1、第六章 材料在軸向拉壓時(shí)的力學(xué)性能,材料的力學(xué)性能與溫度和加載速率有關(guān)。本章主要介紹材料在靜載和常溫下的力學(xué)性能。材料的力學(xué)性能必須通過試驗(yàn)加以確定。為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，試件要做成標(biāo)準(zhǔn)試件。顯然試件所能承受的最大載荷與試件橫截面面積有關(guān)，試件的變形量與試件長度有關(guān)。為消除試件的縱橫尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用應(yīng)力一應(yīng)變曲線。對(duì)金屬材料，低碳鋼是典型的塑性材料，而鑄鐵卻是典型的脆性材料。因此，本章將重點(diǎn)介紹低碳鋼和鑄鐵的力學(xué)性能。, 6.1 材料在拉伸(壓縮)時(shí)的力學(xué)性能,材料的力學(xué)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(jìn)行的拉伸試驗(yàn)，稱為常溫、靜

2、載拉伸試驗(yàn)。 試件中：d為圓試件直徑，l為試件的有效長度，稱為標(biāo)距； A為板試件的橫截面積。 圓截面： 矩形截面：,=11.3,=5.65,6.1.1 低碳鋼在軸向拉伸時(shí)的力學(xué)性能 試驗(yàn)過程中的軸力FN（在數(shù)值上等于載荷 P的數(shù)值）和對(duì)應(yīng)的試件伸長量l繪成Pl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(biāo)P和橫坐標(biāo)l（標(biāo)距的伸長量）分別除以試件的初始截面積A0和標(biāo)距l(xiāng)0，得到材料拉伸時(shí)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，即一曲線。,（1）低碳鋼拉伸曲線的四個(gè)階段 彈性階段（ob） 比例極限p 材料應(yīng)力應(yīng)變成正比的最大應(yīng)力值 彈性極限e 材料只出現(xiàn)彈性變形的應(yīng)力極限值 （比例系數(shù)）

3、E為與材料有關(guān)的比例常數(shù)，隨材料不同而異。當(dāng) 時(shí)， ，由此說明表明材料的剛性的大小。,流動(dòng)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(dòng)，擺動(dòng)的最小應(yīng)力和最大應(yīng)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s 。 現(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(duì)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(yīng)避免出現(xiàn)。 應(yīng)力特征值：屈服極限s衡量材料強(qiáng)度的重要指標(biāo),強(qiáng)化階段（ce）,強(qiáng)化現(xiàn)象：材料恢復(fù)抵抗變形的能力，要使應(yīng)變?cè)黾?，必須增大?yīng)力值。 曲線表現(xiàn)為上升階段。,應(yīng)力特征性

4、：強(qiáng)度極限 材料能承受的最大應(yīng)力值。,冷作硬化材料預(yù)拉到強(qiáng)化階段，使之發(fā)生塑性變形，然后卸載，當(dāng)再次加載時(shí)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(jī)的鋼纜繩等，一般都要作預(yù)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(shí)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(yīng)。 某些金屬材料加載至塑性變形階段后卸載，放置一段時(shí)間后再加載，其比例極限和強(qiáng)度極限也會(huì)有一定程度的提高，且高于冷作硬化后立即加載時(shí)的數(shù)值，這種現(xiàn)象稱為“時(shí)效”。,頸縮階段(ef) 在該階段試件局部區(qū)域明顯呈杯狀變細(xì)，故稱

5、為頸縮階段。在頸縮階段，應(yīng)力一應(yīng)變曲線呈下降狀態(tài)，直到試件斷裂。 實(shí)驗(yàn)指出，在彈性范圍內(nèi)，縱向應(yīng)變x與橫向應(yīng)變y之間存在下列關(guān)系： y=-x在彈性范圍 內(nèi)基本為定值，其數(shù) 值范圍為00.5。 超出彈性范圍值逐步 增大至0.5。工程常用 材料在彈性范圍內(nèi)的 值及彈性模量E值列于 表61。,低碳鋼拉伸試驗(yàn)現(xiàn)象：,屈服：,頸縮：,斷裂：,6.1.2 鑄鐵在軸向拉伸時(shí)的力學(xué)性能 鑄鐵拉伸直到斷裂，應(yīng)力和應(yīng)變近似地呈現(xiàn)直線關(guān)系（圖64）。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(qiáng)度指標(biāo)是強(qiáng)度極限外b ，它等于試件斷裂載荷除以試件的原橫截面

6、面積。,6.1.3 強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo) 從強(qiáng)度考慮，低碳鋼的強(qiáng)度指標(biāo)為屈服極限s和強(qiáng)度極限b ；鑄鐵的強(qiáng)度指標(biāo)為強(qiáng)度極限b 。從變形考慮，可以得到材料的延伸率和面積收縮率。 延伸率定義為試件在斷裂后的工作標(biāo)距的相對(duì)伸長，且用百分?jǐn)?shù)表示，即 面積收縮率定義為試件預(yù)縮的截面面積相對(duì)于試件的原橫截面面積的百分?jǐn)?shù)，即,延伸率5%的材料，稱為塑性材料；延伸率5%的材料,稱為脆性材料。,6.1.4 低碳鋼和鑄鐵在軸向壓縮時(shí)的力學(xué)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(shí)，產(chǎn)生斜斷口

7、的斷裂（圖68）。,粗短圓柱體： h0=13d0,b,灰鑄鐵壓縮 試驗(yàn)現(xiàn)象：,6.1.5 非金屬材料在軸向拉（壓）時(shí)的力學(xué)性能 （l）混凝土、石料 （2）木材 （3）單向復(fù)合材料（單向極）, 6.2 材料在高溫和動(dòng)載荷時(shí)的力學(xué)性能,6.2.1 材料在高溫和動(dòng)載荷時(shí)的力學(xué)性能,圖612和圖613可以看出 ： （l）強(qiáng)度極限b開始隨溫度增加，當(dāng)溫度在250350之間時(shí)b最大，當(dāng)溫度再升高時(shí)b顯著下降 。 （2）流動(dòng)極限s和比例極限p隨溫度升高而下降。到 300 350 后，流動(dòng)階段消失。 （3）延伸率和截面收縮率在250350 時(shí)最低，此時(shí)鋼材呈現(xiàn)一定程度的脆性，以后和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，泊松比則一直上升。 6.2.2 高溫蠕變和應(yīng)力松弛 （l） 蠕變現(xiàn)象 （2）松弛現(xiàn)象,6.2.3 在動(dòng)載荷下應(yīng)變速率對(duì)材料力學(xué)性能的影響,6.3 安全系數(shù) 許用應(yīng)力,通常把材料破壞的極限應(yīng)力u除以大于1的數(shù)n作為許用應(yīng)力，用表示，即 n稱為安全系數(shù),對(duì)于塑性材料,u為屈服極限s，對(duì)于脆性材料,u為強(qiáng)度極限b。 為什么采用安全系數(shù)，基于下面兩個(gè)方面的原因：,（l）在強(qiáng)度計(jì)算中，有些數(shù)據(jù)與實(shí)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(qiáng)度儲(chǔ)備，一般在靜載荷下，對(duì)塑性材料取ns=1.21.5，對(duì)脆性材料取ns= 23.5 合理選