材料在軸向拉(壓)時(shí)的力學(xué)性能

第六章材料在軸向拉（壓）時(shí)的力學(xué)性能本章重點(diǎn)：1、金屬材料拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能；2、溫度和時(shí)間對(duì)材料力學(xué)性能的影響?！?.1材料在拉伸時(shí)的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能也稱為機(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，要由實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。在室溫下，以緩慢平穩(wěn)的加載方式進(jìn)行試驗(yàn)，稱為常溫靜載試驗(yàn)。是測(cè)量材料力學(xué)性能的基本試驗(yàn)。對(duì)拉伸試件，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)均有規(guī)定。試驗(yàn)的形狀如圖：夾頭夾頭dl試樣兩端用于夾持，過(guò)渡圓弧避免應(yīng)力集中。在試樣上取長(zhǎng)為l的一段作為試驗(yàn)段，l稱為標(biāo)距，對(duì)圓截面試樣，標(biāo)距l(xiāng)與直徑d有兩種比例：l=5dorl=10d工程材料中具有代表性的是低碳鋼與鑄鐵。一、低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性能低碳鋼——含碳量在0.3%以下的碳素鋼。(I)A3鋼試件的拉伸圖：P名義應(yīng)力名義應(yīng)變A3鋼的應(yīng)力－應(yīng)變曲線1、彈性階段oab

這一階段可分為：斜直線Oa和微彎曲線ab，該段范圍內(nèi)，試件變形是彈性的，卸載后變形可完全恢復(fù)。比例極限彈性極限Oa段：變形是線彈性的，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。直線oa為線彈性區(qū)，其應(yīng)力與應(yīng)變之比稱材料的彈性模量（楊氏模量）E，幾何意義為應(yīng)力--應(yīng)變曲線上直線段的斜率。a→b點(diǎn)，σ與ε之間的關(guān)系不再滿足線性變化，但解除拉力P后，變形仍能恢復(fù)，即仍屬?gòu)椥苑秶?，只是非線彈性的。b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是彈性變形的極限值，稱為彈性極限σe。當(dāng)σ＞σe后，即使拉力解除，在材料中將會(huì)有一部分變形不能恢復(fù)，稱為塑性變形或殘余變形。2、屈服階段bc，屈服極限上屈服極限下屈服極限為下屈服極限σ＞σe即超過(guò)b后，在b→c間，σ不必增大，但ε↑較快，這種現(xiàn)象稱為屈服或流動(dòng)。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)械的正常工作。

∴σs－衡量材料強(qiáng)度的指標(biāo)。

表面磨光的試件，屈服時(shí)可在試件表面看見(jiàn)與軸線大致成45°傾角的條紋。這是由于材料內(nèi)部晶格之間相對(duì)滑移而形成的，稱為滑移線。，因?yàn)樵?5°的斜截面上剪應(yīng)力最大。

強(qiáng)化階段的變形絕大部分是塑性變形強(qiáng)度極限3、

強(qiáng)化階段cd過(guò)c后，材料部分恢復(fù)了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱為材料的強(qiáng)化。強(qiáng)化階段中最高點(diǎn)e對(duì)應(yīng)的應(yīng)力σb是材料所能承受的最大應(yīng)力，稱為強(qiáng)調(diào)極限或抗拉強(qiáng)調(diào)。4、局部變形階段debb1過(guò)e后，在試樣某一部分，橫向尺寸突然減小，形成頸縮現(xiàn)象。注意：在彈性階段，滿足σ＝Eε，其中σ為拉伸應(yīng)力，ε為拉伸線應(yīng)變，沿被拉伸方向；而在垂直于拉伸面的方向上，即試件的橫向上，據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，試件的橫向尺寸會(huì)隨著ε↑而變化。由b→b1,于是，橫向應(yīng)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)同時(shí)表明，當(dāng)應(yīng)力不超過(guò)比例極限時(shí)，橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變?chǔ)胖葹橐怀?shù)，即為橫向變形系數(shù)，泊松比，無(wú)量綱泊松比為材料固有的彈性常數(shù)。比例極限屈服極限強(qiáng)度極限其中和是衡量材料強(qiáng)度的重要指標(biāo)延伸率ll1截面收縮率

dd1材料力學(xué)性質(zhì)的綜合評(píng)述塑性材料：延伸率＞5%脆性材料：延伸率＜5%卸載定律冷作硬化現(xiàn)象經(jīng)過(guò)退火后可消除材料在卸載時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變成直線關(guān)系殘余應(yīng)變（塑性應(yīng)變）冷作硬化常溫下把材料預(yù)拉到塑性變形階段，然后卸載，再次加載時(shí)，材料的線彈性范圍將增大，使材料比例極限提高，而塑性降低。冷作時(shí)效：拉伸至強(qiáng)化階段后卸載，過(guò)一段時(shí)間后再拉，則其線彈性范圍的比例極限還會(huì)有所提高二、其它材料的拉伸實(shí)驗(yàn) 對(duì)于在拉伸過(guò)程中沒(méi)有明顯屈服階段的材料，通常規(guī)定以產(chǎn)生0.2％的塑性應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為屈服極限，并稱為名義屈服極限，用σ0.2來(lái)表示三、灰口鑄鐵的拉伸實(shí)驗(yàn)

沒(méi)有屈服現(xiàn)象和頸縮現(xiàn)象,只能測(cè)出其拉伸強(qiáng)度極限切線模量：曲線在任意應(yīng)變處的斜率，用

割線模量：由原點(diǎn)至曲線上對(duì)應(yīng)于任意應(yīng)變點(diǎn)連線的斜率，用顯然切線、割線模量是變量彈性模量割線切線§6.2材料在壓縮時(shí)的力學(xué)性能金屬的壓縮試樣一般制成很短的圓柱體，以免被壓彎，圓柱高度一般為直徑的1.5～3倍，混凝土及石料等被制成立方體試樣。低碳鋼壓縮時(shí)的σ-ε曲線拉伸壓縮測(cè)不出低碳鋼壓縮時(shí)的E和都與拉伸時(shí)大致相同，但壓縮時(shí)顯然不會(huì)有強(qiáng)度極限鑄鐵壓縮時(shí)的σ-ε曲線拉伸壓縮鑄鐵在壓縮時(shí)的要比拉伸時(shí)大4～5倍綜上：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）屈服極限強(qiáng)度極限彈性模量E延伸率δ斷面收縮率§6.3溫度和時(shí)間對(duì)材料力學(xué)性能的影響一、短期靜載下，溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響

在低溫情況下，碳鋼的彈性極限的強(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。材料在高溫和低溫下的力學(xué)性能與常溫下并不相同，且往往與作用時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)。二、高溫、長(zhǎng)期靜載下材料的力學(xué)性能固體材料在保持應(yīng)力不變的情況下，應(yīng)變隨時(shí)間緩慢增長(zhǎng)的現(xiàn)象稱為蠕變。εtABCDA點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變是載荷作用時(shí)立刻就發(fā)生的。A→B，蠕變速率不斷減小，是不穩(wěn)定的蠕變階段。B→C，蠕變速度最小，且接近于常量，是穩(wěn)定的蠕變階段。從C開(kāi)始蠕變速度又逐漸增加，是蠕變的加速階段。過(guò)D點(diǎn)后，蠕變速度急劇↑直至材料斷裂。B稱為第一轉(zhuǎn)變點(diǎn)，C為第二轉(zhuǎn)變點(diǎn)三、應(yīng)力松弛粘彈性材料在總應(yīng)變不變的條件下,變形恢復(fù)力（回彈應(yīng)力）隨時(shí)間逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。四、在動(dòng)載下應(yīng)變速率對(duì)力學(xué)性能的影響與靜載下材料的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，動(dòng)載下，塑性材料的會(huì)隨↑而↑，但其屈服階段將會(huì)失去。綜上所述，衡量材料力學(xué)性能的主要指標(biāo)有：比例極限(或彈性極限)、屈服極限、強(qiáng)度極限、彈性模量、延伸率、斷面收縮率等。

對(duì)于塑性材料來(lái)說(shuō)，抵抗拉斷的能力較好，常用的強(qiáng)度指標(biāo)是屈服極限。而且，一般來(lái)說(shuō)，拉伸和壓縮時(shí)的屈服極限相同。對(duì)于脆性材料來(lái)說(shuō)，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，強(qiáng)度指標(biāo)是強(qiáng)度極限，一般用于受壓構(gòu)件?！?.3失效、安全系數(shù)和強(qiáng)度計(jì)算一、失效失效形式：強(qiáng)度失效，剛度失效，穩(wěn)定性失效失效原因：脆性材料的斷裂，塑性材料的塑性變形{

強(qiáng)度失效變形量過(guò)大剛度失效穩(wěn)定性不足（壓彎或翹曲）穩(wěn)定性失效二、許用應(yīng)力安全系數(shù)的選擇n>1——安全系數(shù)

許用應(yīng)力就是桿件被人為規(guī)定的實(shí)際應(yīng)力允許達(dá)到的最高限度構(gòu)件安全工作條件材料的極限應(yīng)力安全系數(shù)對(duì)于塑性材料對(duì)于脆性材料確定安全系數(shù)時(shí)，一般要考慮以下幾類：（1）材料的素質(zhì)，包括材料的均勻度，質(zhì)地好壞，是塑性還是脆性；（2）載荷情況，包括對(duì)載荷的估計(jì)是否準(zhǔn)確，是靜載還是動(dòng)載荷；（3）實(shí)際構(gòu)件簡(jiǎn)化過(guò)程和計(jì)算方法的準(zhǔn)確程度；（4）零件在設(shè)備中的重要程度，包括損壞后帶來(lái)的損失，是否難于修理；（5）對(duì)減輕重量，提高設(shè)備機(jī)動(dòng)性有要求，如對(duì)坦克，飛機(jī)等例1：

在低碳鋼的實(shí)驗(yàn)中，測(cè)得彈性模量E=200GPa。若超過(guò)屈服極限后繼續(xù)加載，當(dāng)試樣橫截面的應(yīng)力為=310MPa時(shí)，軸向線應(yīng)變?yōu)?0.0215。試問(wèn)相應(yīng)的彈性線應(yīng)變和殘余線應(yīng)變各為多少？

3100.0215解：彈性應(yīng)變塑性應(yīng)變=0.0215-0.00155=0.01995例2：一根鋼筋試件，E=210GPa，比例極限