第六章材料力學(xué)性能及實驗應(yīng)力分析基礎(chǔ)材料的力學(xué)性能也稱為機械性能，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。在室溫下，以緩慢平穩(wěn)的方式進(jìn)行加載的實驗，也稱為常溫靜載試驗。

第一節(jié)材料拉伸時的力學(xué)性能

一、拉伸試樣

圓形截面試樣，其中l(wèi)稱為標(biāo)距，作為試樣的試驗段。長試樣（l=10d）和短試樣（l=5d）兩種，d表示試樣截面直徑

二、低碳鋼拉伸含碳量低于0.3%的碳素鋼材稱為低碳鋼.試樣從加載至拉斷全過程的受力和變形的關(guān)系圖線，稱為拉伸圖或F-Δl曲線。

整個試驗過程可分為四個階段:彈性階段:彈性模量E:斜直線的斜率;比例極限σp;彈性極限σe.OO1O2gbkεhσ2.屈服階段:屈服或塑性流動現(xiàn)象:應(yīng)力不增加或僅有微小的波動，而變形卻有明顯的增大。屈服應(yīng)力σs:下屈服點對應(yīng)的應(yīng)力。在屈服階段，可在光滑試樣的表面上，觀察到與軸線成45°的條紋，稱為滑移線。因為拉伸時與軸線成45°的斜截面上切應(yīng)力最大，可見屈服現(xiàn)象的發(fā)生與切應(yīng)力有關(guān)。按物理意義不可能測出σp和σt，它們僅為理論分析所用。實際工程中由規(guī)定非比例伸長應(yīng)力σp0.01代替，而σp0.01表示在σ～ε曲線上非比例伸長率為0.01％時的應(yīng)力。非比例伸長率是指試樣標(biāo)距的非線彈性部分的伸長與原始標(biāo)距的百分比。3.強化階段：過屈服階段后，試樣又恢復(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)象稱為材料強化。強化階段中最高點d所對應(yīng)的應(yīng)力稱為強度極限，用σb表示。它是材料能承受的最高應(yīng)力，是衡量材料強度的又一重要指標(biāo)。4.頸縮階段:過d點后，試樣在某一局部范圍內(nèi)橫向尺寸突然縮小，形成頸縮現(xiàn)象。5.斷后伸長率和斷面收縮率。工程上通常將δ>5％的材料稱為塑性材料三、其它塑性材料拉伸Pg114對于沒有明顯屈服點的塑性材料，規(guī)定以產(chǎn)生0.2％的塑性應(yīng)變時的應(yīng)力作為屈服指標(biāo)，稱為名義屈服點6.冷作硬化把試樣加載到超過屈服點以后的某點,然后緩慢卸載,卸載過程應(yīng)力應(yīng)變線性變化,若短期內(nèi)再次加載,則按卸載線上升,即比例極限有所提高,塑性變形減小,這種現(xiàn)象稱冷作硬化.

工程中有時利用冷作硬化以提高材料的比例極限和屈服點,有時又要避免冷作硬化,如材料經(jīng)過冷加工后,局部回變脆變硬,影響進(jìn)一步加工和開裂.可通過熱處理來消除冷作硬化四、鑄鐵拉伸εσεσ0.2％低碳鋼δ=20~30%,ψ=60%鑄鐵δ=0.45%割線彈性模量第二節(jié)材料壓縮時的力學(xué)性能一、低碳鋼壓縮金屬材料試樣一般制成很短的圓柱，以免被壓彎，圓柱高度約為直徑的1.3～3倍?；炷?、石料等則制成立方體的試塊。εσ二、鑄鐵壓縮

破壞面與軸線大約成35°～39°，表明沿斜截面因相對錯動而破壞。鑄鐵抗壓強度比抗拉強度高4～5倍

第三節(jié)材料的塑性性質(zhì)和殘余應(yīng)力

一、金屬材料的塑性性質(zhì)在加載和卸載過程中,應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系遵循不同的規(guī)律,是材料進(jìn)入塑性階段與彈性階段的重要區(qū)別。理想彈塑性材料線性強化彈塑性材料

有時也可把應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系近似的表為冪函數(shù)OεσεσOεσO即對矩形截面梁來說，考慮材料的塑性性質(zhì)后，其極限承載能力比彈性極限承載能力提高了50%。當(dāng)截面上的彎矩達(dá)到屈服極限時，整個截面都進(jìn)入塑性變形，此時盡管不再增加彎矩，而截面各點的應(yīng)變卻可繼續(xù)增大，截面可繞中性軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，相當(dāng)于截面上出現(xiàn)一個鉸鏈，稱為塑性鉸。在梁、剛架等極限分析中，廣泛使用塑性鉸的概念。

二、梁的彈塑性分析

彈性極限彎矩塑性極限彎矩σsσsσsσsσsσs塑性區(qū)彈性區(qū)塑性區(qū)三、殘余應(yīng)力的概念在載荷作用下的構(gòu)件，當(dāng)其某些局部的應(yīng)力超過屈服點時，這些部位將出現(xiàn)塑性變形，而其余部分還是彈性的。如再將載荷卸除，已經(jīng)發(fā)生塑性變形的部分由于不能恢復(fù)其原來的尺寸，必將阻礙彈性部分的變形的恢復(fù)，從而引起內(nèi)部相互作用的應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力不是載荷所致，而是構(gòu)件內(nèi)部彈性部分與塑性部分相互制約的結(jié)果。各種方法來降低或消除殘余應(yīng)力，如自然時效、熱處理時效、振動時效等。----++++第四節(jié)復(fù)合材料及其力學(xué)性能

一、復(fù)合材料的特點和力學(xué)性能復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上互不相容的材料通過一定的方式組合成的一種新材料。例如玻璃鋼、膠合板、鋼筋混凝土等。組成復(fù)合材料的材料分成基體材料和增強材料兩種，基體材料多采用各種樹脂或金屬、非金屬材料，增強材料采用各種纖維狀材料或其它材料。如玻璃鋼，基體材料為塑料，增強材料為玻璃纖維。增強材料在復(fù)合材料中起主要作用，由它提供復(fù)合材料的強度和剛度，基本控制其力學(xué)性能，而基體材料起配合作用，它支持和固定纖維材料，傳遞纖維間接載荷，保護(hù)纖維，防止摩擦或腐蝕，改善復(fù)合材料的某些性能。

特點：1.比強度、比模量高。比強度、比模量是指強度和密度之比、模量和密度之比，它們表示在重量相當(dāng)情形下材料的承載能力和剛度，其值越大，表示性能越好。2.具有可設(shè)計性。復(fù)合材料的性能除了決定于纖維和基體材料本身的性能外，還取決于纖維的含量和鋪設(shè)方式，這樣可根據(jù)需要來確定纖維和基體材料，及纖維含量和鋪設(shè)方式，從而最有效地發(fā)揮材料的作用。3.材料各向異性嚴(yán)重。應(yīng)用:復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空、航天、交通、建筑、機械、能源、生物醫(yī)學(xué)和體育運動中。二、復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

上面討論的是應(yīng)力作用方向與纖維方向平行或垂直的情形，如果不是這種情形，則應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系很復(fù)雜，即使τ=0，仍會有切應(yīng)變，即γ不為零。這種切應(yīng)變稱為耦合切應(yīng)變。

Ex為沿x方向（平行纖維方向）加載時，x方向應(yīng)力與應(yīng)變之間的比例常數(shù)；Ey為沿y方向（垂直纖維方向）加載時，y方向應(yīng)力與應(yīng)變之間的比例常數(shù)；νyx為沿x方向加載時，y方向與x方向正應(yīng)變的比值；νxy為沿y方向加載時，x方向與y方向正應(yīng)變的比值；Gxy為平行和垂直于纖維方向施加切應(yīng)力時，切應(yīng)力與切應(yīng)變的比值.三個簡單應(yīng)力狀態(tài)的疊加

第五節(jié)電測法的原理和應(yīng)用用實驗的方法來研究和了解結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的應(yīng)力，這種方法稱為實驗應(yīng)力分析。實驗應(yīng)力分析的方法很多，如電阻應(yīng)變測量法、光彈性法、云紋法、X光衍射法等

.一、應(yīng)變電阻原理

1.應(yīng)變電阻效應(yīng)及電阻應(yīng)變片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。Ks稱為電阻絲的靈敏系數(shù)，不同材料的Ks不同，在一定范圍內(nèi)可作為常數(shù)。2.

電阻應(yīng)變片測量電路采用橋式電路來測量若R1、R2為應(yīng)變片，而

R3、R4為標(biāo)準(zhǔn)電阻，稱為半橋，若R1、R2、R3、R4均為應(yīng)變片，則稱為全橋。

式中R為應(yīng)變片標(biāo)稱電阻，常用120Ω，K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，一般為2.0左右，由生產(chǎn)廠實測后標(biāo)注在應(yīng)變片包裝上。ABCDVUBDR1R2R3R4當(dāng)電橋的四個橋臂的電阻值滿足這一關(guān)系時，電橋平衡，即B、D間沒有電壓。當(dāng)其中某一電阻發(fā)生變化時，電橋失去平衡，從而B、D間有電壓UBD。根據(jù)UBD的大小可推算出相應(yīng)的電阻變化量以及相應(yīng)的線應(yīng)變大小。

3.電阻應(yīng)變儀電阻應(yīng)變儀的作用是將電阻應(yīng)變片接入其電橋電路，將應(yīng)變的變化信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)放大器放大后由檢測儀器指示出應(yīng)變數(shù)值的專用儀器。應(yīng)變儀可按其頻率響應(yīng)范圍及指示形式，分為靜態(tài)、動態(tài)兩大類。靜態(tài)應(yīng)變儀適用于測量不隨時間變化或變化極緩慢的信號，對于要將數(shù)據(jù)信號記錄下來的情形，一般需用動態(tài)應(yīng)變儀將信號放大輸出，并配上相應(yīng)的記錄儀器。

電橋放大指示電阻應(yīng)變片電阻變化電壓變化應(yīng)變值應(yīng)力值電阻應(yīng)變儀構(gòu)件表面二、電測法的應(yīng)用

1.電橋接法:經(jīng)常采用半橋接法，其中R1為被測點的應(yīng)變片，R2為溫度補償片。溫度補償片是貼在與被測構(gòu)件材料相同但不受力的試件上的應(yīng)變片，該片是充當(dāng)溫度補償電阻用的。

2.應(yīng)變片的布置（1）當(dāng)被測構(gòu)件處于單向應(yīng)力狀態(tài)時，只需在測點處沿應(yīng)力方向貼上一個應(yīng)變片，然后用電阻應(yīng)變儀測量其應(yīng)變，再根據(jù)單向應(yīng)力狀態(tài)下的虎克定律就可確定所測點的應(yīng)力。（2）當(dāng)被測構(gòu)件處于二向應(yīng)力狀態(tài)且主應(yīng)力方向已知時，只需在測點處沿兩個主應(yīng)力方向貼上應(yīng)變片，以測量相應(yīng)的兩個主應(yīng)變，然后用二向應(yīng)力狀態(tài)下的廣義虎克定律就可確定所測點的兩個主應(yīng)力。（3）當(dāng)被測構(gòu)件處于二向應(yīng)力狀態(tài)且主應(yīng)力方向未知時，這時候則需采用由三個應(yīng)變片組成的應(yīng)變花，分別測得三個線應(yīng)變，然后根據(jù)上一章應(yīng)變分析一節(jié)所述內(nèi)容確定主應(yīng)變和方位，再由廣義虎克定律確定主應(yīng)力。

第六節(jié)光彈性法簡述

光彈性法是一種光學(xué)的測量方法。這種方法是用透明的、在力學(xué)和光學(xué)上各向同性的材料，如環(huán)氧樹脂、玻璃、聚碳酸脂等，制成與零件（構(gòu)件）的幾何形狀相似的模型，在相同的約束條件下，使模型受到與零件相似的載荷。模型在出現(xiàn)應(yīng)力和應(yīng)變的同時，還將發(fā)生沿兩個主應(yīng)力方向的折射率不同的暫時雙折射現(xiàn)象，即入射的平面偏振光（光的傳播方向和振動方向構(gòu)成同一平面）在通過模型時，將沿主應(yīng)力方向分解為兩個平面偏振光，且這兩個平面偏振光以不同的速度通過模型。當(dāng)載荷卸掉，應(yīng)力不復(fù)存在，雙折射現(xiàn)象也立即消失。將模型置于平面偏振光場中，在外力作用下，就可以看到受力模型內(nèi)因各點處的主應(yīng)力值不同而引起不同程度的雙折射從而形成的干涉條紋圖