng)采用不同的安全系數(shù)。3-1塑性材料應(yīng)變硬化后，材料的力學(xué)性能發(fā)生了