4材料的力學(xué)性質(zhì)

山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系建筑力學(xué)教研室建筑力學(xué)第四節(jié)材料在拉伸和壓縮時的力學(xué)性能前面討論了軸拉(壓)桿橫截面上的應(yīng)力，要判斷桿件是否會破壞，還需要知道桿件能夠承受的應(yīng)力；應(yīng)用胡克定律需要知道彈性范圍及彈性模量E等與材料有關(guān)的數(shù)據(jù)。材料在受力過程中各種物理性質(zhì)的數(shù)據(jù)稱為材料的力學(xué)性能。材料的力學(xué)性能是通過試驗(yàn)來測定的。本節(jié)討論材料在常溫、靜載下的力學(xué)性能。工程中使用的材料種類很多，一般可分為脆性材料和塑性材料。脆性材料如石料、鑄鐵、混凝土等；塑性材料如低碳鋼、合金鋼、銅、鋁等。這兩類材料的力學(xué)性能有明顯的差別。本節(jié)主要介紹：以低碳鋼為代表的塑性材料和以鑄鐵為代表的脆性材料的拉壓試驗(yàn)。山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系建筑力學(xué)教研室建筑力學(xué)一、低碳鋼的力學(xué)性能

試驗(yàn)時采用國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試件。金屬材料試樣有圓截面和矩形截面兩種，如圖所示。試樣的中間部分是工作長度l，稱為標(biāo)距。標(biāo)距與橫截面尺寸的比例也作了規(guī)定。ldl山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系建筑力學(xué)教研室建筑力學(xué)(一)低碳鋼的拉伸試驗(yàn)

1.拉伸圖和應(yīng)力—應(yīng)變圖將低碳鋼的試件兩端夾在試驗(yàn)機(jī)上，開動試驗(yàn)機(jī)后，對試件緩慢施加拉力，直至被拉斷為止。

在試件拉伸過程中，試驗(yàn)機(jī)上的自動繪圖設(shè)備，能繪出試件所受拉力F

與標(biāo)距內(nèi)的伸長量Δl的關(guān)系曲線。該曲線的橫坐標(biāo)為伸長量Δl，縱坐標(biāo)為拉力F，通常稱為拉伸圖。拉伸圖FΔlO應(yīng)力—應(yīng)變圖εσOε=Δllσ=FNA山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系建筑力學(xué)教研室建筑力學(xué)

2.拉伸過程的四個階段(1)彈性階段(Ob)應(yīng)力—應(yīng)變圖εσOb

在這一階段，材料的變形是完全彈性的。aσp直線Oa，表明應(yīng)力與應(yīng)變成正比，材料服從胡克定律，點(diǎn)a對應(yīng)的應(yīng)力值稱為比例極限，用σp表示。低碳鋼的比例極限約為200MPa。aOa段直線的斜率為：tana==Eσ

ε在此階段可測定材料的彈性模量。低碳鋼的彈性模量約為200~210GPa。(2)屈服階段(bc)c屈服階段內(nèi)的最低點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力值稱為屈服極限，用σs表示。σs低碳鋼的屈服極限約為240MPa。山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系建筑力學(xué)教研室建筑力學(xué)

2.拉伸過程的四個階段(1)彈性階段(Ob)低碳鋼的比例極限約為200MPa。tana==Eσ

ε低碳鋼的彈性模量約為200~210GPa。(2)屈服階段(bc)低碳鋼的屈服極限σs約為240MPa。(3)強(qiáng)化階段(cd)應(yīng)力—應(yīng)變圖εσObaσpacσsd經(jīng)過屈服階段后，材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行了調(diào)整，在一定程度上得到了“優(yōu)化”，材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力。若使試件繼續(xù)變形，就要繼續(xù)增加荷載。這一階段稱為強(qiáng)化階段。強(qiáng)化階段的最高點(diǎn)d對應(yīng)的應(yīng)力稱為強(qiáng)度極限，用σb表示。σb低碳鋼的強(qiáng)度極限σb約為400MPa。kO1gO1g為卸載后消失的彈性應(yīng)變，OO1為保留下來的塑性應(yīng)變。山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系建筑力學(xué)教研室建筑力學(xué)

2.拉伸過程的四個階段(1)彈性階段(Ob)低碳鋼的比例極限約為200MPa。tana==Eσ

ε低碳鋼的彈性模量約為200~210GPa。(2)屈服階段(bc)低碳鋼的屈服極限σs約為240MPa。(3)強(qiáng)化階段(cd)應(yīng)力—應(yīng)變圖εσObaσpacσsdσb低碳鋼的強(qiáng)度極限σb約為400MPa。kO1g(4)頸縮階段(de)e

當(dāng)應(yīng)力到達(dá)強(qiáng)度極限后，在試件某一薄弱處，將發(fā)生局部收縮，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，故這一階段稱為頸縮階段。A1A山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系建筑力學(xué)教研室建筑力學(xué)上述低碳鋼拉伸的四個階段中，有三個有關(guān)強(qiáng)度性質(zhì)的指標(biāo)：比例極限σp、屈服極限σs和強(qiáng)度極限σb。①σp表示了材料的彈性范圍；②σs是衡量材料強(qiáng)度的重要指標(biāo)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到σs時，桿件產(chǎn)生顯著的塑性變形，因而無法正常使用；③σb是衡量材料強(qiáng)度的另一重要指標(biāo)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到σb時，桿件出現(xiàn)頸縮并很快被拉斷。山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系建筑力學(xué)教研室建筑力學(xué)

3.塑性指標(biāo)試件拉斷后，彈性變形全部消失，而塑性變形保留下來，試件拉斷后保留下來的塑性變形大小，常用來衡量材料的塑性性能。塑性指標(biāo)有兩個：(1)延伸率ll1斷裂后拼在一起標(biāo)距l(xiāng)1減去原標(biāo)距l(xiāng)的差值，與原標(biāo)距的百分比，稱為材料的延伸率，用符號δ表示。δ=×100%l1

-l

l

低碳鋼的延伸率約為20~30%工程中把δ≥5%的材料歸納為塑性材料；δ＜5%的材料為脆性材料。山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系建筑力學(xué)教研室建筑力學(xué)

3.塑性指標(biāo)(1)延伸率δ=×100%l1

-l

l

(2)截面收縮率測出試件頸縮處的橫截面積A1，與原試件的橫截面積A的差，除以原試件的橫截面積的百分率，稱為截面收縮率。用符號ψ表示。A1Aψ=×100%A-A1

l

低碳鋼的截面收縮率約為60~70%山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系建筑力學(xué)教研室建筑力學(xué)(二)低碳鋼的壓縮試驗(yàn)金屬材料壓縮試件，一般做成短圓柱體。試件高度一般為直徑的1.5~3倍。hd低碳鋼壓縮時的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖示。εσO壓縮拉伸在屈服階段以前，拉伸和壓縮的應(yīng)力—應(yīng)變圖線大致重合。這表明：兩者的比例極限、屈服極限、彈性模量都相同。而屈服階段后，試件會越壓越扁，但不破壞。因而無法測出強(qiáng)度極限。低碳鋼是抗拉壓性能相同的材料。其它塑性材料，如16錳鋼、鋁合金、黃銅等的力學(xué)性能與低碳鋼相似。山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系建筑力學(xué)教研室建筑力學(xué)二、鑄鐵的力學(xué)性能

1.鑄鐵的拉伸試驗(yàn)鑄鐵拉伸時的應(yīng)力—應(yīng)變圖如圖所示：

鑄鐵的延伸率約為0.4%，是典型的脆性材料。εσ(MPa)O壓縮拉伸1002003004005002.鑄鐵的壓縮試驗(yàn)鑄鐵壓縮時的應(yīng)力—應(yīng)變圖如圖所示，與拉伸時相似。鑄鐵壓縮破壞時，破壞面與軸線大致成45°角。強(qiáng)度極限

σb仍為唯一指標(biāo)，但壓縮強(qiáng)度極限為拉伸時的4-5倍?？梢?，鑄鐵的抗壓性能優(yōu)于抗拉性能，常用于受壓桿件。其它脆性材料，如石料、混凝土等的力學(xué)性能與鑄鐵相似。圖線中沒有屈服階段，沒有頸縮現(xiàn)象，強(qiáng)度極限σb是唯一指標(biāo)。山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系建筑力學(xué)教研室建筑力學(xué)三、兩類材料力學(xué)性能的比較塑性材料與脆性材料的分類，是根據(jù)常溫、靜載下拉伸試驗(yàn)的延伸率來區(qū)分的。兩類材料在力學(xué)性能上的主要區(qū)別在于：1.強(qiáng)度方面

塑性材料拉伸和壓縮的比例極限、屈服極限基本相同，有屈服現(xiàn)象；脆性材料的壓縮強(qiáng)度極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拉伸，沒有屈服現(xiàn)象，破壞是突然的，適用于受壓桿件。2.變形方面

塑性材料的延伸率和截面收縮率都較大，構(gòu)件破壞前有較大的塑性變形，材料可塑性大，便于加工、安裝時的矯正；脆性材料則與之相反。

總體而言，塑性材料優(yōu)于脆性材料。但在實(shí)際工程選材時，還要考慮到經(jīng)濟(jì)原則。

必須指出：上述關(guān)于材料的力學(xué)性能是在常溫、靜載的條件下得到的。當(dāng)外界因素(如加載方式、溫度、受力狀態(tài)等)發(fā)生改變時，則材料的性質(zhì)也可能隨之改變。山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系建筑力學(xué)教研室建筑力學(xué)四、極限應(yīng)力、安全系數(shù)和許用應(yīng)力通過對材料進(jìn)行拉伸和壓縮試驗(yàn)可知：任何一種材料都存在一個能承受應(yīng)力的上限，這個應(yīng)力的上限稱為極限應(yīng)力，用σ

0表示。對于塑性材料：σ

0=σs對于脆性材料：σ

0=σb

然而，試驗(yàn)結(jié)果是通過試件個體測定材料力學(xué)性能的，并不能完全代表材料整體的情況；在實(shí)際工程中，還有許多無法預(yù)測的因素(材料的不均勻、物體的振動等)對構(gòu)件產(chǎn)生不利影響。

所以，為了保證構(gòu)件安全工作，必須將構(gòu)件的工作應(yīng)力限制在比極限應(yīng)力更低的范圍內(nèi)。山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系建筑力學(xué)教研室建筑力學(xué)四、極限應(yīng)力、安全系數(shù)和許用應(yīng)力具體做法是將材料的極限應(yīng)力σ

0除以一個大于1的系數(shù)，這樣得到的應(yīng)力稱為許用應(yīng)力，用