《材料力学》第二章 轴向拉伸和压缩 第6节.ppt

材 料 力 学,第二章 轴向拉伸和压缩 (Ch2. Axial Tension and Compression),6材料在拉伸和压缩时的力学性能Mechanical Property of Materials,材料在外力作用下所呈现的有关强度和变形方面的特性，称为材料的力学性能。 材料力学性能是构件强度、刚度和稳定计算的重要组成部分，也是合理选用材料和从事新材料研究的重要依据。 材料的力学性能都要通过试验来测定。 本节主要介绍工程中常用材料在拉伸和压缩时的力学性能。 材料的力学性能除因材料不同而不同以外，还受试验条件、加力方式等很多因素的影响。同一材料在常温、高温和低温的不同条件下测得的力学性能各不相同；在快速加载下 测得的力学性能与缓慢加载条件下 测得的力学性能也有显著差别；同一材料在拉、压、扭转和弯曲不同变形形式下表现出不同的力学性能。因此应针对不同情况，分别试验，以确定不同情况下的力学性能。为了使测得的材料力学性能可以互相对比，应严格按照有关试验规范的要求进行测定。,6材料在拉伸和压缩时的力学性能Mechanical Property of Materials,. 材料的拉伸和压缩试验 (Tensile Test and Compression Test of Materials) . 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能 (Load deflection diagram in tension about mild steel) . 其它金属材料在拉伸时的力学性能 (Mechanical property of others metal materials in tension ) . 金属材料在压缩时的力学性能 (Mechanical property of metal materials in Compression) . 几种非金属材料的力学性能 (Mechanical property of some nonmetal materials),6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 材料的拉伸和压缩试验,试验条件:常温、 静载(under gradually applied lood at room temperature),试验标准:GB22887。,标准试件(Standard specimen) :,如图，圆形试件，板形试件 使用Standard specimen 便于相互比较,圆形试件又分长试件(l10d)和短试件(l5d)两种,标距(Gage Length)l,压缩试件: 短圆柱体，短棱柱体,试验设备: 万能试验机 变形仪,mild steel（软钢）低碳钢 (low-carbon steel) 如Q235号钢 Characteristic: 1,弹性阶段Elastic range; 2,屈服阶段Yield range; 3,强化阶段Hardening range; 4,颈缩阶段Necking range,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能,1,Load deflection diagram in tension about mild steel:,tensile diagram(PL),diagram:,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能,1,弹性阶段Elastic range,sp:比例极限proportional limit se:弹性极限 elastic limit,ep = 0 ( ),工程上常认为为同一点,2,屈服阶段Yield range (流动阶段Slip range),P基本不变,L却不断增加,对抛光的试件,可以看到与杆轴线约成45度方向上的条纹(滑移,线 slip lines),表明材料此时的塑性变形由剪应力(tmax =s/2)引起。 Yieldpoint (以下屈服点为准),ss:屈服极限 Yielding limit 或 流动极限 Silde limit,4,颈缩阶段Necking range (局部变形阶段 Localized deformation range) 此时在某一较弱的横截面 及其附近横向尺寸显著缩小,出 现所谓“颈缩”现象。 breaking point(f): 在F点拉断后, 弹性变形 ee 部分恢复，剩下塑 性变形 ep (plastic strain),物体进入塑性阶段后，总变形 e ee ep,3,强化阶段Hardening range sb :强度极限(抗拉强度） Ultimate strength,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能,在强化阶段后期和颈缩阶段,由于变形较大,故P/A 和e = l / l 并不能表示试件的真实应力（true stress）和 真实应变（true strain) 故： 常称为名义应力 Nominal stress (Conventional stress) e = l / l 常称为名义应变 Nominal strain (Conventional strain),6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能,卸载规律: 卸载时荷载与试样 伸长量之间遵循直 线关系的规律称为 材料的卸载规律. 在卸载过程中， 弹性变形逐渐消失, 只留下塑性变形。 如果卸载后立即再加荷载，则荷载与伸长量间基本上仍遵循着卸载时的同一直线关系，一直到开始卸载时的荷载为止. 冷作硬化 cold hardening 实质：strain hardening 冷作时效 age hardening,材料分类： 塑性材料 Ductile materials: d 脆性材料 Brittle materials: d 对Q235钢:ss240MPa,sb390MPa,d2030%,60%,材料的强度指标(The strength index of materials): sp :比例极限 se:弹性极限 ss:屈服极限 sb :强度极限 （spsess） 材料的塑性指标(The plastic index of materials): 1,伸长率 (Percentage Elongation):,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能,psi,2,断面收缩率(Percentage of Cross-section ):,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 其它金属材料在拉伸时的力学性能,常用塑性金属材料在拉伸时的力学性能,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 其它金属材料在拉伸时的力学性能,有些材料例如铝合金和退火球墨铸铁 没有屈服阶段，而其它三个阶段却很 明显；另外一些材料例如锰钢则仅有 弹性阶段和强化阶段，而没有屈服阶 段和局部变形阶段。这些材料的共同 特点是伸长率d均较大, 它们和低碳钢一样都属 于塑性材料。 对没有屈服阶段的塑性 材料，通常以塑性应变ep es 0.2%所对应的应力 确定为屈服极限强度，并称之为名义屈服极限， 标记为s0.2,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 其它金属材料在拉伸时的力学性能,典型脆性金属材料 铸铁(Cast Iron)在拉伸时的力学性能: 值很小，无屈服和“颈缩”现象。 无直线段，断裂时变形很小 强度指标只有强度极限sb ； 通常用规定某一总 应变时se曲线的 割线（图2-21中的 虚线）来代替此曲 线在开始部分的直线，从而确定其弹性 模量，并称之为割线弹性模量。,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 金属材料在压缩时的力学性能,低碳钢在压缩时的力学性能: 弹性,屈服初期与拉伸时相同， Ec=Et spc=spt ssc=sst 压 拉 mc = mt 因 A(P)故测不出sbc,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 金属材料在压缩时的力学性能,铸铁在压缩时的 力学性能: 变形很小就突然 破坏，无sSc sbc sbt 为经济的抗压材料。 破坏面与试件轴线 成大约35o39o角,表 明是因为抗剪能力不 够而断裂。,铸铁在压缩时的力学性能: 为了对比，图中示出了灰口铸 铁受压(实线)和受拉(虚线)的se 曲线。从图可知，铸铁压缩 se 曲 线也无严格的直线部分，破坏时的 应变较拉伸大,约为5。破坏面与 试件轴线大约成35o39o，表明试 件主要是剪断的。由于斜面上同时 存在正压力引起的摩擦力的影响， 所以破坏面并不在最大剪应力方向(45o)。铸铁的抗压强度比抗拉强 度高得多,约为35倍，加之价格较低廉、便于成型，因此广泛用于 制造机座、机床床身、轴承座等承压构件。,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 金属材料在压缩时的力学性能,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 几种非金属材料的力学性能,混凝土 和 天 然 石 料 压缩： 试件的破坏 形式与两端 面受到的摩擦力的大小有关。(a),(b)分别表示试件两端面不加润滑剂和加润滑剂的破坏形式。前者由于两端面横向变形受到摩擦力的阻碍,使试件中部逐渐剥落,形成两个相连的截锥体。后者由于润滑使摩擦力减小,产生纵向开裂破坏,其抗压强度也较前者小。在规范中,取立方体的边长为150mm,按前者测出的抗压强度称为标准立方体抗压强度,并用以确定混凝土或石料的等级。 sbc 10 sbt 混凝土的弹性模量规定以s0.4sb时的割线斜率来确定。,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 几种非金属材料的力学性能,混凝土压缩:混凝土是一种多相材料,内部细小裂缝多,随着受力增大,裂缝经历 稳定阶段、稳定扩展阶段和裂缝贯通非稳定扩展阶段,表现出加载曲线有明显的非 线性。由于内部硬骨料使沿裂缝滑移受阻,故其破坏也有一个渐变过程。 混凝土加载到某一点a(即使应力不大)卸载,将有塑性应变eap(图(b),但多次重复加载 和卸载后,塑性变形逐步减小。因此,工程上常以割线oa(虚线)的斜率来定义弹性模量,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 几种非金属材料的力学性能,木材的力学性能: 木材的顺纹抗拉强度很高，但因受木节等缺陷的影响，其强度极限值波动很大。木材的横纹抗拉强度很低。工程中应避免横纹受拉。木材的顺纹抗压强度虽稍低于顺纹抗拉强度，但受木节等缺陷的影响较小。 木材为各向异性材料，顺纹与横纹的力学性质相差较大。,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 几种非金属材料的力学性能,玻璃钢 等复合 材料: 由两种或两 种以上不同 性能的材料 在宏观尺度 上复合而成的新材料，称为复合材料这种材料不仅具有组成材料相互取长补短的综合性能，而且具有组成材料没有的良好性能,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 几种非金属材料的力学性能,复合材料: 复合材料一般 由基体材料和 增强材料所组 成。基体材料 可以是塑料、 金属和陶瓷等; 增强材料可以 是纤维、颗粒 和微珠。目前 在结构材料中 应用最广泛的 现代复合材料 是纤维增强塑料。其中纤维主要是玻璃纤维、碳纤维、硼纤维和芳纶纤维,基体主要是不饱和聚脂树脂、环氧树脂和酚醛树脂等。玻璃钢等复合材料的主要优点是重量轻，比强度（抗拉强度密度）高，成型工艺简单，且耐腐蚀、抗振性能好。玻璃钢的力学性能与所用的玻璃纤维（或玻璃布）和树脂的性能，以及两者的相对用量和相互结合的方式有关。,塑料的典型拉伸图: 塑料是一类品种繁多的高分子合成材料,它除了具有一定的强度、刚度和塑性以外,还具有重量轻(比重为0.92.2)、耐化学腐蚀、电绝缘性能好和易于成型加工等优点。 塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两类。 热塑性塑料:这类塑料加热软化、冷却硬化,反复加热和冷却仍具有可塑性。如聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺等。 热固性塑料:这类塑料化学反应成型后,受热和冷却不再明显改变状态.如酚醛塑料、环氧塑料、氨基塑料等。 不同品种的塑料,由于成分、分子结构的不同,其力学性质差别很大。有些属于塑性材料,有些属于脆性材料。抗拉强度值从几MPa变到上百MPa;断后伸长率从几乎为零变到百分之几百。塑料还是一种粘弹性材料,具有强烈的粘弹性性质。 塑料的主要缺点是不耐热,一般只能在100以下长期使用,少数塑料可耐200的高温;塑料在光、热、氧作用下易老化变质。为了满足使用要求,克服主要缺点,在塑料制品中常有各种添加剂;特别是通过高性能纤维增强,便制造出了性能特别优良的现代复合材料。,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 . 几种非金属材料的力学性能,塑料的典型拉伸应力一应变曲线如图所示。由图可知,它也有弹性阶段、屈服阶段和强化阶段。图中点对应的应力称为比例极限(或弹性极限)sp;点为屈服点,该点应力称为屈服强度ss;点以后的应力略有下降,变形显著增长;试件最后在c点断裂,相应应力sb为断裂强度(又称拉伸强度)。若在c点断裂,规范规定以屈服强度ss 作为断裂强度。,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 温度对材料力学性能的影响,钢材在高、低温下的力学性质: 高、低温下材料力学性质测定方法和常温下测定相同,但试件要处于相应的温度环境之中。,图4.21为某种碳钢在不同温度水平下测得的se 曲线。,图4.22为低碳钢 (合碳0.15%)的 力学性能随温度 变化的曲线。,图4.23为一 种中碳钢在不同低温条件下所得拉伸图。,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 温度对材料力学性能的影响,钢材在高、低温下的力学性质: 由以上各图显示的材料力学性能,可归纳出如下结论: 1,从室温升温,总的规律是材料的强度指标(ss, sb)随温度升高而降低,塑性指标(d,y)随温度升高而提高,弹性模量随温度升高而减小,泊松比m随温度升高而增大。 2,从室温降温,强度极限提高,但断后伸长率d降低,当温度降到-253时,材料已由塑性材料转变为脆性材料。 3,在特定的温度区间,某些指标有一些特定规律。如低碳钢的抗拉强度sb,在温度低于250时,随温度升高而增加；在250300之间sb最大,但断后伸长率d在此温度范围却有较大下降，表现出性能脆化，称为蓝脆性。,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 温度对材料力学性能的影响,温度对塑料力学性能的影响 : 塑料是一种不耐热的材料,其力学性能随温度变化很大。,图4.24为塑料的应变一温度曲线。当温度低于玻璃化温度Tg时,塑料处于玻璃态,具有一定的强度和刚度,应力-应变基本成线性关系,是塑料的使用状态。当温度高于Tg 时,塑料将转变为高弹态而成为橡胶；温度进一步升高到Tf时,又由高弹态变成粘流态。温度达到Td塑料分解。,从玻璃态到高弹态,塑料的强度、刚度性能将有大幅度降低,例如弹性模量将下降34个数量级,如图4.25。,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 粘弹性和蠕变、松弛、弹性后效的概念,1,粘弹性的概念: 理想弹性Ideal Elasticity表现为应力与应变成线性关系,服从虎克定律；理想粘性Ideal Viscosity表现为应力与应变速度成线性关系,服从牛顿粘性定律。粘弹性Viscoelasticity是介于上述两种性质之间的、既有弹性又有粘性的性质。沥青、混凝土、塑料和低熔点金属(铅及其合金等)在较低温度下就有强烈的粘弹性态。但对于碳钢要在300350以上、合金钢要在350400以上才显示明显的粘弹性态。 粘弹性的特点是应力、应变和时间的相关性。主要表现在产生蠕变Creep、应力松弛Slackness of Strss和弹性后效Elastic Aftereffect等现象上.,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 粘弹性和蠕变、松弛、弹性后效的概念,2,蠕变、松弛和弹性后效的概念: 蠕变Creep是指在恒定温度和应力作用下,材料的变形随时间增加而增加的现象。图4.26表示一条典型的蠕变曲线。图中初始应变e0是加载产生的应变,为时间。曲线(斜率代表蠕变速度)可分成三个阶段: *初始蠕变阶段,蠕变速率 由快逐渐降低； *稳定蠕变阶段,蠕变速率 为定值； *破坏蠕变阶段,蠕变速率 逐渐加大,直至破坏. 同一材料,当应力恒定、 温度提高,或温度恒定、应力提高,都会使蠕变速率加快。,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 粘弹性和蠕变、松弛、弹性后效的概念,2,蠕变、松弛和弹性后效的概念: *应力松弛Slackness of Strss是指在恒定温度和应变的条件下,材料的应力随时间的增加而减小的现象。这种现象主要由于材料的弹性变形随时间逐渐转变为塑性变形而致。 图4.27为一条典型的应力松弛曲线,s0为初始应力。,*弹性后效Elastic Aftereffect或弹性滞后是指材料在弹性阶段加载和卸载时,应变的变化滞后于应力变化的现象。因此,即使在弹性阶段卸除荷载,变形也不能全部立即恢复,而要经历一定时间后才能全部恢复。,蠕变、应力松弛和弹性后效等现象,对于处于粘弹性状态工作的材料必须加以考虑。例如,汽轮机叶轮上的叶片工作中受到离心力作用,又处于高温环境中,其蠕变变形必须要严格控制在一定限度内,否则将导致叶片变形过大而与机壳相碰的事故。,6材料在拉伸和压缩时的力学性能 粘弹性和蠕变、松弛、弹性后效的概念,26材料在拉伸和压缩时的力学性能(小结),材料主要力学性能指标: 1,弹性抗力指标有比例极限sp和弹性极限se 。应用上两者常不作区分。 2,材料刚度指标反映材料对弹性变形的抗力。有弹性模量、泊松比m和剪切模量。对于各向同性材料,三者为常数,存在关系:E/2(1+m) 对于正交各向异性材料,每一个主方向有个弹性常数,共有个独立的弹性常数。对于极端各向异性材料,则共有个独立的弹性常数(参见各向异性弹性力学)。 3,材料强度指标有屈服点ss(或名义屈服极限s0.2)、强度极限sb和疲劳极限sr. 。 4,材料塑性指标有延伸率(断后伸长率)d和截面收缩率 5,材料韧性指标有冲击韧性ak和断裂韧性K1c.,26材料在拉伸和压缩时的力学性能(小结),两类材料力学性能比较:从前面几节介绍可知，塑性材料和脆性材料的力学性能有显著的不同，为了给构件选定适宜的材料，应对它们的力学性能特点有明确的认识。 (1)塑性材料的塑性好(d5%)、韧性高,脆性材料塑性差(d5%)、韧性低。因此,需要锻压加工的构件、承受动应力作用的构件、易于产生低应力脆断的构件等宜选用塑性好、韧性高的塑性材料制作。 (2)通常塑性材料的抗拉强度比脆性材料高,而脆性材料抗压强度比抗拉强度高得多。因此,受拉构件应选用塑性材料,脆性材料适于制作基础、机座等承压构件。 (3)塑性材料因存在屈服阶段,当构件存在应力集中使局部最大应力达到屈服极限时,该应力不再增大而变形迅速增加;当外力继续增大时,增加的力就由截面上尚未屈服的材料来承担,这样就使截面上的应力趋于均匀,因此对于塑性材料在静载荷作用时,可以不考虑应力集中的影响,但动应力下仍需考虑,对于组织均匀的脆性材料,应力集中将显著降低构件的强度,不仅动应力作用下要考虑,就是在静载荷作用下也要考虑。而对于组织粗糙的脆性材料(如铸铁),材料本身就有许多杂质、孔隙,即有严重的应力集中,外形改变所引起的应力集中则处于次要地位,可以不考虑。因此,从对应力集中的敏感性考虑,对于有严重应力集中的构件应选用塑性好的材料。,(4)金属材料往往强度越高,韧性越低。图4.16示出了某种高强度钢s0.2与1c的关系。从强度的观点来看, s0.2值越高越好,但随着s0.2值的增高,1c值严重降低,这将导致产生低应力脆断。因此,不能只强调材料的强度指标,而忽略了材料的韧性指标。应二者兼顾。,26材料在拉伸和压缩时的力学性能(小结),材料的力学性质是构件强度、刚度和稳定计算的重要组成部分,也是合理选用材料和改进材料的主要依据。 主要内容:1,材料的力学性能是通过试验确定的。影响材料力学性能的因素很多,因此,试验必须严格按规范条件进行。材料的应力一应变曲线是反映材料力学性能的基本资料,应掌握常用工程材料的应力一应变曲线。低碳钢拉伸应力一应变曲线具有典型性和基础性,它全面地显示出材料的力学性能,如E,m,sp , se, ss, sb,d,y等。对于其它材料的力学性能可与低碳钢对比,并注意其特点。 2,工程材料的主要力学性能指标有：强度指标ss (或s0.2), sb等；塑性指标d,y等；刚度指标E,G, m等；韧性指标ak,K1c等。对各项性能指标的物理意义、测定