材料力學軸向拉伸和壓縮

會計學1材料力學軸向拉伸和壓縮§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能MechanicalPropertyofMaterials材料在外力作用下所呈現的有關強度和變形方面的特性，稱為材料的力學性能。材料力學性能是構件強度、剛度和穩(wěn)定計算的重要組成部分，也是合理選用材料和從事新材料研究的重要依據。材料的力學性能都要通過試驗來測定。本節(jié)主要介紹工程中常用材料在拉伸和壓縮時的力學性能。材料的力學性能除因材料不同而不同以外，還受試驗條件、加力方式等很多因素的影響。同一材料在常溫、高溫和低溫的不同條件下測得的力學性能各不相同；在快速加載下測得的力學性能與緩慢加載條件下測得的力學性能也有顯著差別；同一材料在拉、壓、扭轉和彎曲不同變形形式下表現出不同的力學性能。因此應針對不同情況，分別試驗，以確定不同情況下的力學性能。為了使測得的材料力學性能可以互相對比，應嚴格按照有關試驗規(guī)范的要求進行測定。第1頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能MechanicalPropertyofMaterialsⅠ.材料的拉伸和壓縮試驗(TensileTestandCompressionTestofMaterials)Ⅱ.

低碳鋼試樣的拉伸圖及其力學性能(Load——deflectiondiagramintensionaboutmildsteel)Ⅲ.

其它金屬材料在拉伸時的力學性能(Mechanicalpropertyofothersmetalmaterialsintension

)Ⅳ.

金屬材料在壓縮時的力學性能(MechanicalpropertyofmetalmaterialsinCompression)

Ⅴ.幾種非金屬材料的力學性能(Mechanicalpropertyofsomenonmetalmaterials)第2頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅰ.材料的拉伸和壓縮試驗試驗條件:常溫、靜載(undergraduallyappliedloodatroomtemperature)試驗標準:GB228－87。標準試件(Standardspecimen):如圖，圓形試件，板形試件使用Standardspecimen便于相互比較圓形試件又分長試件(l＝10d)和短試件(l＝5d)兩種標距(GageLength)l壓縮試件:短圓柱體，短棱柱體試驗設備:萬能試驗機變形儀第3頁/共33頁mildsteel（軟鋼）＝低碳鋼(low-carbonsteel)如Q235號鋼Characteristic:1,彈性階段Elasticrange;2,屈服階段Yieldrange;3,強化階段Hardeningrange;4,頸縮階段Neckingrange§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅱ.

低碳鋼試樣的拉伸圖及其力學性能llAPD==es1,Load——deflectiondiagramintensionaboutmildsteel:tensilediagram(P——△L)

diagram:第4頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅱ.

低碳鋼試樣的拉伸圖及其力學性能P∝Δlσ∝εσ=Eε()1,彈性階段Elasticrangesp:比例極限proportionallimitse:彈性極限elasticlimitep=0()工程上常認為為同一點2,屈服階段Yieldrange(流動階段Sliprange)P基本不變,ΔL卻不斷增加,對拋光的試件,可以看到與桿軸線約成45度方向上的條紋(滑移線sliplines),表明材料此時的塑性變形由剪應力(tmax

=s/2)引起。

Yieldpoint(以下屈服點為準)ss:屈服極限Yieldinglimit

或流動極限Sildelimit第5頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅱ.

低碳鋼試樣的拉伸圖及其力學性能4,頸縮階段Neckingrange(局部變形階段

Localizeddeformationrange)此時在某一較弱的橫截面及其附近橫向尺寸顯著縮小,出現所謂“頸縮”現象。breakingpoint(f):在F點拉斷后,彈性變形ee部分恢復，剩下塑性變形ep(plasticstrain)物體進入塑性階段后，總變形

e＝ee＋ep3,強化階段Hardeningrangesb

:強度極限(抗拉強度）

Ultimatestrength第6頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅱ.

低碳鋼試樣的拉伸圖及其力學性能

在強化階段后期和頸縮階段,由于變形較大,故б＝P/A

和e=Δl/l

并不能表示試件的真實應力（truestress）和真實應變（truestrain)故：б＝Ｐ／Ａ常稱為名義應力Nominalstress(Conventionalstress)e=Δl/l常稱為名義應變

Nominalstrain

(Conventionalstrain)第7頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅱ.

低碳鋼試樣的拉伸圖及其力學性能卸載規(guī)律:卸載時荷載與試樣伸長量之間遵循直線關系的規(guī)律稱為材料的卸載規(guī)律.在卸載過程中，彈性變形逐漸消失,只留下塑性變形。

如果卸載后立即再加荷載，則荷載與伸長量間基本上仍遵循著卸載時的同一直線關系，一直到開始卸載時的荷載為止.冷作硬化coldhardening實質：strainhardening冷作時效agehardening第8頁/共33頁材料分類：

塑性材料

Ductilematerials:d＞５％

脆性材料

Brittlematerials:d＜５％對Q235鋼:ss≈240MPa,sb≈390MPa,d≈20～30%,ψ≈60%

材料的強度指標(Thestrengthindexofmaterials):sp:比例極限

se:彈性極限

ss:屈服極限sb

:強度極限（sp≈se≈ss）材料的塑性指標(Theplasticindexofmaterials):1,伸長率(PercentageElongation):§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅱ.

低碳鋼試樣的拉伸圖及其力學性能psi2,斷面收縮率(PercentageofCross-section):第9頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅲ.

其它金屬材料在拉伸時的力學性能常用塑性金屬材料在拉伸時的力學性能第10頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅲ.

其它金屬材料在拉伸時的力學性能有些材料例如鋁合金和退火球墨鑄鐵沒有屈服階段，而其它三個階段卻很明顯；另外一些材料例如錳鋼則僅有彈性階段和強化階段，而沒有屈服階段和局部變形階段。這些材料的共同特點是伸長率d均較大,它們和低碳鋼一樣都屬于塑性材料。對沒有屈服階段的塑性材料，通常以塑性應變ep＝es＝0.2%所對應的應力確定為屈服極限強度，并稱之為名義屈服極限，標記為s0.2第11頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅲ.

其它金屬材料在拉伸時的力學性能典型脆性金屬材料—鑄鐵(CastIron)在拉伸時的力學性能:δ值很小，無屈服和“頸縮”現象。無直線段，斷裂時變形很小強度指標只有強度極限sb

；通常用規(guī)定某一總應變時s－e曲線的割線（圖2-21中的虛線）來代替此曲線在開始部分的直線，從而確定其彈性模量，并稱之為割線彈性模量。第12頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅳ.

金屬材料在壓縮時的力學性能低碳鋼在壓縮時的力學性能:彈性,屈服初期與拉伸時相同，Ec=Etspc=sptssc=sst壓拉

mc

=mt

因A↗(P↗)故測不出sbc第13頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅳ.

金屬材料在壓縮時的力學性能鑄鐵在壓縮時的力學性能:變形很小就突然破壞，無sScsbc>>sbt

為經濟的抗壓材料。破壞面與試件軸線成大約35o～39o角,表明是因為抗剪能力不夠而斷裂。第14頁/共33頁鑄鐵在壓縮時的力學性能:

為了對比，圖中示出了灰口鑄鐵受壓(實線)和受拉(虛線)的s－e曲線。從圖可知，鑄鐵壓縮s－e曲線也無嚴格的直線部分，破壞時的應變較拉伸大,約為5％。破壞面與試件軸線大約成35o～39o，表明試件主要是剪斷的。由于斜面上同時存在正壓力引起的摩擦力的影響，所以破壞面并不在最大剪應力方向(45o)。鑄鐵的抗壓強度比抗拉強度高得多,約為3～5倍，加之價格較低廉、便于成型，因此廣泛用于制造機座、機床床身、軸承座等承壓構件?！欤玻?材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅳ.

金屬材料在壓縮時的力學性能第15頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅴ.幾種非金屬材料的力學性能混凝土和

天然石料壓縮：試件的破壞形式與兩端面受到的摩擦力的大小有關。(a),(b)分別表示試件兩端面不加潤滑劑和加潤滑劑的破壞形式。前者由于兩端面橫向變形受到摩擦力的阻礙,使試件中部逐漸剝落,形成兩個相連的截錐體。后者由于潤滑使摩擦力減小,產生縱向開裂破壞,其抗壓強度也較前者小。在規(guī)范中,取立方體的邊長為150mm,按前者測出的抗壓強度稱為標準立方體抗壓強度,并用以確定混凝土或石料的等級。

sbc≈10sbt混凝土的彈性模量規(guī)定以s＝0.4sb時的割線斜率來確定。第16頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅴ.幾種非金屬材料的力學性能混凝土壓縮:混凝土是一種多相材料,內部細小裂縫多,隨著受力增大,裂縫經歷穩(wěn)定階段、穩(wěn)定擴展階段和裂縫貫通非穩(wěn)定擴展階段,表現出加載曲線有明顯的非線性。由于內部硬骨料使沿裂縫滑移受阻,故其破壞也有一個漸變過程。混凝土加載到某一點a(即使應力不大)卸載,將有塑性應變eap(圖(b)),但多次重復加載和卸載后,塑性變形逐步減小。因此,工程上常以割線oa(虛線)的斜率來定義彈性模量第17頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅴ.幾種非金屬材料的力學性能木材的力學性能:木材的順紋抗拉強度很高，但因受木節(jié)等缺陷的影響，其強度極限值波動很大。木材的橫紋抗拉強度很低。工程中應避免橫紋受拉。木材的順紋抗壓強度雖稍低于順紋抗拉強度，但受木節(jié)等缺陷的影響較小。木材為各向異性材料，順紋與橫紋的力學性質相差較大。第18頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅴ.幾種非金屬材料的力學性能玻璃鋼等復合材料:由兩種或兩種以上不同性能的材料在宏觀尺度上復合而成的新材料，稱為復合材料．這種材料不僅具有組成材料相互取長補短的綜合性能，而且具有組成材料沒有的良好性能．第19頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅴ.幾種非金屬材料的力學性能復合材料:復合材料一般由基體材料和增強材料所組成?；w材料可以是塑料、金屬和陶瓷等;增強材料可以是纖維、顆粒和微珠。目前在結構材料中應用最廣泛的現代復合材料是纖維增強塑料。其中纖維主要是玻璃纖維、碳纖維、硼纖維和芳綸纖維,基體主要是不飽和聚脂樹脂、環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂等。玻璃鋼等復合材料的主要優(yōu)點是重量輕，比強度（抗拉強度／密度）高，成型工藝簡單，且耐腐蝕、抗振性能好。玻璃鋼的力學性能與所用的玻璃纖維（或玻璃布）和樹脂的性能，以及兩者的相對用量和相互結合的方式有關。第20頁/共33頁

塑料的典型拉伸圖:

塑料是一類品種繁多的高分子合成材料,它除了具有一定的強度、剛度和塑性以外,還具有重量輕(比重為0.9～2.2)、耐化學腐蝕、電絕緣性能好和易于成型加工等優(yōu)點。塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩類。熱塑性塑料:這類塑料加熱軟化、冷卻硬化,反復加熱和冷卻仍具有可塑性。如聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺等。熱固性塑料:這類塑料化學反應成型后,受熱和冷卻不再明顯改變狀態(tài).如酚醛塑料、環(huán)氧塑料、氨基塑料等。不同品種的塑料,由于成分、分子結構的不同,其力學性質差別很大。有些屬于塑性材料,有些屬于脆性材料?？估瓘姸戎祻膸譓Pa變到上百MPa;斷后伸長率從幾乎為零變到百分之幾百。塑料還是一種粘彈性材料,具有強烈的粘彈性性質。塑料的主要缺點是不耐熱,一般只能在100℃以下長期使用,少數塑料可耐200℃的高溫;塑料在光、熱、氧作用下易老化變質。為了滿足使用要求,克服主要缺點,在塑料制品中常有各種添加劑;特別是通過高性能纖維增強,便制造出了性能特別優(yōu)良的現代復合材料。§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅴ.幾種非金屬材料的力學性能塑料的典型拉伸應力一應變曲線如圖所示。由圖可知,它也有彈性階段、屈服階段和強化階段。圖中ａ點對應的應力稱為比例極限(或彈性極限)sp;ｂ點為屈服點,該點應力稱為屈服強度ss;ｂ點以后的應力略有下降,變形顯著增長;試件最后在c點斷裂,相應應力sb為斷裂強度(又稱拉伸強度)。若在c’點斷裂,規(guī)范規(guī)定以屈服強度ss作為斷裂強度。第21頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅵ溫度對材料力學性能的影響鋼材在高、低溫下的力學性質:

高、低溫下材料力學性質測定方法和常溫下測定相同,但試件要處于相應的溫度環(huán)境之中。

圖4.21為某種碳鋼在不同溫度水平下測得的s－e曲線。圖4.22為低碳鋼(合碳0.15%)的力學性能隨溫度變化的曲線。

圖4.23為一種中碳鋼在不同低溫條件下所得拉伸圖。第22頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅵ溫度對材料力學性能的影響鋼材在高、低溫下的力學性質:由以上各圖顯示的材料力學性能,可歸納出如下結論:1,從室溫升溫,總的規(guī)律是材料的強度指標(ss,sb)隨溫度升高而降低,塑性指標(d,y)隨溫度升高而提高,彈性模量Ｅ隨溫度升高而減小,泊松比m隨溫度升高而增大。2,從室溫降溫,強度極限提高,但斷后伸長率d降低,當溫度降到-253℃時,材料已由塑性材料轉變?yōu)榇嘈圆牧稀?,在特定的溫度區(qū)間,某些指標有一些特定規(guī)律。如低碳鋼的抗拉強度sb,在溫度低于250℃時,隨溫度升高而增加；在250℃～300℃之間sb最大,但斷后伸長率d在此溫度范圍卻有較大下降，表現出性能脆化，稱為藍脆性。第23頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅵ溫度對材料力學性能的影響溫度對塑料力學性能的影響:塑料是一種不耐熱的材料,其力學性能隨溫度變化很大。圖4.24為塑料的應變一溫度曲線。當溫度低于玻璃化溫度Tg時,塑料處于玻璃態(tài),具有一定的強度和剛度,應力----應變基本成線性關系,是塑料的使用狀態(tài)。當溫度高于Tg

時,塑料將轉變?yōu)楦邚棏B(tài)而成為橡膠；溫度進一步升高到Tf時,又由高彈態(tài)變成粘流態(tài)。溫度達到Td塑料分解。從玻璃態(tài)到高彈態(tài),塑料的強度、剛度性能將有大幅度降低,例如彈性模量將下降3～4個數量級,如圖4.25。第24頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅶ粘彈性和蠕變、松弛、彈性后效的概念1,粘彈性的概念:

理想彈性IdealElasticity表現為應力與應變成線性關系,服從虎克定律；理想粘性Ideal

Viscosity表現為應力與應變速度成線性關系,服從牛頓粘性定律。粘彈性Viscoelasticity是介于上述兩種性質之間的、既有彈性又有粘性的性質。瀝青、混凝土、塑料和低熔點金屬(鉛及其合金等)在較低溫度下就有強烈的粘彈性態(tài)。但對于碳鋼要在300℃～350℃以上、合金鋼要在350℃～400℃以上才顯示明顯的粘彈性態(tài)。粘彈性的特點是應力、應變和時間的相關性。主要表現在產生蠕變Creep、應力松弛SlacknessofStrss和彈性后效ElasticAftereffect等現象上.第25頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅶ粘彈性和蠕變、松弛、彈性后效的概念2,蠕變、松弛和彈性后效的概念:

蠕變Creep是指在恒定溫度和應力作用下,材料的變形隨時間增加而增加的現象。圖4.26表示一條典型的蠕變曲線。圖中初始應變e0是加載產生的應變,ｔ為時間。曲線(斜率代表蠕變速度)可分成三個階段:*初始蠕變階段,蠕變速率由快逐漸降低；*穩(wěn)定蠕變階段,蠕變速率為定值；*破壞蠕變階段,蠕變速率逐漸加大,直至破壞.同一材料,當應力恒定、溫度提高,或溫度恒定、應力提高,都會使蠕變速率加快。第26頁/共33頁§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅶ粘彈性和蠕變、松弛、彈性后效的概念2,蠕變、松弛和彈性后效的概念:*應力松弛SlacknessofStrss是指在恒定溫度和應變的條件下,材料的應力隨時間的增加而減小的現象。這種現象主要由于材料的彈性變形隨時間逐漸轉變?yōu)樗苄宰冃味?。圖4.27為一條典型的應力松弛曲線,s0為初始應力。*彈性后效ElasticAftereffect或彈性滯后是指材料在彈性階段加載和卸載時,應變的變化滯后于應力變化的現象。因此,即使在彈性階段卸除荷載,變形也不能全部立即恢復,而要經歷一定時間后才能全部恢復。第27頁/共33頁蠕變、應力松弛和彈性后效等現象,對于處于粘彈性狀態(tài)工作的材料必須加以考慮。例如,汽輪機葉輪上的葉片工作中受到離心力作用,又處于高溫環(huán)境中,其蠕變變形必須要嚴格控制在一定限度內,否則將導致葉片變形過大而與機殼相碰的事故。§２－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能

Ⅶ粘彈性和蠕變、松弛、彈性后效的概念第28頁/共33頁§2－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能(小結)材料主要力學性能指標:1,彈性抗力指標有比例極限sp和彈性極限se。應用上兩者常不作區(qū)分。2,材料剛度指標反映材料對彈性變形的抗力。有彈性模量Ｅ、泊松比m和剪切模量Ｇ。對于各向同性材料,三者為常數,存在關系:Ｇ＝E/2(1+m)對于正交各向異性材料,每一個主方向有３個彈性常數,共有９個獨立的彈性常數。對于極端各向異性材料,則共有２１個獨立的彈性常數(參見各向異性彈性力學)。3,材料強度指標有屈服點ss(或名義屈服極限s0.2)、強度極限sb和疲勞極限sr.。4,材料塑性指標有延伸率(斷后伸長率)d和截面收縮率ψ5,材料韌性指標有沖擊韌性ak和斷裂韌性K1c.第29頁/共33頁§2－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能(小結)兩類材料力學性能比較:從前面幾節(jié)介紹可知，塑性材料和脆性材料的力學性能有顯著的不同，為了給構件選定適宜的材料，應對它們的力學性能特點有明確的認識。(1)塑性材料的塑性好(d≥5%)、韌性高,脆性材料塑性差(d≤5%)、韌性低。因此,需要鍛壓加工的構件、承受動應力作用的構件、易于產生低應力脆斷的構件等宜選用塑性好、韌性高的塑性材料制作。(2)通常塑性材料的抗拉強度比脆性材料高,而脆性材料抗壓強度比抗拉強度高得多。因此,受拉構件應選用塑性材料,脆性材料適于制作基礎、機座等承壓構件。(3)塑性材料因存在屈服階段,當構件存在應力集中使局部最大應力達到屈服極限時,該應力不再增大而變形迅速增加;當外力繼續(xù)增大時,增加的力就由截面上尚未屈服的材料來承擔,這樣就使截面上的應力趨于均勻,因此對于塑性材料在靜載荷作用時,可以不考慮應力集中的影響,但動應力下仍需考慮,對于組織均勻的脆性材料,應力集中將顯著降低構件的強度,不僅動應力作用下要考慮,就是在靜載荷作用下也要考慮。而對于組織粗糙的脆性材料(如鑄鐵),材料本身就有許多雜質、孔隙,即有嚴重的應力集中,外形改變所引起的應力集中則處于次要地位,可以不考慮。因此,從對應力集中的敏感性考慮,對于有嚴重應力集中的構件應選用塑性好的材料。(4)金屬材料往往強度越高,韌性越低。圖4.16示出了某種高強度鋼s0.2與Ｋ1c的關系。從強度的觀點來看,

s0.2值越高越好,但隨著s0.2值的增高,Ｋ1c值嚴重降低,這將導致產生低應力脆斷。因此,不能只強調材料的強度指標,而忽略了材料的韌性指標。應二者兼顧。第30頁/共33頁§2－6材料在拉伸和壓縮時的力學性能(小結)材料的力學性質是構件強度、剛度和穩(wěn)定計算的重要組成部分,也是合理選用材料和改進材料的主要依據。主要內容:1,材料的力學性能是通過試驗確定的。影響材料力學性能的因素很多,因此,試驗必須嚴格按規(guī)范條件進行。材料的應力一應變曲線是反映材料力學性能的基本資料,應掌握常用工程材料的應力一應變曲線。低碳鋼拉伸應力一應變曲線具有典型性和基礎性,它全面地顯示出材料的力學性能,如E,m,sp,se,ss,sb,d,y等。對于其它材料的力學性能可與低碳鋼對比,并注意其特點。