材料拉伸时的力学性能

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1、第六章材料在轴向拉压时的力学性能材料的力学性能与温度和加载速率有关。本章主要介绍材料在静载和常温下的力学性能。材料的力学性能必须通过试验加以确定。为了试验数据的可比性，试件要做成标准试件。显然试件所能承受的最大载荷与试件横截面面积有关，试件的变形量与试件长度有关。为消除试件的纵横尺寸对试验结果的影响，采用应力一应变曲线。对金属材料，低碳钢是典型的塑性材料，而铸铁却是典型的脆性材料。因此，本章将重点介绍低碳钢和铸铁的力学性能。§6.1材料在拉伸(压缩)时的力学性能材料的力学性能是指材料在外力作用下表现出的

2、变形和破坏方面的特性。在室温下，以缓慢平稳加载的方式进行的拉伸试验，称为常温、静载拉伸试验。试件中：d为圆试件直径，l为试件的有效长度，称为标距；A为板试件的横截面积。圆截面：矩形截面：=11.3=5.656.1.1低碳钢在轴向拉伸时的力学性能试验过程中的轴力FN（在数值上等于载荷P的数值）和对应的试件伸长量Δl绘成P—Δl曲线，称为“拉伸曲线”为了消除尺寸的影响，获得反映材料性能的曲线，将纵坐标P和横坐标Δl（标距的伸长量）分别除以试件的初始截面积A0和标距l0，得到材料拉伸时的应力一应变曲线，即σ一

3、ε曲线。（1）低碳钢拉伸曲线的四个阶段①弹性阶段（ob）比例极限σp—材料应力应变成正比的最大应力值弹性极限σe—材料只出现弹性变形的应力极限值（比例系数）E为与材料有关的比例常数，随材料不同而异。当时，，由此说明表明材料的刚性的大小。②流动阶段（屈服阶段）（bc）在此阶段内，载荷基本上不变，但变形增加较快。曲线呈现摆动，摆动的最小应力和最大应力分别称为屈服下限和屈服上限。屈服下限数值较为稳定，不太受加载速率的影响，将其定义为材料屈服极限σs。现象：磨光试件表面出现与轴线成45倾角条纹——滑移线，是由

4、于材料晶格发生相对滑移所造成。材料产生显著塑性变形，影响构件正常使用，应避免出现。应力特征值：屈服极限σs——衡量材料强度的重要指标③强化阶段（ce）强化现象：材料恢复抵抗变形的能力，要使应变增加，必须增大应力值。曲线表现为上升阶段。应力特征性：强度极限——材料能承受的最大应力值。冷作硬化——材料预拉到强化阶段，使之发生塑性变形，然后卸载，当再次加载时弹性极限和屈服极限提高、塑性降低的现象。工程上常用冷作硬化来提高某些材料在弹性范围内的承载能力，如建筑构件中的钢筋、起重机的钢缆绳等，一般都要作预拉处理。

5、但冷作硬化使材料变硬、变脆，使加工发生困难，且易产生裂纹，这时可以采用退火处理，部分或全部地消除材料的冷作硬化效应。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程度的提高，且高于冷作硬化后立即加载时的数值，这种现象称为“时效”。④颈缩阶段(ef)在该阶段试件局部区域明显呈杯状变细，故称为颈缩阶段。在颈缩阶段，应力一应变曲线呈下降状态，直到试件断裂。实验指出，在弹性范围内，纵向应变εx与横向应变εy之间存在下列关系：εy=-μεx在弹性范围内μ基本为定值，其数

6、值范围为0＜μ＜0.5。超出弹性范围μ值逐步增大至0.5。工程常用材料在弹性范围内的μ值及弹性模量E值列于表6－1。低碳钢拉伸试验现象：屈服：颈缩：断裂：6.1.2铸铁在轴向拉伸时的力学性能铸铁拉伸直到断裂，应力和应变近似地呈现直线关系（图6－4）。因此，铸铁直至断裂都满足胡克定律。铸铁拉伸直到断裂，试件尺寸几乎没有变化，所以，铸铁是脆性材料。脆性材料的强度指标是强度极限外σb，它等于试件断裂载荷除以试件的原横截面面积。Oσε6.1.3强度指标和塑性指标从强度考虑，低碳钢的强度指标为屈服极限σs和强度极

7、限σb；铸铁的强度指标为强度极限σb。从变形考虑，可以得到材料的延伸率δ和面积收缩率Ψ。延伸率δ定义为试件在断裂后的工作标距的相对伸长，且用百分数表示，即面积收缩率Ψ定义为试件预缩的截面面积相对于试件的原横截面面积的百分数，即延伸率δ>5%的材料，称为塑性材料；延伸率δ<5%的材料,称为脆性材料。6.1.4低碳钢和铸铁在轴向压缩时的力学任能压缩的线性段与拉伸的线性段相同，且压缩的屈服极限在数值上与拉伸的屈服极限相同。低碳钢的压缩变形，随载荷增加开始成鼓形，然后成饼形，不发生断裂破坏。铸铁在轴向压缩时，产

8、生斜断口的断裂（图6－8）。粗短圆柱体：h0=1~3d0Oσε拉伸试验σb灰铸铁压缩试验现象：6.1.5非金属材料在轴向拉（压）时的力学性能（l）混凝土、石料（2）木材（3）单向复合材料（单向极）§6.2材料在高温和动载荷时的力学性能6.2.1材料在高温和动载荷时的力学性能图6－12和图6－13可以看出：（l）强度极限σb开始随温度增加，当温度在250～350℃之间时σb最大，当温度再升高时σb显著下降。（2）流动极限σs和比例极限σp随温