材料力学-刘鸿文 第二章 2-2

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1、力学性能指材料受力时在强度和变形方面 表现出来的性能。 塑性变形又称永久变形或残余变形 塑性材料：断裂前产生较大塑性变形的材料,如低碳钢 脆性材料：断裂前塑性变形很小的材料，如铸铁、石料 24 材料拉伸的机械性 能 材料的机械性质通过试验测定，通常为常温 静载试验。试验方法应按照国家标准进行。 国家标准规定金属拉伸试验方法 （GB2282002) LL=10d L=5d 对圆截面试样： 对矩形截面试样： 国家标准不仅规定了试验方法，对试件的形 式也作了详细规定 当 l=10d 时的试件称为长试件，为推荐尺寸 当 l=5d 时的试件称为短试件，为材料尺寸不 足时使用 标准试件 液压式材料试验 机

2、 材料的力学性能 在材料试验机上 进行测试。材料 试验机的式样有 很多，但大多为 机械传动或液压 传动。 电子拉力试验机 20kN试验机10kN试验机 电子拉力试验机 P P 拉伸图：P L 曲线 应力应变曲线： s e 曲线 L0 P L s = P /A0 e = L / L0 一、低碳钢拉伸时的力学性能 O 名义应力 (Nominal stress) 比例极限P 弹性阶段 Elastic stage 弹性极 限e B A 屈服应力s C 真应力(True stress) F 局部化阶段 Localization stage 断裂 E 强化阶段 Hardening stage 强度极限b

3、D 屈服阶段 Yielding stage O a b c d 弹性阶段 比例极限 弹性极限 虎克定律 弹性摸量 屈服阶段 屈服极限 强化阶段 强度极限 局部变形阶段 e 塑性材料的卸载(unloading)过程 O 残余(塑性)应变 重新加载 (reloading) 弹性回复 卸载 卸载 加载 加载 P a b c d e f 卸载定律 冷作硬化 材料在卸载过程中应力与应变成线形关系。 称为：卸载定律 。 在常温下把材料冷 拉到强化阶段，然后卸 载，当再次加载时，材 料的比例极限提高而塑 性降低。这种现象称为 冷作硬化。 延伸率 (Percent elongation) 截面收缩率(Perc

4、ent reduction in area) 与 表征材料破坏后的塑性变形程度。 与试件的原始尺寸L/d有关； 与试件的原始尺寸无关。 塑性材料 脆性材料 5% (b)t 几种非金属材料的力学性能 混凝土 木材 机械性能思考题机械性能思考题 1 2 3 三种材料的应力 应变曲线如图， 用这三种材料制成同尺寸拉杆， 请回答如下问题： 哪种强度最好？ 哪种刚度最好？ 哪种塑性最好？ 请说明理论依据？ s e 塑性材料冷作硬化后，材料的力学性能发生 了变化。试判断以下结论哪一个是正确的： （A）屈服应力提高，弹性模量降低； （B）屈服应力提高，塑性降低； （C）屈服应力不变，弹性模量不变； （D）屈

5、服应力不变，塑性不变。 正确答案是（ ） 低碳钢材料在拉伸实验过程中，不发生明显的塑 性变形时，承受的最大应力应当小于的数值，有 以下4种答案，请判断哪一个是正确的： （A）比例极限； （B）屈服极限； （C）强度极限； （D）弹性极限。 正确答案是（ ） B B 根据图示三种材料拉伸时的应力应变曲线，得出如 下四种结论，请判断哪一个是正确的： （A）强度极限 （1）（2） （3）； 弹性模量 E（1） E（2） E（3）； 延伸率 （1） （2） （3） ； （B）强度极限 （2） （1） （3）； 弹性模量 E（2） E（1） E（3）； 延伸率 （1） （2） （3） ； （C）强度极限

6、 （3）（1） （2）； 弹性模量 E（3） E（1） E（2）； 延伸率 （3） （2） （1） ； （D）强度极限 （1）（2） （3）； 弹性模量 E（2） E（1） E（3）； 延伸率 （2） （1） （3）； 正确答案是（ ） B 关于低碳钢试样拉伸至屈服时，有以下结论，请判断哪一 个是正确的： （A）应力和塑性变形很快增加，因而认为材料失效； （B）应力和塑性变形虽然很快增加，但不意味着材料失效 ； （C）应力不增加，塑性变形很快增加，因而认为材料失效 ； （D）应力不增加，塑性变形很快增加，但不意味着材料失 效。 正确答案是（ ）C 关于 有如下四种论述，请判断哪一个是正确的 ：

7、 （A）弹性应变为0.2%时的应力值； （B）总应变为0.2%时的应力值； （C）塑性应变为0.2%时的应力值； （D）塑性应变为0.2时的应力值。 正确答案是（ ）C 低碳钢加载卸载 再加载路径有以下四种， 请判断哪一个是正确的： （A）OAB BC COAB ； （B）OAB BD DOAB ； （C）OAB BAOODB； （D）OAB BD DB。 正确答案是（ ）D 关于材料的力学一般性能，有如下结论，请判断哪一个是 正确的： （A）脆性材料的抗拉能力低于其抗压能力； （B）脆性材料的抗拉能力高于其抗压能力； （C）塑性材料的抗拉能力高于其抗压能力； （D）脆性材料的抗拉能力等于其抗

8、压能力。 正确答案是（ ）A 2、 高温、常时工作的构件，会产生蠕变和松弛 几个概念： 1、 高温对材料的力学性能有影响 4、松弛(Relaxation)：应变保持不变，应力随时间 增加而降低的现象 3、蠕变(Creep)：应力保持不变，应变随时间增加 而增加的现象 26 *温度和时间对材料力学性能的影响 一、应力速率对材料力学性能的影响 2 低碳钢 O e 1 静荷载 动荷载 0 20 40 60 80 100 320 300 280 260 240 220 200 应力速率与屈服极限的关系 s (MPa) (MPa/s) 总趋势: 温度升高,E、S 、b 下降，、 增大 温度下降, b增大

9、 、 减小 0 100 200 300 400 500 216 177 137 700 600 500 400 300 200 100 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 E 温度对低碳钢力学性能的影响 二、短期静载下温度对材料力学性能的影响 蓝脆点 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 250 0 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 80 70 60 50 40 30 20 10 0 温度对铬锰合金力学性能的影响 温度降低，塑性降低，强度极限提高 P(kN ) - - - - - - 0

10、 5 10 15 30 20 10 0 Dl(mm ) 纯铁 - - - - - - 0 5 10 15 30 20 10 0 P(kN ) Dl(mm ) 中碳钢 温度降低，b增大，为什么结构会发生低温脆断？ 三、高温、长期静载下材料的力学性能 金属材料的高温蠕变(Creep)（碳钢350C以上） B A C D t O 构件的工作段不能超过稳定阶段 e t O A B C D E 不稳定 阶段 稳定阶段 加速阶段 破坏 阶段 e0 材料的蠕变曲线 温度越高蠕变越快 应力越高蠕变越快 1 2 3 4 温度不变 应力不变 T1 T2 T3 T4 三、应力松弛（stress relaxation

11、） 在一定的高温下，构件上的总变形不变时，弹 性变形会随时间而转变为塑性变形，从而使构件内 的应力变小 称为应力松弛 温度不变 e2 e1 e3 初应力越大 松弛的初速率越大 初始弹性应变不变 T1 T3 T2 温度越高 松弛的初速率越大 蠕变示意图 P 伸长量 时间 0 t0 随时间增加，伸长量在不变的载荷作用下继 续增加的现象。 静载P作用下的 伸长量：0 一细金属线预先有应 变后保持不变，应力随时 间增加而降低的现象。 Stress Time 0 t0 Wire 松弛示意图 四、冲击荷载下材料力学性能 冲击韧度转变温度 温度降低，b增大，结构反而还发生低温脆断 原因何在？ 温度降低，b 增大， 但材料的冲击韧性下降 且抗断裂能力基本不变，所以，结构易发生低温 脆断 试件 1.冲击试验试件 40 55 40 55 10 10 10 10 2 R 0.5 2R1 V型切口试样 U型切口试样 “U”型口试件的冲击韧性： “V”型口试件的冲击韧性： 冷脆：温度降低，冲击韧性下降的现象称为冷脆 习习 题题 2-13，预习“材料力学实验讲义”