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1、材料在拉伸、壓縮時的機械性能,54材料在拉伸、壓縮時的機械性能,分析拉、壓桿件的強度和變形問題時，除了計算應力之外，還因了解材料機械性能。,如：危險應力、彈性模量E、泊松比,材料的機械性能都是由實驗測定,材料在外力作用下表現(xiàn)出的變形、破壞等方面的特性,本節(jié)主要介紹材料拉伸時的機械性能 并對材料壓縮時的機械性能作簡單說明。,5.4.1材料拉伸時的機械性能,常溫靜載拉伸試驗是研究材料(尤其是金屬材料)機械性質(zhì)最常用和最基本的試驗。,室溫,緩慢加載,按規(guī)定（GB228-76），對圓試件： 對板試件：,為了便于比較各種材料在拉伸時的機械性質(zhì)，試驗時將材料制成標準圓試件；當試驗材料為
2、板材時，則采用標準板試件。,其中 do圓試件直徑； b、h板試件的橫截 面尺寸。 l0試件的有效長度， 稱為標距；,實驗前在中部標出的一段工作長度,A0為板試件的初始橫截面積,應力一應變曲線與應力特征值,1,一般試驗機均可將試驗 過程中的軸力P和對應 的伸長量l自動地繪 成P- l曲線，稱為“拉伸曲線”,在進行拉伸試驗時：,將標準試件安裝在試驗機的夾具中,開動機器緩慢加載,直至試件拉斷為止,,,,A3鋼的拉伸曲線,A3鋼的拉伸曲線,對于同樣的材料，這種以 縱坐標表示拉力P，以橫 坐標表示絕對伸長l的圖 線，將隨著試件的尺寸而 改變。,為了消除尺寸的影響，獲 得反映材料性能
3、的曲線， 將縱坐標P和橫坐標l分 別除以試件的初始截面積 A0和標距l(xiāng)0，得到材料拉 伸時的應力一應變曲線， 即-曲線。,A3鋼的 - 曲線,A3鋼的 - 曲線,低碳鋼（如A3鋼）是工程上使用較廣泛的材料，同時，它在拉伸過程中所表現(xiàn)的機械性質(zhì)具有一定的代表性，所以常常把它作為重點研究。,從A3鋼的-曲線 可以看出材料的一些特性。,低碳鋼拉伸實驗的整個過程，大致可分為四個階段：,l）彈性階段,2）屈服階段,3）強化階段,4）頸縮階段,l）彈性階段(oa段),在此階段內(nèi)，可以認為變形全部是彈性的。如果在試件上加載， 使其應力不超過a點，然后再卸載，則試件能恢復原狀。,與這一階段的最高點a相對應的應
4、力最高限稱為材料的“彈性極限”，用e 表示。,彈性極限e是卸載 后試件上不留塑性變形 的應力最高限！,l）彈性階段(oa段),在彈性階段(oa段)內(nèi)，oa段可以認為是直線的部分，這段直 線的最高點a對應的應力值p，稱為材料的比例極限，它是 縱應變與正應力成正比的應力最高限。, =E,在比例階段內(nèi)，試件的應力 應變關(guān)系符合虎克定律。,胡克定律,l）彈性階段(oa段),彈性極限與比例極限二者 的意義不同，但由試驗求 得的數(shù)值卻很接近，以致 在實際應用中常認為二者 的數(shù)值相同，有時甚至把 這兩個名詞也相互通用。,可以認為，在彈性范圍內(nèi)， 材料基本符合胡克定律,2）屈服階段,過了a點，曲線坡度彎緩，這
5、時應力先是下降，然后在很 小的范圍內(nèi)波動，而應變卻迅速增長。,這種現(xiàn)象稱為“屈服”或“流動”。,這一階段曲線的最高點稱為 “上屈服點”，,這一階段曲線的最低點稱為 “下屈服點”。,工程上通常 將下屈服點b 的應力值稱為 “屈服極限”或 “流動極限”， 用s表示。,在屈服 階段內(nèi)，材料幾 乎失去了抵抗變 形的能力。,2）屈服階段,在屈服階段內(nèi)，如試件表 面光滑，則當應力達到屈服極 限時，就會在其表面上出現(xiàn)許 多傾斜條紋（與試件的軸線約 成45），這種條紋稱為滑移 線。它是由于材料內(nèi)部晶格間 發(fā)生滑移所引起的，一般認為， 晶格間的滑移是產(chǎn)生塑性變形 的根本原因。,3）強化階段（cd）,過了屈服階段
6、，曲線又繼續(xù)上升，即材料又恢復了抵抗變形的能力。,這說明當材料晶格滑移到一定程度后，產(chǎn)生了抵抗滑移的能力。,為使應變增加，必須繼續(xù)增加應力。,這一階段稱為“強化階段”,這一階段的應力最高限，也是-曲線上應力的最高限稱為“強度極限”，用p表示。,4）頸縮階段（de段）,載荷到達最高值后，可以看到試件在某一小段內(nèi)的 橫截面急劇收縮，產(chǎn)生所謂頸縮現(xiàn)象。,由于局部的橫截面急劇收縮，使試件繼續(xù) 變形所需的拉力就越來越小，因此，應力應變曲線就開始下降，最后當曲線到達e點時，試件就斷裂。,鑄鐵和玻璃鋼的-曲線,從上述分析知低碳鋼拉斷時會有較大量的塑性變形。,從開始加載一直到拉斷，試件的變形都很小，且?guī)缀鯖]有
7、塑性變形，斷口處的橫截面面積也幾乎沒有變化。,這種斷裂稱為脆性斷裂。,這些材料沒有屈服階段，不 存在屈服應力，所以它們只 有一個應力持征值b。,灰口鑄鐵拉伸時的-曲線沒有明顯的直線部分。對于這類材料，由于工程實際中使用時均控制在較小的應力范圍所以可近似認為應力、應變?nèi)猿删€性關(guān)系，如虛線所示，這時胡克定律近似成立。,16Mn鋼與A3鋼,兩條曲線十分相似， 16Mn鋼的屈服極限和強度極限均比A3鋼高?？梢娗罢叩臋C械性能顯著地優(yōu)于后者。,16Mn鋼是一種低合金鋼 （合金元素總含量5 的合金鋼），是結(jié)合我 國資源情況（錳是我國 富產(chǎn)元素）發(fā)展起來的， 現(xiàn)已被廣泛使用。,,,這些材料的拉伸曲線都 沒有明
8、顯的屈服階段， 而由直線部分直接過渡 到曲線部分。,規(guī)定產(chǎn)生0.2%塑性 應變時的應力值為材料 的“條件屈服極限”，用 0.2表示。,冷作硬化和時效現(xiàn)象,,在低碳鋼等材料的拉伸試驗中，當載荷超過彈性范圍，例如曲線 到達k點后卸載，應力一應變曲線沿kk1線降至k1，此時載荷為零；,斜直線kk1近似地平行于oa.,這說明:在卸載過程 中,應力和應變按直 線規(guī)律變化.,塑性變形,彈性變形,冷作硬化和時效現(xiàn)象,,然后在短期內(nèi)再次 加載，這時應力-應 變大致沿卸載時的 斜直線k1k變化，到 達k點后開始出現(xiàn)塑 性變形，應力-應變 仍沿曲線kde變化， 直至e點試件斷裂。,冷作硬化和時效現(xiàn)象,,比較未經(jīng)預
9、拉和經(jīng)過預拉的試件的- 曲線Oakde和k1kde，后者的比例極限有所提高，斷裂時的塑性變形卻有所降低。這種現(xiàn)象稱為“冷作硬化”。,冷作硬化和時效現(xiàn)象,,冷作硬化主要提高了材料的屈服極限，而降低了塑性。工程中常用來提高某些構(gòu)件在彈性范圍內(nèi)的承載能力，例如建筑構(gòu)件中的鋼筋、起重機中的鋼纜等，一般都要作預拉處理。,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。,冷作硬化和時效現(xiàn)象,,某些金屬材料加載至塑性變形階段后卸載，放置一段時 間后再加載，其比例極限和強度極限也會有一定的提高， 且高于冷作硬化后立即加載時的數(shù)值。,這種
10、現(xiàn)象稱為“時效”。,強度指標與塑性指標,,由各種材料的拉伸試驗 結(jié)果可以看出，鑄鐵、 玻璃鋼等材料在拉伸過 程中沒有明顯的塑性變 形，當應力達到強度極 限b時發(fā)生斷裂，因此 強度極限b 便是衡量 這類材料的強度的唯一 指標。,強度指標與塑性指標,,對于碳素鋼等材料在拉斷之前，當應力達到屈服極限s 或0.2時，試件就已出現(xiàn)塑性變形，這是構(gòu)件正常工作 所不允許的，同此屈服極限s或條件屈服極限0.2便是 衡量這類材料的強度的指標。,某些工程部門有 時也將b作為衡 量這類材料的強 度的指標。,上述強度指標b 或s（ 0.2 ）即 為強度條件中的 危險應力u。,強度指標與塑性指標,,通過拉伸試驗，還可以
11、得到衡量材料塑性性能的指標 延伸率和截面收縮率：,式中： l0為試件標距（原長）； A。為標距范圍內(nèi)試件的初始 截面積； l1為試件拉斷后標距的長度 A1為試件拉斷后斷口處最小的橫 截面面積。, 和 的數(shù)值愈高，說明材料的塑性愈好。,一般稱5%的材料稱為塑性材料，如碳素鋼、低合金鋼等。 稱5%的材料為塑性材料，如鑄鐵、混凝土、石料等。,54.2材料壓縮時的機械性能,材料的壓縮試驗亦在試驗機上進行，其試件不同于拉伸試件。 為避免試件因受軸向壓力而變彎，需采用短試件。 金屬的壓縮試驗通常采用圓柱形短試件，其高度與直徑之比為1.5。 混凝土壓縮試件一般為邊長等于200mm的正立方體。,從低碳鋼壓
12、縮時的應力一應變曲線可以看出，在屈服階 段以前，壓縮曲線和拉伸曲線基本重合，即拉伸、壓縮 時的彈性模量相同；壓縮時的比例極限和屈服極限也與 拉伸時大致相同，但試件愈壓愈扁，可以產(chǎn)生很大的塑 性變形而不斷裂因而不存在抗壓強度極限。,鑄鐵壓縮時的應力一應變曲線,和拉伸曲線（圖中虛線） 相似，其線性階段不明 顯，但壓縮時的強度極 限b卻大大高于拉伸時 的數(shù)值（約高24倍）， 且發(fā)生明顯的塑性變形。,脆性材料由于壓縮強度 高，因而多用于制作承 壓構(gòu)件，例如建筑物基 礎、機器底座、電機外 殼等。,本章重點： 1、軸向拉伸與壓縮的受力及變形特點。 2、求解軸力的方法（截面法）。 3、應力的概念 4、拉、壓桿的強度條件 5、拉、壓桿的變形計算 6、材料在拉伸、壓縮時的機械性能 比例極限、彈性極限、屈服極限、強度極限,下課！,
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