材料力學（第2版）課件：材料力學性能及實驗應力分析基礎

材料的力學性能MechanicalPropertiesofMaterials材料的力學性能MechanicalPropertiesofMaterials5.1材料拉伸時的力學性能5.2材料壓縮時的力學性能5.3材料的塑性性質與殘余應力*5.4復合材料及其力學性能*5.5電測法的原理和應用5.1材料拉伸時的力學性能5.1

材料拉伸時的力學性能材料的強度、剛度、穩(wěn)定性與材料的力學性能有關力學性能(機械性質):材料在外力作用下表現(xiàn)出的變形和破壞等方面的特性。加載方式：常溫靜載(緩慢加載)試驗儀器：萬能試驗機5.1

材料拉伸時的力學性能1、拉伸試驗的目的A、測定低碳鋼拉伸的力學性能。B、測定灰口鑄鐵的抗拉強度。2、試驗儀器A、萬能試驗機C、觀察低碳鋼拉伸過程中的各種現(xiàn)象，并繪制拉伸曲線。B、游標卡尺C、試樣刻線機5.1

材料拉伸時的力學性能

試樣的形狀，加工精度，加載速度以及試驗環(huán)境由國家標準《金屬拉伸試驗方法》有統(tǒng)一規(guī)定。

標準拉伸試樣：試驗段的長度l

稱為標距對于試驗段直徑為d

的圓截面試樣，通常規(guī)定5.1

材料拉伸時的力學性能試驗過程試樣裝卡，啟動計算機軟件及數據采集系統(tǒng)；開動試驗機，緩慢加載；隨著載荷F

的增大，試樣逐漸被拉長，直至拉斷；計算機軟件繪出拉力F和變形Dl的關系曲線；關閉試驗機，整理試驗數據。把拉力F除以試樣原始橫截面面積A得到正應力s把變形Dl除以標距原始長度l得到正應變eF~Dl關系曲線轉換為s~e

曲線5.1

材料拉伸時的力學性能低碳鋼Q235拉伸時的力學性能四個階段彈性階段屈服階段強化階段局部變形（頸縮）階段屈服階段強化階段頸縮階段彈性階段5.1

材料拉伸時的力學性能低碳鋼Q235拉伸時的力學性能-彈性階段Oa段應力與應變成正比彈性模量E是直線Oa的斜率Q235E≈200GPa直線部分的最高點a所對應的應力稱為

比例極限，spOa段材料處于線彈性階段ab段不再為直線，但解除拉力后變形仍可完全消失（彈性變形），材料只出現(xiàn)彈性變形的極限值---彈性極限，se5.1

材料拉伸時的力學性能當應力大于彈性極限后，若再解除拉力，則試樣會留下一部分不能消失的變形---塑性變形。由于彈性極限和比例極限極為接近，因此工程上并不對此嚴格區(qū)分。5.1

材料拉伸時的力學性能低碳鋼Q235拉伸時的力學性能-屈服階段應力基本保持不變，應變顯著增加

屈服/流動表面磨光的試樣屈服時，表面將出現(xiàn)與軸線大致成45°傾角的條紋，這是由于材料內部相對滑移形成的，稱為滑移線。5.1

材料拉伸時的力學性能低碳鋼Q235拉伸時的力學性能-屈服階段上屈服極限的數值與試件形狀、加載速度等因素有關，一般是不穩(wěn)定的。下屈服極限則有比較穩(wěn)定的數值，能夠反映材料的性能通常把下屈服極限稱為屈服極限或屈服強度

材料屈服表現(xiàn)為顯著的塑性變形，而零件的塑性變形將影響機器的正常工作，所以屈服極限是衡量材料強度的重要指標Q235ss≈235MPa5.1

材料拉伸時的力學性能低碳鋼Q235拉伸時的力學性能-強化階段過屈服階段后，材料又恢復了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形，必須增加拉力，這種現(xiàn)象稱為材料的強化。最高點e所對應的應力：材料所能承受的最大應力，稱為強度極限或抗拉極限，它是衡量材料強度的另一個重要指標。在強化階段中，試樣的橫向尺寸有明顯的縮小。Q235sb≈380MPa5.1

材料拉伸時的力學性能低碳鋼Q235拉伸時的力學性能-頸縮階段粗糙平口

光澤斜口約45°5.1

材料拉伸時的力學性能低碳鋼Q235拉伸時的力學性能-頸縮階段5.1

材料拉伸時的力學性能低碳鋼Q235拉伸時的力學性能-塑性指標材料經受較大塑性變形而不被拉斷的能力稱為延性或塑性。材料的塑性用延伸率或斷面收縮率度量。延伸率定義為：斷面收縮率定義為：材料的延伸率和斷面收縮率值越大，說明材料塑性越好。工程中:習慣上把d≥5%稱為塑性材料d

<5%為脆性材料5.1

材料拉伸時的力學性能卸載和再加載性質如果把試件拉到超過屈服極限的d點:此時卸載應力應變關系沿dd’回到d’點dd’與Oa平行卸載過程中，應力和應變按照直線規(guī)律變化5.1

材料拉伸時的力學性能卸載和再加載性質卸載后短期內再次加載:再次加載時，直到d點以前的材料的變形都是彈性的，過了d點才開始出現(xiàn)塑性變形。第二次加載時，其比例極限得到了提高，但是塑性變形和延伸率卻有所下降，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化5.1

材料拉伸時的力學性能低碳鋼Q235拉伸時的力學性能-卸載和再加載性質

工程中經常利用冷作硬化來提高材料的彈性階段，如起重的鋼絲繩和建筑用的鋼筋，常以冷拔工藝提高強度。又如對某些零件進行噴丸處理，使其表面發(fā)生塑性變形，形成冷硬層，以提高零件表面層的強度。但另一方面，零件初加工后，由于冷作硬化使材料變硬變脆，給下一步加工造成困難，很容易產生裂紋，往往需要在工序之間安排退火，以消除冷作硬化的影響。5.1

材料拉伸時的力學性能低碳鋼Q235拉伸時的力學性能-溫度的影響

低碳鋼在溫度升高到300℃以后，隨著溫度的升高，其彈性模量、屈服極限和強度極限均降低，而延伸率則提升高；而在低溫情況下，低碳鋼的強度提高，塑性降低。鑄鐵拉伸時的力學性能鑄鐵的拉伸應~應變關系圖如下：彈性模量E以總應變?yōu)?.1%時的割線斜率來度量~割線彈性模量。破壞時沿橫截面拉斷。

鑄鐵拉伸沒有屈服現(xiàn)象，強度極限sb是衡量強度的唯一指標。

鑄鐵等脆性材料的抗拉強度很低，所以不宜作為抗拉構件的材料。5.1

材料拉伸時的力學性能5.1

材料拉伸時的力學性能其他塑性材料拉伸時的力學性能有些材料明顯的四個階段有些材料沒有屈服、頸縮階段，但有彈性階段和強化階段對于沒有明顯屈服點的塑性材料，規(guī)定以產生0.2%的塑性應變時的應力作為屈服指標，稱為名義屈服極限。5.2材料壓縮時的力學性能5.2材料壓縮時的力學性能壓縮試樣：

金屬材料的壓縮試樣一般都制成很短的圓柱，以免被壓彎(參考壓桿穩(wěn)定)，圓柱高度約為直徑的1.5~3倍?；炷?、石料等則制成立方體的試塊。d0h0粗短圓柱體：h0=1~3d05.2材料壓縮時的力學性能低碳鋼壓縮時的s

~e曲線1.兩類試驗時的E

以及大致相等2.得不到壓縮時的3.只能壓扁5.2材料壓縮時的力學性能鑄鐵壓縮時的s

~e曲線1.同較小變形情況下突然破壞2.異

a.壓縮時的

高出拉伸時的4—5倍

b.受壓后形成鼓形，具有明顯的塑性變形，破壞是500

左右斜斷口鑄鐵試驗結果(與拉伸試驗比較)5.2材料壓縮時的力學性能混凝土壓縮時的s

~e曲線

混凝土在壓縮試驗中的破壞形式，與兩端壓板和試塊的接觸面的潤滑條件有關。潤滑不好上圖中(b)的情況；潤滑較好上圖中(c)的情況5.2材料壓縮時的力學性能部分常用材料的力學性能5.3材料的塑性性質與殘余應力*5.3材料的塑性性質與殘余應力1、金屬材料的塑性性質

從塑性材料的應力應變曲線中可以看出:雖然一般要求構件中的應力必須小于屈服極限，但是只要應力小于ss，構件都不會破壞，因此有時也會使構件中的最大應力達到或超過ss，以充分利用材料。5.3材料的塑性性質與殘余應力

若材料有較長的屈服階段，且應變未超過這一階段，或者材料的強化程度不明顯，則可將其應力應變曲線簡化:理想彈塑性材料5.3材料的塑性性質與殘余應力

對強化比較明顯的材料，則可以用斜直線表示強化階段。線形強化彈塑性材料5.3材料的塑性性質與殘余應力2、梁的彈塑性分析當彎矩M增加到一定程度時，在正應力最大的上下邊緣處開始屈服，出現(xiàn)塑性變形。=ss=ss此時的彎矩Mt稱為彈性極限彎矩。5.3材料的塑性性質與殘余應力隨著彎矩的繼續(xù)增加，截面靠近上下各邊緣點的材料相繼屈服，形成塑性區(qū)。塑性區(qū)塑性區(qū)彈性區(qū)繼續(xù)增加彎矩，塑性區(qū)擴大到整個截面，各點的應力均達到屈服極限，梁處于塑性極限狀態(tài)5.3材料的塑性性質與殘余應力塑性極限狀態(tài)下的塑性極限彎矩Mp對于矩形截面梁而言，考慮材料的塑性性質后，其極限承載能力比彈性極限承載能力提高了50%。5.3材料的塑性性質與殘余應力3、殘余應力

在載荷作用下的構件，當其某些局部超過屈服點時，這些局部將發(fā)生塑性變形，而其余部分還是彈性的。如再將載荷卸除，已經發(fā)生塑性變形的部分由于不能恢復其原來的尺寸，必將阻礙彈性部分的變形的恢復，從而引起內部相互作用的應力，這種應力稱為殘余應力。

在實際工程中，如對構件進行鍛壓、焊接等加工時，經常會產生殘余應力，導致構件變形，強度降低，因此人們探索了各種方法來降低或消除殘余應力，如自然時效、熱處理時效、振動時效等。

但是殘余應力也有其有利的一面，工程中常用的預應力方法就是采用了殘余應力。5.4復合材料及其力學性能*5.4復合材料及其力學性能復合材料的特點和力學性能

復合材料是指兩種或兩種以上互不相容的材料通過一定的方式組合成的一種新材料。例如玻璃鋼、膠合板、鋼筋混凝土等。

組成復合材料的材料分為基體材料和增強材料。

基體材料:樹脂、金屬、非金屬材料

增強材料:各種纖維材料。

增強材料在復合材料中起主要作用，由它提供復合材料的強度和剛度。基體材料起配合作用，它支持和固定纖維材料，傳遞纖維間載荷，保護纖維，防止摩擦或腐蝕，改善復合材料的某些性能。5.4復合材料及其力學性能復合材料的特點和力學性能

與一般金屬材料相比，主要有以下特點:

1、比強度、比模量高。在同等重量下具有更高的強度和剛度。復合材料重量輕，強度高。

2、具有可設計性。纖維和基體材料的用量的不同，鋪設方式的不同。

3、各項異性嚴重。由于纖維的鋪設是有方向性的，因此復合材料在沿纖維方向和垂直于纖維方向的性能是不同的。5.4復合材料及其力學性能5.4復合材料及其力學性能復合材料的特點和力學性能

由于復合材料具有的一些特殊優(yōu)點，因此被廣泛應用于航空、航天、交通、建筑、機械、能源、生物醫(yī)學和體育運動中，可以預言，21世紀復合材料將占主導地位，隨著復合材料更廣泛的開發(fā)和應用，業(yè)已形成的復合材料力學學科將更加蓬勃發(fā)展。5.5電測法的原理和應用5.5電測法的原理和應用

理論計算的結果是否正確，往往也必須經過實驗驗證，因此在工程實際中經常采用實驗的方法來研究和了解結構或構件的應力，這種方法稱為實驗應力分析。實驗應力分析的方法主要有:

電阻應變測量法；光彈性法；云紋法；

X光衍射法等。5.5電測法的原理和應用1、應變電阻效應及電阻應變片金屬絲的電阻公式:電阻電阻率金屬絲長度金屬絲截面積若該金屬絲沿軸向伸長DL

，則電阻相應改變DR

，兩者之間存在關系Ks被稱為金屬絲的靈敏系數。5.5電測法的原理和應用1、應變電阻原理

將金屬絲繞成柵狀以增大電阻值，這樣制成的元件稱為電阻應變片。常見的電阻應變片有絲繞式和箔式，并用康銅作為絲材。實測現(xiàn)場貼應變片5.5電測法的原理和應用2、電阻應變片測量電路

將電阻應變片牢固的粘貼在被測構件表面某一測點處，則隨著構件沿應變片軸向發(fā)生變形，應變片電阻值也產生相應變化。測量該電阻值的改變量，可得測點處沿應變片方向的線應變值。由于測點的應變量較小，引起應變片和相應電阻的變化量也很小，通常采用橋式電路來測量。

R1R2R4R3若R1、R2為應變片，而R3、R4為標準電阻，稱為半橋，若R1、R2、R3、R4均為應變片，則稱為全橋。5.5電測法的原理和應用2、電阻應變片測量電路R1R2R4R3當電路滿足關系：UBD=0

當某一個電阻發(fā)生變化，電橋失去平衡，UBD不為零。通過對其大小的分析，可以推算出相應的電阻變化量以及相應的線性變的大小。

具體請參考《工程力學實驗指導書》5.5電測法的原理和應用3、電阻應變儀

電阻應變儀的作用是將電阻應變片接入其電橋電路，將應變的變化信號轉化為電壓信號，經放大器放大后由檢測儀器指示出應變數值的專用儀器。應變儀可按其頻率響應范圍及指示形式，分為靜態(tài)、動態(tài)兩大類。靜態(tài)應變儀適用于測