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1、54材料在拉伸、压缩时的材料在拉伸、压缩时的机械性能机械性能 分析拉、压杆件的强度和变形问题时，除分析拉、压杆件的强度和变形问题时，除分析拉、压杆件的强度和变形问题时，除分析拉、压杆件的强度和变形问题时，除了计算应力之外，还因了解材料机械性能。了计算应力之外，还因了解材料机械性能。了计算应力之外，还因了解材料机械性能。了计算应力之外，还因了解材料机械性能。 如：如：危险应力危险应力、弹性模量弹性模量E、泊松比泊松比材料的机械性能都是由实验测定材料的机械性能都是由实验测定材料在外力作用下表现出的变形、破坏等方面的特性材料在外力作用下表现出的变形、破坏等方面的特性 本节主要介绍材料本节主要介绍材料
2、拉伸拉伸时的机械性能时的机械性能并对材料压缩时的机械性能作简单说明。并对材料压缩时的机械性能作简单说明。5.4.1材料拉伸时的机械性能 常温静载拉伸试验常温静载拉伸试验是研究材料(尤其是金属材料)机械性质最常用和最基本的试验。室温室温缓慢加载缓慢加载按规定（按规定（GB228-76），），对圆试件：对圆试件： 对板试件：对板试件： 为了便于比较各种材料在拉伸时的机械性质，试验为了便于比较各种材料在拉伸时的机械性质，试验为了便于比较各种材料在拉伸时的机械性质，试验为了便于比较各种材料在拉伸时的机械性质，试验时将材料制成标准圆试件；当试验材料为板材时，则采时将材料制成标准圆试件；当试验材料为板材时
3、，则采时将材料制成标准圆试件；当试验材料为板材时，则采时将材料制成标准圆试件；当试验材料为板材时，则采用标准板试件。用标准板试件。用标准板试件。用标准板试件。其中其中 do圆试件直径；圆试件直径； b、h板试件的横截板试件的横截 面尺寸。面尺寸。 l0试件的有效长度，试件的有效长度， 称为标距称为标距；实验前在中部标出的一段工作长度实验前在中部标出的一段工作长度A0为板试件的为板试件的初始横截面积初始横截面积应力一应变曲线与应力特征值应力一应变曲线与应力特征值1一般试验机均可将试验一般试验机均可将试验过程中的轴力过程中的轴力P和对应和对应的伸长量的伸长量l自动地绘自动地绘成成P- l曲线，称为
4、曲线，称为“拉拉伸曲线伸曲线”在进行拉伸试验时：在进行拉伸试验时：将标准試件安装在试验机的夹具中将标准試件安装在试验机的夹具中开动机器缓慢加载开动机器缓慢加载直至试件拉断为止直至试件拉断为止A3钢的拉伸曲线A3钢的拉伸曲线 对于同样的材料，这种以对于同样的材料，这种以纵坐标表示拉力纵坐标表示拉力P，以横以横坐标表示绝对伸长坐标表示绝对伸长l的图的图线，将随着试件的尺寸而线，将随着试件的尺寸而改变。改变。为了消除尺寸的影响，获为了消除尺寸的影响，获得反映材料性能的曲线，得反映材料性能的曲线，将纵坐标将纵坐标P和横坐标和横坐标l分分别除以试件的初始截面积别除以试件的初始截面积A0和标距和标距l0，
5、得到材料拉得到材料拉伸时的应力一应变曲线，伸时的应力一应变曲线，即即-曲线。曲线。A3钢的-曲线A3钢的-曲线低碳钢（如低碳钢（如低碳钢（如低碳钢（如A3A3钢）钢）钢）钢）是工程上使用较广泛的材料，是工程上使用较广泛的材料，同时，它在拉伸过程中所表现的机械性质具有同时，它在拉伸过程中所表现的机械性质具有一定的代表性，所以常常把它作为重点研究。一定的代表性，所以常常把它作为重点研究。从从从从A3A3钢的钢的钢的钢的-曲线曲线曲线曲线可以看出材料的一些特性。可以看出材料的一些特性。可以看出材料的一些特性。可以看出材料的一些特性。低碳钢拉伸实验的整个过程，大致可分为四个阶段：低碳钢拉伸实验的整个过
6、程，大致可分为四个阶段：低碳钢拉伸实验的整个过程，大致可分为四个阶段：低碳钢拉伸实验的整个过程，大致可分为四个阶段：l）弹性阶段弹性阶段 2）屈服阶段）屈服阶段3）强化阶段）强化阶段 4）颈缩阶段）颈缩阶段l）弹性阶段弹性阶段(oa段段)在此阶段内，可以认为变形全部是弹性的。如果在试件上加载，在此阶段内，可以认为变形全部是弹性的。如果在试件上加载，使其应力不超过使其应力不超过aa点点，然后再卸载，则试件能恢复原状。，然后再卸载，则试件能恢复原状。与这一阶段的最高与这一阶段的最高点点a相对应的应力相对应的应力最高限称为材料的最高限称为材料的“弹性极限弹性极限”，用，用e 表示。表示。弹性极限弹性
7、极限e是卸载是卸载后试件上不留塑性变形后试件上不留塑性变形的应力最高限！的应力最高限！l）弹性阶段弹性阶段(oa段段)在弹性阶段在弹性阶段(oa段段)内，内，oa段段可以认为是可以认为是直线直线的部分，这段直的部分，这段直线的最高点线的最高点a a对应的应力值对应的应力值pp，称为材料的称为材料的比例极限比例极限比例极限比例极限，它是，它是纵应变纵应变与正应力与正应力成正比的应力最高限。成正比的应力最高限。 =E =E在比例阶段内，试件的应力在比例阶段内，试件的应力应变关系符合虎克定律。应变关系符合虎克定律。胡克胡克定律定律l）弹性阶段弹性阶段(oa段段) 弹性极限与比例极限二者弹性极限与比例
8、极限二者的意义不同，但由试验求的意义不同，但由试验求得的数值却很接近，以致得的数值却很接近，以致在实际应用中常认为二者在实际应用中常认为二者的数值相同，有时甚至把的数值相同，有时甚至把这两个名词也相互通用。这两个名词也相互通用。可以认为，在弹性范围内，可以认为，在弹性范围内，材料基本符合胡克定律材料基本符合胡克定律2）屈服阶段）屈服阶段过了过了a点，曲线坡度弯缓，这时应力先是下降，然后在很点，曲线坡度弯缓，这时应力先是下降，然后在很小的范围内波动，而应变却迅速增长。小的范围内波动，而应变却迅速增长。这种现象称为这种现象称为“屈服屈服屈服屈服”或或“流动流动流动流动”。这一阶段曲线这一阶段曲线的
9、最高点称为的最高点称为“上屈服点上屈服点”，这一阶段曲线这一阶段曲线的最低点称为的最低点称为“下屈服点下屈服点”。 工程上通常工程上通常将下屈服点将下屈服点b的应力值称为的应力值称为“屈服极限屈服极限屈服极限屈服极限”或或“流动极限流动极限流动极限流动极限”，用用ss表示。表示。在屈服在屈服阶段内，材料几阶段内，材料几乎失去了抵抗变乎失去了抵抗变形的能力。形的能力。2）屈服阶段）屈服阶段在屈服阶段内，如试件表在屈服阶段内，如试件表面光滑，则当应力达到屈服极面光滑，则当应力达到屈服极限时，就会在其表面上出现许限时，就会在其表面上出现许多倾斜条纹（与试件的轴线约多倾斜条纹（与试件的轴线约成成45）
10、，这种条纹称为），这种条纹称为滑移滑移线线。它是由于材料内部晶格间。它是由于材料内部晶格间发生滑移所引起的，一般认为，发生滑移所引起的，一般认为，晶格间的滑移是产生塑性变形晶格间的滑移是产生塑性变形的根本原因。的根本原因。3）强化阶段（）强化阶段（cd）过了屈服阶段，曲线又继续上升，即材料又恢复了抵抗变形的能力。过了屈服阶段，曲线又继续上升，即材料又恢复了抵抗变形的能力。这说明当材料晶格滑移到一定程度后，产生了抵抗滑移的能力。这说明当材料晶格滑移到一定程度后，产生了抵抗滑移的能力。为使应变增加，必须继续增加应力。为使应变增加，必须继续增加应力。这一阶段这一阶段称为称为“强强化阶段化阶段”这一阶
11、段的应力最这一阶段的应力最高限，也是高限，也是-曲线曲线上应力的最高限上应力的最高限称为称为“强度极限强度极限”，用，用p表示。表示。4）颈缩阶段（）颈缩阶段（de段）段） 载荷到达最高值后，可以看到试件在某一小段内的载荷到达最高值后，可以看到试件在某一小段内的横截面急剧收缩，产生所谓颈缩现象。横截面急剧收缩，产生所谓颈缩现象。由于局部的横截面急由于局部的横截面急剧收缩，使试件继续剧收缩，使试件继续变形所需的拉力就越变形所需的拉力就越来越小，因此，应力来越小，因此，应力应变曲线就开始下降应变曲线就开始下降，最后当曲线到达，最后当曲线到达e点时，试件就断裂。点时，试件就断裂。铸铁和玻璃钢的铸铁和
12、玻璃钢的-曲线曲线从上述分析知低碳钢拉断时会有较大量的塑性变形。从上述分析知低碳钢拉断时会有较大量的塑性变形。从开始加载一直到拉断，从开始加载一直到拉断，试件的变形都很小，且试件的变形都很小，且几乎没有塑性变形，断几乎没有塑性变形，断口处的横截面面积也几口处的横截面面积也几乎没有变化。乎没有变化。这种断裂称为脆性断裂。这种断裂称为脆性断裂。这些材料没有屈服阶段，不这些材料没有屈服阶段，不存在屈服应力，所以它们只存在屈服应力，所以它们只有一个应力持征值有一个应力持征值b。灰口铸铁拉伸时的灰口铸铁拉伸时的-曲线没有曲线没有明显的直线部分。对于这类材明显的直线部分。对于这类材料，由于工程实际中使用时
13、均料，由于工程实际中使用时均控制在较小的应力范围所以控制在较小的应力范围所以可近似认为应力、应变仍成线可近似认为应力、应变仍成线性关系，如虚线所示，这时胡性关系，如虚线所示，这时胡克定律近似成立。克定律近似成立。16Mn钢与钢与A3钢钢两条曲线十分相似，两条曲线十分相似，16Mn钢的屈服极限和钢的屈服极限和强度极限均比强度极限均比A3钢高。钢高。可见前者的机械性能可见前者的机械性能显著地优于后者。显著地优于后者。16Mn钢是一种低合金钢钢是一种低合金钢（合金元素总含量（合金元素总含量5的合金钢），是结合我的合金钢），是结合我国资源情况（锰是我国国资源情况（锰是我国富产元素）发展起来的，富产元素
14、）发展起来的，现已被广泛使用。现已被广泛使用。这些材料的拉伸曲线都这些材料的拉伸曲线都没有明显的屈服阶段，没有明显的屈服阶段，而由直线部分直接过渡而由直线部分直接过渡到曲线部分。到曲线部分。 规定产生规定产生0.2%塑性塑性应变时的应力值为材料应变时的应力值为材料的的“条件屈服极限条件屈服极限”，用用0.2表示。表示。冷作硬化和时效现象冷作硬化和时效现象在低碳钢等材料的拉伸试验中，当载荷超过弹性范围，例如曲线在低碳钢等材料的拉伸试验中，当载荷超过弹性范围，例如曲线到达到达k点后卸载，应力一应变曲线沿点后卸载，应力一应变曲线沿kk1线线降至降至k1，此时载荷为零；此时载荷为零；斜直线斜直线kk1
15、近似近似地平行于地平行于oa.这说明这说明:在卸载过程在卸载过程中中,应力和应变按直应力和应变按直线规律变化线规律变化.塑性变形塑性变形弹性变形弹性变形冷作硬化和时效现象冷作硬化和时效现象然后在短期内再次然后在短期内再次加载，这时应力加载，这时应力-应应变大致沿卸载时的变大致沿卸载时的斜直线斜直线k1k变化，到变化，到达达k点后开始出现塑点后开始出现塑性变形，应力性变形，应力-应变应变仍沿曲线仍沿曲线kde变化，变化，直至直至e点试件断裂。点试件断裂。冷作硬化和时效现象冷作硬化和时效现象比较未经预拉和经过预比较未经预拉和经过预拉的试件的拉的试件的- 曲线曲线Oakde和和k1kde，后者后者的
16、比例极限有所提高，的比例极限有所提高，断裂时的塑性变形却有断裂时的塑性变形却有所降低。这种现象称为所降低。这种现象称为“冷作硬化冷作硬化”。冷作硬化和时效现象冷作硬化和时效现象冷作硬化主要提高了材料的屈服冷作硬化主要提高了材料的屈服极限，而降低了塑性。工程中常极限，而降低了塑性。工程中常用来提高某些构件在弹性范围内用来提高某些构件在弹性范围内的承载能力，例如建筑构件中的的承载能力，例如建筑构件中的钢筋、起重机中的钢缆等，一般钢筋、起重机中的钢缆等，一般都要作预拉处理。都要作预拉处理。冷作硬化使材料变硬、变脆，冷作硬化使材料变硬、变脆，使加工发生困难，且易产生使加工发生困难，且易产生裂纹，这时可
17、以采用退火处裂纹，这时可以采用退火处理，部分或全部地消除材料理，部分或全部地消除材料的冷作硬化效应。的冷作硬化效应。冷作硬化和时效现象冷作硬化和时效现象某些金属材料加载至塑性变形阶段后卸载，放置一段时某些金属材料加载至塑性变形阶段后卸载，放置一段时间后再加载，其比例极限和强度极限也会有一定的提高，间后再加载，其比例极限和强度极限也会有一定的提高，且高于冷作硬化后立即加载时的数值。且高于冷作硬化后立即加载时的数值。这种现象称为这种现象称为“时效时效时效时效”。强度指标与塑性指标强度指标与塑性指标由各种材料的拉伸试验由各种材料的拉伸试验结果可以看出，铸铁、结果可以看出，铸铁、玻璃钢等材料在拉伸过玻
18、璃钢等材料在拉伸过程中没有明显的塑性变程中没有明显的塑性变形，当应力达到强度极形，当应力达到强度极限限b时发生断裂，因此时发生断裂，因此强度极限强度极限强度极限强度极限 b b 便是衡量便是衡量这类材料的强度的唯一这类材料的强度的唯一指标。指标。强度指标与塑性指标强度指标与塑性指标对于碳素钢等材料在拉断之前，当应力达到屈服极限对于碳素钢等材料在拉断之前，当应力达到屈服极限s或或0.2时，试件就已出现塑性变形，这是构件正常工作时，试件就已出现塑性变形，这是构件正常工作所不允许的，同此所不允许的，同此屈服极限屈服极限屈服极限屈服极限 s s或条件屈服极限或条件屈服极限或条件屈服极限或条件屈服极限
19、0.20.2便是便是衡量这类材料的强度的指标。衡量这类材料的强度的指标。某些工程部门有某些工程部门有时也将时也将b作为衡作为衡量这类材料的强量这类材料的强度的指标。度的指标。上述强度指标上述强度指标b或或s（ 0.2 ）即即为强度条件中的为强度条件中的危险应力危险应力u。强度指标与塑性指标强度指标与塑性指标通过拉伸试验，还可以得到衡量材料塑性性能的指标通过拉伸试验，还可以得到衡量材料塑性性能的指标延伸率延伸率延伸率延伸率 和和截面收缩率截面收缩率截面收缩率截面收缩率 ：式中：式中：式中：式中：l0为试件标距（原长）；为试件标距（原长）；A。为标距范围内试件的初始为标距范围内试件的初始 截面积；
20、截面积；l1为试件拉断后标距的长度为试件拉断后标距的长度A1为试件拉断后断口处最小的横为试件拉断后断口处最小的横 截面面积。截面面积。 和和和和 的数值愈高，说明材料的塑性愈好。的数值愈高，说明材料的塑性愈好。一般称一般称5%的材料称为塑性材料，的材料称为塑性材料，如碳素钢、低合金钢等。如碳素钢、低合金钢等。称称 5%的材料为塑性材料，的材料为塑性材料，如铸铁、混凝土、石料等如铸铁、混凝土、石料等。54.2材料压缩时的机械性能材料压缩时的机械性能n n材料的压缩试验亦在试验机上进行，其材料的压缩试验亦在试验机上进行，其试件不同于拉伸试件。试件不同于拉伸试件。n n为避免试件因受轴向压力而变弯，
21、需采为避免试件因受轴向压力而变弯，需采用短试件。用短试件。n n金属的压缩试验通常采用圆柱形短试件，金属的压缩试验通常采用圆柱形短试件，其高度与直径之比为其高度与直径之比为1.5。n n混凝土压缩试件一般为边长等于混凝土压缩试件一般为边长等于200mm的正立方体。的正立方体。从低碳钢压缩时的应力一应变曲线可以看出，在屈服阶从低碳钢压缩时的应力一应变曲线可以看出，在屈服阶段以前，压缩曲线和拉伸曲线基本重合，即拉伸、压缩段以前，压缩曲线和拉伸曲线基本重合，即拉伸、压缩时的弹性模量相同；压缩时的比例极限和屈服极限也与时的弹性模量相同；压缩时的比例极限和屈服极限也与拉伸时大致相同，但试件愈压愈扁，可以
22、产生很大的塑拉伸时大致相同，但试件愈压愈扁，可以产生很大的塑性变形而不断裂因而不存在抗压强度极限。性变形而不断裂因而不存在抗压强度极限。铸铁压缩时的应力一应变曲线铸铁压缩时的应力一应变曲线和拉伸曲线（图中虚线）和拉伸曲线（图中虚线）相似，其线性阶段不明相似，其线性阶段不明显，但压缩时的强度极显，但压缩时的强度极限限 b b却大大高于拉伸时却大大高于拉伸时的数值（约高的数值（约高24倍），倍），且发生明显的塑性变形。且发生明显的塑性变形。脆性材料由于压缩强度脆性材料由于压缩强度高，因而多用于制作承高，因而多用于制作承压构件，例如建筑物基压构件，例如建筑物基础、机器底座、电机外础、机器底座、电机外壳等。壳等。本章重点：本章重点：1、轴向拉伸与压缩的受力及变形特点。、轴向拉伸与压缩的受力及变形特点。2、求解轴力的方法（截面法）。、求解轴力的方法（截面法）。3、应力的概念、应力的概念4、拉、压杆的强度条件、拉、压杆的强度条件5、拉、压杆的变形计算、拉、压杆的变形计算6、材料在拉伸、压缩时的机械性能、材料在拉伸、压缩时的机械性能 比例极限、弹性极限、屈服极限、强度极限比例极限、弹性极限、屈服极限、强度极限 下课！下课！
