工程力學(xué)I課件：工程材料的力學(xué)性能和電測法

*工程材料的力學(xué)性能和電測法7.1拉伸與壓縮試驗(yàn)7.2低碳鋼拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能7.3灰口鑄鐵拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能7.4電測法簡介37.1拉伸與壓縮試驗(yàn)

材料的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性與材料的力學(xué)性能有關(guān)。力學(xué)性能(機(jī)械性質(zhì)):材料在外力作用下表現(xiàn)出的變形和破壞等方面的特性。材料力學(xué)性能需要通過常溫靜載(緩慢加載)試驗(yàn)來確定。試驗(yàn)儀器：萬能試驗(yàn)機(jī)4

試樣的形狀，加工精度，加載速度以及試驗(yàn)環(huán)境由國家標(biāo)準(zhǔn)GB228-87《金屬拉伸試驗(yàn)方法》和GB/T314-2017《金屬材料室溫壓縮試驗(yàn)方法》有統(tǒng)一規(guī)定。

標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣：試驗(yàn)段的長度l

稱為標(biāo)距對(duì)于試驗(yàn)段直徑為d

的圓截面試樣，通常規(guī)定

標(biāo)準(zhǔn)壓縮試樣：粗短圓柱體：h0=1~3d0試驗(yàn)過程試樣裝卡;開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，緩慢加載;隨著載荷F

的增大，試樣逐漸被拉長，直至拉斷;儀器繪出拉力F和變形Dl的關(guān)系曲線;關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)，整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。原始橫截面面積AO標(biāo)距原始長度lF~Dl關(guān)系曲線轉(zhuǎn)換為s

~e

曲線7.2低碳鋼拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能一、

低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性能四個(gè)階段彈性階段屈服階段強(qiáng)化階段局部變形（頸縮）階段彈性階段屈服階段強(qiáng)化階段頸縮階段1、低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性能-彈性階段Oa段應(yīng)力與應(yīng)變成正比Q235：E≈200GPa直線部分的最高點(diǎn)a所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力：比例極限，spOa段材料處于線彈性階段ab段不再為直線，但仍為彈性變形，材料只出現(xiàn)彈性變形的極限值---彈性極限，se當(dāng)應(yīng)力大于彈性極限后，若再解除拉力，則試樣會(huì)留下一部分不能消失的變形---塑性變形。由于彈性極限和比例極限極為接近，因此工程上并不對(duì)此嚴(yán)格區(qū)分。2、低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性能-屈服階段應(yīng)力基本保持不變，應(yīng)變顯著增加

屈服/流動(dòng)表面磨光的試樣屈服時(shí)，表面將出現(xiàn)與軸線大支成45°傾角的條紋，這是由于材料內(nèi)部相對(duì)滑移形成的，稱為滑移線。2、低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性能-屈服階段下屈服極限則有比較穩(wěn)定的數(shù)值，能夠反映材料的性能通常把下屈服極限稱為屈服極限或屈服強(qiáng)度

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，所以屈服極限是衡量材料強(qiáng)度的重要指標(biāo)。Q235ss≈235MPa3、低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性能-強(qiáng)化階段過屈服階段后，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。最高點(diǎn)e所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力：材料所能承受的最大應(yīng)力，稱為強(qiáng)度極限或抗拉極限。在強(qiáng)化階段中，試樣的橫向尺寸有明顯的縮小。Q235sb≈380MPa4、低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性能-局部變形階段4、低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性能-局部變形階段材料經(jīng)受較大塑性變形而不被拉斷的能力稱為延性或塑性。材料的塑性用延伸率或斷面收縮率度量。延伸率定義為：斷面收縮率定義為：材料的延伸率和斷面收縮率值越大，說明材料塑性越好。工程中:d≥5%為塑性材料d<5%為脆性材料4、低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性能-局部變形階段其他塑性材料拉伸的應(yīng)力~應(yīng)變關(guān)系圖有些材料明顯的四個(gè)階段有些材料沒有屈服、頸縮階段，但有彈性階段和強(qiáng)化階段對(duì)于沒有明顯屈服點(diǎn)的塑性材料，規(guī)定以產(chǎn)生0.2%的塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力作為屈服指標(biāo)，稱為名義屈服極限。5、低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性能-卸載定律和冷作硬化現(xiàn)象如果把試件拉到超過屈服極限的d點(diǎn):此時(shí)卸載應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系沿dd’回到d’點(diǎn)dd’與Oa平行卸載過程中，應(yīng)力和應(yīng)變按照直線規(guī)律變化5、低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性能-卸載定律和冷作硬化現(xiàn)象卸載后短期內(nèi)再次加載:可見在再次加載時(shí)，直到d點(diǎn)以前的材料的變形都是彈性的，過了d點(diǎn)才開始出現(xiàn)塑性變形。第二次加載時(shí)，其比例極限得到了提高，但是塑性變形和延伸率卻有所下降，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化。5、低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性能-卸載定律和冷作硬化現(xiàn)象

工程中經(jīng)常利用冷作硬化來提高材料的彈性階段，如起重的鋼絲繩和建筑用的鋼筋，常以冷拔工藝提高強(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。但另一方面，零件初加工后，由于冷作硬化使材料變硬變脆，給下一步加工造成困難，很容易產(chǎn)生裂紋，往往需要在工序之間安排退火，以消除冷作硬化的影響。二、

低碳鋼壓縮時(shí)的力學(xué)性能低碳鋼的壓縮曲線主要結(jié)論：⑴壓縮時(shí)的比例極限

p、屈服極限

s、彈性模量

E

與拉伸時(shí)大致相同。⑵

不存在強(qiáng)度極限

b。鑄鐵的拉伸應(yīng)~應(yīng)變關(guān)系圖如下：彈性模量E以總應(yīng)變?yōu)?.1%時(shí)的割線斜率來度量~割線彈性模量。破壞時(shí)沿橫截面拉斷。

鑄鐵拉伸沒有屈服現(xiàn)象，強(qiáng)度極限b是衡量強(qiáng)度的唯一指標(biāo)。

鑄鐵等脆性材料的抗拉強(qiáng)度很低，所以不宜作為抗拉構(gòu)件的材料。7.3灰口鑄鐵拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能試驗(yàn)一、灰口鑄鐵拉伸時(shí)的力學(xué)性能二、灰口鑄鐵壓縮時(shí)的力學(xué)性能灰口鑄鐵的壓縮曲線主要結(jié)論：（1）壓縮時(shí)的

高出拉伸時(shí)的4—5倍。（2）受壓后形成鼓形，具有明顯的塑性變形，破壞是500

左右斜斷口。

理論計(jì)算的結(jié)果是否正確，往往也必須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因此在工程實(shí)際中經(jīng)常采用實(shí)驗(yàn)的方法來研究和了解結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的應(yīng)力，這種方法稱為實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析。實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析的方法主要有:

電阻應(yīng)變測量法；

光彈性法；云紋法；

X光衍射法等。7.4電測法簡介一、電阻應(yīng)變片及應(yīng)變電阻效應(yīng)1、應(yīng)變片工作原理

將金屬絲繞成柵狀以增大電阻值，這樣制成的元件稱為電阻應(yīng)變片。常見的電阻應(yīng)變片有絲繞式和箔式，并用康銅作為絲材。絲繞式應(yīng)變片：用直徑為

0.02

mm

~

0.05

mm

的鎳銅合金

絲或鎳鉻合金絲繞成柵狀，粘貼在兩層絕緣薄膜中制作而成。箔式應(yīng)變片：用厚度為

0.003

mm

~

0.01

mm

的康銅箔或鎳鉻合金箔腐蝕成柵狀，粘貼在兩層絕緣薄膜中制作而成。應(yīng)變片中的柵狀金屬絲或金屬箔稱為敏感柵。1、應(yīng)變片工作原理1、應(yīng)變片工作原理式中，比例系數(shù)

K

稱為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，其大小與敏感柵的材料以及應(yīng)變片構(gòu)造有關(guān)，可通過試驗(yàn)測定。應(yīng)變片敏感柵的電阻變化率

R

/

R與敏感柵沿長度方向的線應(yīng)變成正比，即有常用應(yīng)變片的靈敏系數(shù)

K

約為

1.7

～

3.6。2、電阻應(yīng)變片儀及測試原理電阻應(yīng)變儀，用來測量電阻應(yīng)變片應(yīng)變的專用電子儀器，其基本測試電路為惠斯登電橋（簡稱電橋）。電橋四個(gè)橋臂的電阻分別為R1、R2、R3與當(dāng)橋臂電阻滿足

R1R3=

R2R4時(shí)，則電橋輸出電壓

U=

0，稱為電橋平衡。

R4

；A

與

C

為電橋的輸入端，接電源，輸入電壓為U

；B

與

D為電橋的輸出端，接儀表，其輸出電壓則為2、電阻應(yīng)變片儀及測試原理2、電阻應(yīng)變片儀及測試原理在進(jìn)行電測實(shí)驗(yàn)時(shí)，若將粘貼在構(gòu)件上的電阻完全相同的四個(gè)應(yīng)變片組成電橋的四個(gè)橋臂，則在構(gòu)件受力變形前，電橋平衡，沒有輸出。當(dāng)構(gòu)件受力變形后，設(shè)四個(gè)應(yīng)變片感受的應(yīng)變分別為

1、

2、

3與

4，相應(yīng)的電阻改變量分別為

R1、

R2、

R3

與

R4，則由上式可得，此時(shí)電橋的輸出電壓為2、電阻應(yīng)變片儀及測試原理由于

KU

/4

為常數(shù)，故可以將電阻應(yīng)變儀的輸出按照應(yīng)變來標(biāo)定，從而直接得到應(yīng)變儀的讀數(shù)應(yīng)變：3、電橋接法在用電測法進(jìn)行實(shí)際測量時(shí)，需根據(jù)被測構(gòu)件的受力變形情況、溫度變化情況以及具體測試要求，來確定測點(diǎn)位置、布片與電橋接線方案。電橋接線一般有兩種方式

——半橋接線：將測量電橋的兩個(gè)橋臂接上應(yīng)變片，另兩個(gè)橋臂接上應(yīng)變儀內(nèi)部的固定電阻。例如R1、R2為應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻。全橋接線：將測量電橋的四個(gè)橋臂都接上應(yīng)變片。

溫度補(bǔ)償：由于溫度對(duì)電阻值變化影響很大，利用電橋特性，可以采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄏ@種影響。采用半橋接法，R1為工作片，R2為溫度補(bǔ)償片。由于載荷作用以及溫度影響，工作片的應(yīng)變值為

；溫度補(bǔ)充片只受溫度影響不受載荷作用，因此其應(yīng)變值為

。3、電橋接法二、應(yīng)變片的布置及電測法的應(yīng)用1、測