材料力学(土木类)第二章轴向拉压.ppt

2-72-7 材料在拉伸和压缩时的力学性能材料在拉伸和压缩时的力学性能 力学性能力学性能材料受力时在强度和变形方面所表材料受力时在强度和变形方面所表现出来的性能。现出来的性能。力学性能力学性能取决于取决于内部结构内部结构外部环境外部环境由试验方式获得由试验方式获得 本节讨论的是常温、静载、轴向拉伸（或压缩）本节讨论的是常温、静载、轴向拉伸（或压缩）变形条件下的力学性能。变形条件下的力学性能。试验条件：常温试验条件：常温(20)(20)；静载（及其缓慢地加载）；静载（及其缓慢地加载）试件试件：dh 、材料的拉伸和压缩试验、材料的拉伸和压缩试验 试验仪器：万能材料试验机试验仪器：万能材料试验机、低碳钢试样的拉伸图及低碳钢的力学性能、低碳钢试样的拉伸图及低碳钢的力学性能 1 1、拉伸图、拉伸图 四个阶段：四个阶段：荷载荷载伸长量伸长量 (1)(1)弹性阶段弹性阶段(2)(2)屈服阶段屈服阶段(3)(3)强化阶段强化阶段(4)(4)局部变形阶段局部变形阶段为了消除掉试件尺寸的影响，将试件拉伸图转变为为了消除掉试件尺寸的影响，将试件拉伸图转变为材料的应力材料的应力应变曲线图。应变曲线图。图中：图中：A 原始横截面面积原始横截面面积 名义应力名义应力l 原始标距原始标距 名义应变名义应变2 2、拉伸过程四个阶段的变形特征及应力特征点、拉伸过程四个阶段的变形特征及应力特征点：(1)(1)、弹性阶段、弹性阶段OB此阶段试件变形完全是弹性的，此阶段试件变形完全是弹性的，且且与与成线性关系成线性关系E 线段线段OA的斜率的斜率比例极限比例极限p 对应点对应点A弹性极限弹性极限e 对应点对应点B(2)(2)、屈服阶段、屈服阶段此阶段应变显著增加，但应力基本此阶段应变显著增加，但应力基本不变不变屈服屈服现象。现象。产生的变形主要是塑性产生的变形主要是塑性的。的。抛光的试件表面上可见抛光的试件表面上可见大约与轴线成大约与轴线成45 的滑移的滑移线。线。屈服极限屈服极限 对应点对应点D（屈服低限）屈服低限）(3)(3)、强化阶段、强化阶段 此阶段材料抵抗变形的能力有所增强。此阶段材料抵抗变形的能力有所增强。强度极限强度极限b 对应对应点点G (拉伸强度拉伸强度)，最大名义应力最大名义应力此阶段如要增加应此阶段如要增加应变，必须增大应力变，必须增大应力材料的强化材料的强化强化阶段的卸载及再加载规律强化阶段的卸载及再加载规律 若在强化阶段卸载，若在强化阶段卸载，则卸载过程则卸载过程 -关关系为直线。系为直线。立即再加载时，立即再加载时，-关系起初基本上沿关系起初基本上沿卸载直线卸载直线(cb)上升上升直至当初卸载的荷直至当初卸载的荷载，然后沿卸载前载，然后沿卸载前的曲线断裂的曲线断裂冷作冷作硬化硬化现象。现象。e_ 弹性应变弹性应变p 残余应变（塑性）残余应变（塑性）冷作硬化对材料力学性能的影响冷作硬化对材料力学性能的影响pb不变不变p(4)(4)、局部变形阶段、局部变形阶段试件上出现急剧局部横截面收试件上出现急剧局部横截面收缩缩颈缩颈缩，直至试件断裂。，直至试件断裂。伸长率伸长率断面收缩率：断面收缩率：A1 断口处最断口处最小横截面面积。小横截面面积。（平均塑性伸长率）（平均塑性伸长率）Q235钢的主要强度指钢的主要强度指标：标：Q235钢的塑性指标：钢的塑性指标：Q235钢的弹性指标：钢的弹性指标：通常通常 的材料称为的材料称为塑性材料塑性材料；的材料称为的材料称为脆性材料脆性材料。3、低碳钢拉伸破坏断面、低碳钢拉伸破坏断面、其他金属材料在拉伸时的力学性能、其他金属材料在拉伸时的力学性能 锰钢没有屈服和局部变形阶锰钢没有屈服和局部变形阶段段强铝、退火球墨铸铁没有明强铝、退火球墨铸铁没有明显屈服阶段显屈服阶段共同点：共同点：d d 5%5%，属塑性材料属塑性材料无屈服阶段的塑性材料，以无屈服阶段的塑性材料，以p0.2作为其名义屈服极限，称为作为其名义屈服极限，称为规定规定非比例伸长应力非比例伸长应力或或屈服强屈服强度度。p0.2对应于对应于p=0.2%时时的应力值的应力值灰口铸铁轴向拉伸试验灰口铸铁轴向拉伸试验灰口铸铁在拉伸时的灰口铸铁在拉伸时的 曲线曲线特点：特点：1、曲线从很低应力曲线从很低应力水平开始就是曲线；采用割水平开始就是曲线；采用割线弹性模量线弹性模量2、没有屈服、强化、局部、没有屈服、强化、局部变形阶段，只有唯一拉伸强变形阶段，只有唯一拉伸强度指标度指标b3、伸长率非常小，拉伸强伸长率非常小，拉伸强度度b基本上就是试件拉断时基本上就是试件拉断时横截面上的真实应力横截面上的真实应力。典型的脆性材料典型的脆性材料铸铁试件在轴向拉伸时的破坏断面：铸铁试件在轴向拉伸时的破坏断面：1 1、压缩试样、压缩试样 圆截面短柱体圆截面短柱体正方形截面短柱体正方形截面短柱体、金属材料在压缩时的力学性能、金属材料在压缩时的力学性能 压缩压缩拉伸拉伸2 2、低碳钢压缩时、低碳钢压缩时 的曲线的曲线 特点：特点：1 1、低碳钢拉、压时的、低碳钢拉、压时的s以以及弹性模量及弹性模量E基本相同。基本相同。2、材料延展性很好，不、材料延展性很好，不会被压坏。会被压坏。特点：特点：1 1、压缩时的、压缩时的b和和d 均比拉伸时大得多，宜做受压构件；均比拉伸时大得多，宜做受压构件；2 2、即使在较低应力下其、即使在较低应力下其 也只近似符合胡克定律也只近似符合胡克定律;3 3、试件最终沿着与横截面大致成、试件最终沿着与横截面大致成 50 55 的斜截面发的斜截面发生错动而破坏。生错动而破坏。3 3、灰口铸铁压缩时的、灰口铸铁压缩时的 曲线曲线端面润滑时端面润滑时端面未润滑时端面未润滑时、几种非金属材料的力学性能、几种非金属材料的力学性能 1 1、混凝土：拉伸强度很小，结构计算时一般不加以、混凝土：拉伸强度很小，结构计算时一般不加以考虑考虑;使用标准立方体试块测定其压缩时的力学性能。使用标准立方体试块测定其压缩时的力学性能。特点特点:(1)、直线段很短，在变形不、直线段很短，在变形不大时突然断裂；大时突然断裂；(2)、压缩强度压缩强度b及破坏形式及破坏形式与端面润滑情况有关；与端面润滑情况有关；(3)、以、以 曲线上曲线上=0.4b的点与原点的连线确定的点与原点的连线确定“割线割线弹性模量弹性模量”。2 2、木材、木材木材属木材属各向异性材料各向异性材料其力学性能具有方向性其力学性能具有方向性亦可认为是亦可认为是正交各正交各向异性材料向异性材料其力学性能具有三个其力学性能具有三个相互垂直的对称轴相互垂直的对称轴特点：特点：1 1、顺纹拉伸强度很高，但、顺纹拉伸强度很高，但受木节等缺陷的影响波动；受木节等缺陷的影响波动；2 2、顺纹压缩强度稍低于顺、顺纹压缩强度稍低于顺纹拉伸强度，但受木节等缺纹拉伸强度，但受木节等缺陷的影响小。陷的影响小。3 3、横纹压缩时可以比例极、横纹压缩时可以比例极限作为其强度指标。限作为其强度指标。4 4、横纹拉伸强度很低，工、横纹拉伸强度很低，工程中应避免木材横纹受拉。程中应避免木材横纹受拉。松木顺纹拉伸、压缩和横纹压缩时的松木顺纹拉伸、压缩和横纹压缩时的s s e e 曲线曲线许用应力许用应力 和弹性和弹性模量模量 E 均应随应力方均应随应力方向与木纹方向倾角不向与木纹方向倾角不同而取不同数值。同而取不同数值。3 3、玻璃钢、玻璃钢玻璃纤维的不同排列方式玻璃纤维的不同排列方式玻璃纤维与热固性树脂粘合而成的玻璃纤维与热固性树脂粘合而成的复合材料复合材料力学性能力学性能玻璃纤维和树脂的性能玻璃纤维和树脂的性能玻璃纤维和树脂的相对量玻璃纤维和树脂的相对量材料结合的方式材料结合的方式纤维单向排列的玻璃钢沿纤维方向拉伸时的纤维单向排列的玻璃钢沿纤维方向拉伸时的 曲线曲线特点：特点：1、直至断裂前、直至断裂前 基基本是线弹性的；本是线弹性的；2 2、由于纤维的方向性，、由于纤维的方向性，玻璃钢的力学性能是各玻璃钢的力学性能是各向异性的。向异性的。2-8 2-8 应力集中的概念应力集中的概念应力集中应力集中由于杆件横截面突然变化而引起的应由于杆件横截面突然变化而引起的应力局部骤然增大的现象。力局部骤然增大的现象。截面尺寸截面尺寸变化越剧变化越剧烈，应力烈，应力集中就越集中就越严重。严重。理论应力集中因数理论应力集中因数：具有小孔的均匀受拉平板具有小孔的均匀受拉平板下标下标t 表示是对应于正应表示是对应于正应力的理论应力集中因数力的理论应力集中因数nom 截面突变的横截面上截面突变的横截面上max作用点处的作用点处的名义应力；轴向拉压时为横截面上的平均应力。名义应力；轴向拉压时为横截面上的平均应力。应力集中对强度的影响：应力集中对强度的影响：理想弹塑性材料制成的杆件受静荷载时理想弹塑性材料制成的杆件受静荷载时荷载增大进荷载增大进入弹塑性入弹塑性极限荷载极限荷载弹性阶段弹性阶段均匀的脆性材料均匀的脆性材料或塑性差的材料或塑性差的材料非均匀的脆性材非均匀的脆性材料，如铸铁料，如铸铁塑性材料、静荷载塑性材料、静荷载不考虑应力集中的影响不考虑应力集中的影响要考虑应力集中的影响要考虑应力集中的影响动荷载动荷载