第六章材料拉伸时力学性能精选文档.ppt

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1、第六章材料拉伸时力学性能本讲稿第一页，共十九页 6.1 材料在拉伸材料在拉伸(压缩压缩)时的力学性能时的力学性能 材材料料的的力力学学性性能能是是指指材材料料在在外外力力作作用用下下表表现现出出的的变变形形和和破破坏方面的特性。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，在室温下，以缓慢平稳加载的方式进行的拉伸试验，称为称为常温、静载拉伸试验。常温、静载拉伸试验。试试件件中中：d为为圆圆试试件件直直径径，l为为试试件件的的有有效效长长度度，称称为为标距；标距；A为板试件的横截面积。为板试件的横截面积。圆截面：圆截面：矩形截面：矩形截面：=11.3 =5.65 本讲稿第二页，共十

2、九页6.1.1 低碳钢在轴向拉伸时的力学性能低碳钢在轴向拉伸时的力学性能 试验过程中的轴力试验过程中的轴力FN（在数值上等于载荷（在数值上等于载荷 P的的数值）和对应的试件伸长量数值）和对应的试件伸长量l绘成绘成Pl曲线，称曲线，称为为“拉伸曲线拉伸曲线”为了消除尺寸的影响，获得反映材料性能的曲为了消除尺寸的影响，获得反映材料性能的曲线，将纵坐标线，将纵坐标P和横坐标和横坐标l（标距的伸长量）分别（标距的伸长量）分别除以试件的初始截面积除以试件的初始截面积A0和标距和标距l0，得到材料拉伸，得到材料拉伸时的应力一应变曲线，即时的应力一应变曲线，即一一曲线。曲线。本讲稿第三页，共十九页（1）低碳

3、钢拉伸曲线的四个阶段）低碳钢拉伸曲线的四个阶段 弹性阶段（弹性阶段（ob）比例极限比例极限p 材料应力应变成正比的最大应力值材料应力应变成正比的最大应力值弹性极限弹性极限e 材料只出现弹性变形的应力极限值材料只出现弹性变形的应力极限值 （比例系数）（比例系数）E为与材料有关的比例常数，随材料不同而异。为与材料有关的比例常数，随材料不同而异。当当 时，时，由此说明表明材料的刚性的大，由此说明表明材料的刚性的大小。小。本讲稿第四页，共十九页流动阶段（屈服阶段）（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

4、动的最小应力和最大应力分别称为现摆动，摆动的最小应力和最大应力分别称为屈服下限屈服下限和和屈屈服上限服上限。屈服下限数值较为稳定，不太受加载速率的影响，将其。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定义为材料屈服极限s 。现象：现象：磨光试件表面出现与轴线成磨光试件表面出现与轴线成45 倾角条纹倾角条纹滑移线，滑移线，是由于材料晶格发生相对滑移所造成。材料产生显著塑性变是由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。形，影响构件正常使用，应避免出现。应力特征值应力特征值：屈服极限：屈服极限s衡量材料强度的重要指标衡量材料强度的重要

5、指标 本讲稿第五页，共十九页强化阶段强化阶段（ce）强强化化现现象象：材料恢复抵抗：材料恢复抵抗变变形的能力，要使形的能力，要使应变应变增加，必增加，必须须增大增大应应力力值值。曲线表现为上升阶段。曲线表现为上升阶段。应应力特征性力特征性：强强度极限度极限 材料能承受的最大应力值。材料能承受的最大应力值。冷作硬化冷作硬化材料材料预预拉到拉到强强化化阶阶段，使之段，使之发发生塑性生塑性变变形，形，然后卸然后卸载载，当再次加，当再次加载时载时弹弹性极限性极限 和和屈服极限屈服极限 提高、提高、塑塑性性降低的现象。工程上常用冷作硬化来提高某些材料在弹性范围降低的现象。工程上常用冷作硬化来提高某些材料

6、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都要作预拉处理。但冷作硬化使材料变硬、变脆，使加工发生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。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

7、硬化后立即加载时的数值，这种现象称为于冷作硬化后立即加载时的数值，这种现象称为“时效时效”。本讲稿第六页，共十九页颈缩阶段颈缩阶段(ef)在该阶段试件局部区域明显呈杯状变细，故称为在该阶段试件局部区域明显呈杯状变细，故称为颈缩颈缩阶段阶段。在颈缩阶段，应力一应变曲线呈下降状态，直到试。在颈缩阶段，应力一应变曲线呈下降状态，直到试件断裂。件断裂。实验指出，在弹性范围内，纵向应变实验指出，在弹性范围内，纵向应变x与横向应变与横向应变y之间存之间存在下列关系：在下列关系：y=-x在弹性范围在弹性范围内内基本为定值，其数基本为定值，其数值范围为值范围为00.5。超出弹性范围超出弹性范围值逐步值逐步增大

8、至增大至0.5。工程常用。工程常用材料在弹性范围内的材料在弹性范围内的值及弹性模量值及弹性模量E值列于值列于表表61。本讲稿第七页，共十九页低碳钢拉伸试验现象：低碳钢拉伸试验现象：屈服：屈服：颈缩：颈缩：断裂：断裂：本讲稿第八页，共十九页6.1.2 铸铁在轴向拉伸时的力学性能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铸铁拉伸直到断裂，应力和应变近似地呈现直线关系（图线关系（图64）。因此，铸铁直至断裂都满足胡）。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克定律。铸铁拉伸直到断裂，试件尺寸几乎没有变化，所以，化，所以，铸铁是脆性材料铸铁是脆性

9、材料。脆性材料的强度指标。脆性材料的强度指标是强度极限外是强度极限外b，它等于试件断裂载荷除以试件，它等于试件断裂载荷除以试件的原横截面面积。的原横截面面积。O 本讲稿第九页，共十九页6.1.3 强度指标和塑性指标强度指标和塑性指标 从从强强度度考考虑虑，低低碳碳钢钢的的强强度度指指标标为为屈屈服服极极限限s s和和强强度度极极限限b；铸铸铁铁的的强强度度指指标标为为强强度度极极限限b b 。从从变变形形考考虑虑，可可以以得得到到材材料料的的延延伸伸率率和和面面积积收缩率收缩率。延延伸伸率率定定义义为为试试件件在在断断裂裂后后的的工工作作标标距距的的相对伸长，且用百分数表示，即相对伸长，且用百

10、分数表示，即 面面积积收收缩缩率率定定义义为为试试件件预预缩缩的的截截面面面面积积相相对于试件的原横截面面积的百分数，即对于试件的原横截面面积的百分数，即 本讲稿第十页，共十九页 延伸率延伸率5%的材料，称为的材料，称为塑性材料塑性材料；延伸率；延伸率5%的材料的材料,称为称为脆性材料脆性材料。本讲稿第十一页，共十九页6.1.4 低碳钢和铸铁在轴向压缩时的力学任能低碳钢和铸铁在轴向压缩时的力学任能 压压缩缩的的线线性性段段与与拉拉伸伸的的线线性性段段相相同同，且且压压缩缩的的屈屈服服极极限限在在数数值值上上与与拉拉伸伸的的屈屈服服极极限限相相同同。低低碳碳钢钢的的压压缩缩变变形形，随随载载荷荷

11、增增加加开开始始成成鼓鼓形形，然然后后成成饼饼形形，不不发发生生断断裂裂破破坏坏。铸铸铁铁在在轴轴向向压压缩缩时时，产生斜断口的断裂（图产生斜断口的断裂（图68）。粗短圆柱体：粗短圆柱体：h0=13d0本讲稿第十二页，共十九页O拉伸试验拉伸试验b灰铸铁压缩灰铸铁压缩试验现象试验现象：本讲稿第十三页，共十九页6.1.5 非金属材料在轴向拉（压）时的力学性能非金属材料在轴向拉（压）时的力学性能（l）混凝土、石料）混凝土、石料（2）木材）木材（3）单向复合材料（单向极）单向复合材料（单向极）本讲稿第十四页，共十九页 6.2 材料在高温和动载荷时的力学性能材料在高温和动载荷时的力学性能 6.2.1 材

12、料在高温和动载荷时的力学性能材料在高温和动载荷时的力学性能 本讲稿第十五页，共十九页 图图612和图和图613可以看出可以看出：（l）强强度度极极限限b开开始始随随温温度度增增加加，当当温温度度在在250350之之间间时时b最大，当温度再升高时最大，当温度再升高时b显著下降显著下降。（2）流流动动极极限限s和和比比例例极极限限p随随温温度度升升高高而而下下降降。到到 300 350 后，流动阶段消失。后，流动阶段消失。（3）延延伸伸率率和和截截面面收收缩缩率率在在250250350 350 时时最最低低，此此时时钢钢材呈现一定程度的脆性，以后材呈现一定程度的脆性，以后和和又又随温度上升而增加。

13、随温度上升而增加。（4）弹性模量）弹性模量E随温度上升而一直下降，泊松比随温度上升而一直下降，泊松比则一直上升。则一直上升。6.2.2 6.2.2 高温蠕变和应力松弛高温蠕变和应力松弛高温蠕变和应力松弛高温蠕变和应力松弛 （l）蠕变现象蠕变现象 （2）松弛现象）松弛现象 本讲稿第十六页，共十九页6.2.3 在动载荷下应变速率对材料力学性能的影响在动载荷下应变速率对材料力学性能的影响在动载荷下应变速率对材料力学性能的影响在动载荷下应变速率对材料力学性能的影响本讲稿第十七页，共十九页6.3 安全系数安全系数 许用应力许用应力 通常把材料破坏的极限应力通常把材料破坏的极限应力u除以大于除以大于1的数

14、的数n作为许用应力，用作为许用应力，用表示，即表示，即 n称为安全系数称为安全系数,对于塑性材料对于塑性材料,u为屈服极限为屈服极限s，对于脆性材料，对于脆性材料,u为强度极限为强度极限b。为什么采用安全系数，基于下面两个方面的原为什么采用安全系数，基于下面两个方面的原因：因：本讲稿第十八页，共十九页（l）在强度计算中，有些数据与实际有差异）在强度计算中，有些数据与实际有差异,这些差异都以安全系数的形式来考虑。这些差异都以安全系数的形式来考虑。（2）给构件以一定的强度储备，一般在静载荷）给构件以一定的强度储备，一般在静载荷下，对塑性材料取下，对塑性材料取ns=1.21.5，对脆性材料，对脆性材料取取ns=23.5 合合理理选选择择安安全全系系数数是是一一个个比比较较复复杂杂的的问问题题，安安全全系系数数偏偏大大会会造造成成材材料料的的浪浪费费，偏偏小小又又可可能能造造成成破破坏坏事事故故。所所以以安安全全系系数数的的确确定定是是关关系系到到安安全全与与经经济济的的大大问问题题，一一般般由由国国家家专专门门机机关关在在规规范范中中作作出出具具体体的的规规定定。随随着着科科学学技技术术的的发发展展和和人人们们对对客客观观规规律律认认识识得得愈愈深深入，安全系数也就可以取得低些。入，安全系数也就可以取得低些。本讲稿第十九页，共十九页