材料拉伸時的力學性能

材料拉伸時的力學性能第一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日§6.1材料在拉伸(壓縮)時的力學性能

材料的力學性能是指材料在外力作用下表現(xiàn)出的變形和破壞方面的特性。在室溫下，以緩慢平穩(wěn)加載的方式進行的拉伸試驗，稱為常溫、靜載拉伸試驗。

試件中：d為圓試件直徑，l為試件的有效長度，稱為標距；A為板試件的橫截面積。圓截面：矩形截面：

=11.3

=5.65

第二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日6.1.1低碳鋼在軸向拉伸時的力學性能試驗過程中的軸力FN（在數(shù)值上等于載荷P的數(shù)值）和對應的試件伸長量Δl繪成P—Δl曲線，稱為“拉伸曲線”為了消除尺寸的影響，獲得反映材料性能的曲線，將縱坐標P和橫坐標Δl（標距的伸長量）分別除以試件的初始截面積A0和標距l(xiāng)0，得到材料拉伸時的應力一應變曲線，即σ一ε曲線。第三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日（1）低碳鋼拉伸曲線的四個階段

①彈性階段（ob）比例極限σp—材料應力應變成正比的最大應力值彈性極限σe

—材料只出現(xiàn)彈性變形的應力極限值（比例系數(shù)）

E為與材料有關(guān)的比例常數(shù)，隨材料不同而異。當時，，由此說明表明材料的剛性的大小。

第四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日②流動階段（屈服階段）（bc）

在此階段內(nèi)，載荷基本上不變，但變形增加較快。曲線呈現(xiàn)擺動，擺動的最小應力和最大應力分別稱為屈服下限和屈服上限。屈服下限數(shù)值較為穩(wěn)定，不太受加載速率的影響，將其定義為材料屈服極限σs

?，F(xiàn)象：磨光試件表面出現(xiàn)與軸線成45傾角條紋——滑移線，是由于材料晶格發(fā)生相對滑移所造成。材料產(chǎn)生顯著塑性變形，影響構(gòu)件正常使用，應避免出現(xiàn)。應力特征值：屈服極限σs——衡量材料強度的重要指標第五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日③強化階段（ce）強化現(xiàn)象：材料恢復抵抗變形的能力，要使應變增加，必須增大應力值。曲線表現(xiàn)為上升階段。應力特征性：強度極限——材料能承受的最大應力值。冷作硬化——材料預拉到強化階段，使之發(fā)生塑性變形，然后卸載，當再次加載時彈性極限和屈服極限提高、塑性降低的現(xiàn)象。工程上常用冷作硬化來提高某些材料在彈性范圍內(nèi)的承載能力，如建筑構(gòu)件中的鋼筋、起重機的鋼纜繩等，一般都要作預拉處理。但冷作硬化使材料變硬、變脆，使加工發(fā)生困難，且易產(chǎn)生裂紋，這時可以采用退火處理，部分或全部地消除材料的冷作硬化效應。某些金屬材料加載至塑性變形階段后卸載，放置一段時間后再加載，其比例極限和強度極限也會有一定程度的提高，且高于冷作硬化后立即加載時的數(shù)值，這種現(xiàn)象稱為“時效”。第六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日④頸縮階段(ef)

在該階段試件局部區(qū)域明顯呈杯狀變細，故稱為頸縮階段。在頸縮階段，應力一應變曲線呈下降狀態(tài)，直到試件斷裂。實驗指出，在彈性范圍內(nèi)，縱向應變εx與橫向應變εy之間存在下列關(guān)系：

εy=-μεx在彈性范圍內(nèi)μ基本為定值，其數(shù)值范圍為0＜μ＜0.5。超出彈性范圍μ值逐步增大至0.5。工程常用材料在彈性范圍內(nèi)的μ值及彈性模量E值列于表6－1。第七頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日低碳鋼拉伸試驗現(xiàn)象：屈服：頸縮：斷裂：第八頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日6.1.2鑄鐵在軸向拉伸時的力學性能鑄鐵拉伸直到斷裂，應力和應變近似地呈現(xiàn)直線關(guān)系（圖6－4）。因此，鑄鐵直至斷裂都滿足胡克定律。鑄鐵拉伸直到斷裂，試件尺寸幾乎沒有變化，所以，鑄鐵是脆性材料。脆性材料的強度指標是強度極限外σb

，它等于試件斷裂載荷除以試件的原橫截面面積。Oσε

第九頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日6.1.3強度指標和塑性指標

從強度考慮，低碳鋼的強度指標為屈服極限σs和強度極限σb

；鑄鐵的強度指標為強度極限σb

。從變形考慮，可以得到材料的延伸率δ和面積收縮率Ψ。延伸率δ定義為試件在斷裂后的工作標距的相對伸長，且用百分數(shù)表示，即面積收縮率Ψ定義為試件預縮的截面面積相對于試件的原橫截面面積的百分數(shù)，即第十頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日

延伸率δ>5%的材料，稱為塑性材料；延伸率δ<5%的材料,稱為脆性材料。第十一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日6.1.4低碳鋼和鑄鐵在軸向壓縮時的力學任能

壓縮的線性段與拉伸的線性段相同，且壓縮的屈服極限在數(shù)值上與拉伸的屈服極限相同。低碳鋼的壓縮變形，隨載荷增加開始成鼓形，然后成餅形，不發(fā)生斷裂破壞。鑄鐵在軸向壓縮時，產(chǎn)生斜斷口的斷裂（圖6－8）。粗短圓柱體：h0=1~3d0第十二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日Oσε拉伸試驗σb灰鑄鐵壓縮試驗現(xiàn)象：第十三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日6.1.5非金屬材料在軸向拉（壓）時的力學性能（l）混凝土、石料（2）木材（3）單向復合材料（單向極）

第十四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日§6.2材料在高溫和動載荷時的力學性能6.2.1材料在高溫和動載荷時的力學性能

第十五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日

圖6－12和圖6－13可以看出：（l）強度極限σb開始隨溫度增加，當溫度在250～350℃之間時σb最大，當溫度再升高時σb顯著下降。（2）流動極限σs和比例極限σp隨溫度升高而下降。到300～350℃后，流動階段消失。（3）延伸率δ和截面收縮率Ψ在250～350℃時最低，此時鋼材呈現(xiàn)一定程度的脆性，以后δ和Ψ又隨溫度上升而增加。（4）彈性模量E隨溫度上升而一直下降，泊松比μ則一直上升。6.2.2高溫蠕變和應力松弛

（l）蠕變現(xiàn)象（2）松弛現(xiàn)象

第十六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日6.2.3在動載荷下應變速率對材料力學性能的影響第十七頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日§6.3安全系數(shù)許用應力

通常把材料破壞的極限應力σu除以大于1的數(shù)n作為許用應力，用[σ]表示，即

n稱為安全系數(shù),對于塑性材料,σu為屈服極限σs，對于脆性材料,σu為強度極限σb。為什么采用安全系數(shù)，基于下面兩個方面的原因：

第十八頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日

（l）在強度計算中，有些數(shù)據(jù)與實際有差異,這些差異都以安全系數(shù)的形式來考慮。（2）給構(gòu)件以一定的強度儲備，一般在靜載荷下，對塑性材料取ns=1.2～1.5，對脆性材料取ns