材料在拉伸時力學性能

1、16.3 6.3 材料在拉伸時的力學性能材料在拉伸時的力學性能NPAA 強度問題剛度問題 212cos 22sinPP2標準試樣標準試樣標距 l 有兩種長度：l =10dl =5d Al實驗方式：實驗方式：常溫靜載試驗常溫靜載試驗3電子式萬能實驗機4Pl 拉伸圖(力-伸長曲線) ll 應力-應變圖( - 曲線)PA 5 應力應力-應變圖的形狀表征著材料的特定的力學行為，應變圖的形狀表征著材料的特定的力學行為，對于不同的材料，應力對于不同的材料，應力-應變圖各不相同，甚至有很大應變圖各不相同，甚至有很大差異。圖差異。圖a、圖、圖b分別為分別為灰口鑄鐵灰口鑄鐵和和低碳鋼低碳鋼的應力的應力-應變應變

2、圖；圖圖；圖c則為則為某種高分子材料某種高分子材料的應力的應力-應變圖。應變圖。圖圖a 圖圖b 圖圖c6一、低碳鋼拉伸時的力學性能一、低碳鋼拉伸時的力學性能彈性階段屈服階段強(硬)化階段局部變形階段低碳鋼低碳鋼的應力的應力-應變曲線應變曲線7、彈性階段ob對應于彈性變形的對應于彈性變形的應力最高限稱為應力最高限稱為彈性極彈性極限限 e （e1astic limit）應力應力-應變曲線上的應變曲線上的直線段直線段oa稱為線彈性區(qū)，稱為線彈性區(qū)，這一區(qū)域內的應力與應這一區(qū)域內的應力與應變之比稱為材料的變之比稱為材料的彈性彈性模量（楊氏模量），模量（楊氏模量），用用記號記號 E 表示。表示。 p e

3、 1o oab 英國物理學家T.楊在1807年首先給出彈性模量的定義ab8 p e 1o oab應力應力-應變曲線上應變曲線上線線彈性區(qū)彈性區(qū)的最高應力值稱為的最高應力值稱為比例極限（比例極限（proportional limit），用），用 p 表示。表示。 當當p 時時 E拉 壓 時 的 胡 克 定 律（1687年，Hookes Law)E值表征材料的剛度196 216GPa70GPa9 12GPaEEE 0.49GPaE 碳 鋼：鋁 合 金：木材順紋： 橫紋：橡 膠：0.015GPaE 是誰首先提出彈性定律是誰首先提出彈性定律( (老亮老亮) )胡克定律是材料力學等固體力學一個非常重要的

4、基礎。一般認胡克定律是材料力學等固體力學一個非常重要的基礎。一般認為它是由英國科學家胡克為它是由英國科學家胡克16871687年首先提出來的，所以通常叫做年首先提出來的，所以通常叫做胡克定律。其實，在胡克之前胡克定律。其實，在胡克之前15001500年，我國早就有了關于力和年，我國早就有了關于力和變形成正比關系的記載。變形成正比關系的記載。 東漢經學家鄭玄東漢經學家鄭玄(127200)對對考工記考工記弓人弓人中中“量其力，量其力，有三均有三均”作了作了 這樣的注釋：這樣的注釋：“假令弓力勝三石，引之中三假令弓力勝三石，引之中三尺，弛其弦，以繩緩擐之，每尺，弛其弦，以繩緩擐之，每加物一石，則張一

5、尺。加物一石，則張一尺?！?弛其弦，以繩緩弛其弦，以繩緩擐擐之之 測量弓力時，先將弓的弦松開，測量弓力時，先將弓的弦松開，另外用繩子松松地套住弓的兩端，然后加重物，測量。另外用繩子松松地套住弓的兩端，然后加重物，測量。2 . 4 材料拉伸時的力學性能材料拉伸時的力學性能2 . 4 材料拉伸時的力學性能材料拉伸時的力學性能下面是胡克與鄭玄的假想對話下面是胡克與鄭玄的假想對話鄭：這是講測量弓力時，先將鄭：這是講測量弓力時，先將 弓的弦松開，另外用繩子弓的弦松開，另外用繩子 松松地穿過弓的兩端，然松松地穿過弓的兩端，然 后加重物，測量。后加重物，測量。胡：我明白了。這樣弓體就沒有初始應力，胡：我明白

6、了。這樣弓體就沒有初始應力， 處于自然狀態(tài)。處于自然狀態(tài)。胡：請問，胡：請問，“弛其弦，以繩弛其弦，以繩緩緩 擐之擐之”是什么意思？是什么意思？胡：鄭老先生講胡：鄭老先生講“每加物一石，則張一尺每加物一石，則張一尺”。和我講的。和我講的 完全是同一個意思。您比我早完全是同一個意思。您比我早1500年就記錄下這種年就記錄下這種 正比關系，的確了不起，真是令人佩服之至。正比關系，的確了不起，真是令人佩服之至。 （引自老亮（引自老亮材料力學史漫話材料力學史漫話高等教育出版社高等教育出版社1993）11 當應力超過當應力超過b點以后，若再卸除載荷，部分變點以后，若再卸除載荷，部分變形隨之消失形隨之消失

7、(彈性的彈性的)，但仍有部分變形不會消失，但仍有部分變形不會消失，這部分變形稱為這部分變形稱為塑性變形塑性變形(plastic deformation)（殘余變形或永久變形）。（殘余變形或永久變形）。工程上對 e和 p并不嚴格區(qū)分 p e 1o oabab12 p e s abco o、屈服階段bc此時應力基本此時應力基本上不變，但應變卻上不變，但應變卻迅速增長，說明材迅速增長，說明材料暫時失去抵抗變料暫時失去抵抗變形的能力，好像在形的能力，好像在流動，這種現象稱流動，這種現象稱為材料的為材料的屈服或流屈服或流動動。工程上通常把下屈服極工程上通常把下屈服極限作為限作為屈服極限屈服極限( (yi

8、eld limit)，用用 s 表示。表示。s 13實際上，屈服是一種實際上，屈服是一種從彈性極限開始的、由于從彈性極限開始的、由于分子滑移而引起的類似流分子滑移而引起的類似流體的行為體的行為，也稱為塑性流也稱為塑性流動動。表面磨光的。表面磨光的低碳鋼試低碳鋼試樣屈服后表面將出現與軸樣屈服后表面將出現與軸線大致成線大致成4545 的條紋，稱的條紋，稱為為滑移線。滑移線。思考：思考：滑移線的出現與什滑移線的出現與什么應力有關，為什么？么應力有關，為什么？14蘇通大橋屈服極限屈服極限 s 是衡量材料強度的重要指標是衡量材料強度的重要指標。15、強化階段ce低碳鋼發(fā)生屈服后，由于低碳鋼發(fā)生屈服后，由

9、于塑性變形使材料的內部微觀結塑性變形使材料的內部微觀結構發(fā)生重大變化，從而使材料構發(fā)生重大變化，從而使材料重新具有了抵抗變形的能力。重新具有了抵抗變形的能力。這種現象稱為材料的這種現象稱為材料的強化強化。使材料完全喪失使材料完全喪失承載能力的最大應力承載能力的最大應力值，即強化階段中的值，即強化階段中的最高點最高點e所對應的應所對應的應力值稱為力值稱為強度極限強度極限（strength limit），），用用 b 表示。表示。它是衡它是衡量材料強度的另一重量材料強度的另一重要指標。要指標。 p e s ab ceb o o16 p e s ab ceb f、局部變形階段ef 當 應 力 增當

10、應 力 增加到應力加到應力應變應變曲線最高點時，曲線最高點時，試樣的某一處開試樣的某一處開始發(fā)生始發(fā)生局部變形局部變形，橫截面尺寸愈來橫截面尺寸愈來愈小，形成所謂愈小，形成所謂縮頸縮頸現象?，F象。o o17縮頸部分的局部縮頸部分的局部變形導致試樣總伸長變形導致試樣總伸長迅速加大；同時由于迅速加大；同時由于縮頸部分橫截面面積縮頸部分橫截面面積的快速減小，試樣承的快速減小，試樣承受的拉力明顯下降，受的拉力明顯下降，到到 f 點試樣被拉斷。點試樣被拉斷。低碳鋼試樣低碳鋼試樣拉斷后的斷口拉斷后的斷口呈呈杯錐狀杯錐狀 p e s ab ceb fo o18縮頸段縮頸段 - 曲線的下降并不表示實際應力在隨

11、曲線的下降并不表示實際應力在隨應變的增加而降低，應變的增加而降低，事實上從材料屈服開始，試事實上從材料屈服開始，試樣的橫截面積就越來越明顯的變小了，使得樣的橫截面積就越來越明顯的變小了，使得真實真實應力（載荷除以縮小后的面積）應力（載荷除以縮小后的面積）與與名義應力（載名義應力（載荷除以變形前的面積）荷除以變形前的面積）的差別越來越大?？s頸處的差別越來越大?？s頸處的真實應力仍是增加的。的真實應力仍是增加的?？s頸19彈 性屈 服強 化局部變形斷 裂低碳鋼試樣拉伸時的各階段特征低碳鋼試樣拉伸時的各階段特征205 5、伸長率和斷面收縮率伸長率和斷面收縮率上式表明，斷裂時的塑性變形上式表明，斷裂時的塑

12、性變形 (l1 - l ) 越大，越大， 也就越也就越大。而材料能經受較大塑性變形而不破壞的能力，稱為材大。而材料能經受較大塑性變形而不破壞的能力，稱為材料的料的延性或塑性延性或塑性，故，故伸長率是衡量材料塑性的指標伸長率是衡量材料塑性的指標。試樣拉斷后因保留著試樣拉斷后因保留著塑性變形塑性變形, 標距由原來的標距由原來的 l 變?yōu)樽優(yōu)?l1 ，試樣拉斷后的，試樣拉斷后的殘余應變，稱為殘余應變，稱為伸長率伸長率或或延伸率延伸率，用，用 表示：表示：100%lll1 p e s abceb f o oie h21稱為稱為斷面收縮率斷面收縮率。它也是衡量材料塑。它也是衡量材料塑性的指標性的指標。1

13、00%AAA1 A1通常按伸長率的大小把材料通常按伸長率的大小把材料分成兩大類：分成兩大類： 5%為塑性材料為塑性材料，如碳鋼、，如碳鋼、 黃銅、鋁合金等；黃銅、鋁合金等； 5%為脆性材料為脆性材料，如灰鑄鐵、，如灰鑄鐵、玻璃、陶器、石料等。玻璃、陶器、石料等。226 6、卸載定律、卸載定律把試樣拉到超過彈把試樣拉到超過彈性極限的性極限的d點，然后卸點，然后卸載，發(fā)現應力和應變在載，發(fā)現應力和應變在卸載過程中按直線規(guī)律卸載過程中按直線規(guī)律變化，卸載線變化，卸載線dg與與oa基基本平行。上述規(guī)律一般本平行。上述規(guī)律一般稱為稱為卸載定律卸載定律。 p e 1o oab p e fdghep 若用若

14、用 e 和和 p 分別表示彈分別表示彈性應變和塑性應變。性應變和塑性應變。 i思考：思考：在圖中怎么得在圖中怎么得到伸長率到伸長率 ？23常溫下預拉到強化階段然后卸載，當再次加載時，常溫下預拉到強化階段然后卸載，當再次加載時，可使比例極限提高，但降低了塑性，這種現象稱為可使比例極限提高，但降低了塑性，這種現象稱為冷作硬化。冷作硬化。d ceb fp e s bo o p e h a gi7 7、冷作硬化、冷作硬化24冷作硬化的應用實例冷作硬化的應用實例25冷作硬化的應用實例冷作硬化的應用實例26二、其他塑二、其他塑性性材料拉伸時的力學性能材料拉伸時的力學性能各種鋼材各種鋼材彈性模量彈性模量基本

15、相同基本相同20Cr 合金鋼合金鋼T10A 高碳鋼高碳鋼16Mn 錳鋼錳鋼A3 低碳鋼低碳鋼H62 黃銅黃銅27對于沒有明顯屈服對于沒有明顯屈服階段的塑性材料，工程階段的塑性材料，工程上通常規(guī)定把產生上通常規(guī)定把產生0.2塑性應變塑性應變時所對應的應時所對應的應力值作為屈服指標，稱力值作為屈服指標，稱為為條件屈服極限（條件屈服極限（offset yield stress），或屈服強），或屈服強度，用度，用 0.2表示表示。20p . O Da條件屈服極限條件屈服極限 0.22 . 0 28幾種塑性材料拉斷后的斷口形狀低碳鋼高碳鋼硬鋁軟鋁29灰口鑄鐵拉伸時的灰口鑄鐵拉伸時的應力應變關系是一段應力

16、應變關系是一段微彎曲線，沒有明顯的微彎曲線，沒有明顯的直線部分。工程上取直線部分。工程上取 - 曲線的初始部分的割曲線的初始部分的割線來代替原來的曲線，線來代替原來的曲線，即近似地認為服從胡克即近似地認為服從胡克定律。定律。三、鑄鐵拉伸時的力學性能三、鑄鐵拉伸時的力學性能割線割線b DO30鑄鐵在較小的拉力下就鑄鐵在較小的拉力下就被拉斷，沒有屈服和縮頸現被拉斷，沒有屈服和縮頸現象，拉斷前的應變很小，延象，拉斷前的應變很小，延伸率也很小?；铱阼T鐵是典伸率也很小?；铱阼T鐵是典型 的 脆 性 材 料 （型 的 脆 性 材 料 （ b r i t t 1 e materia1s）。）。 鑄鐵拉斷時的應

17、力即為鑄鐵拉斷時的應力即為其強度極限。因為沒屈服現其強度極限。因為沒屈服現象，象，強度極限強度極限 b是衡量強度是衡量強度的唯一指標的唯一指標。b 脆性（脆性（britt1eness）是一）是一種危險的性能，所以脆性材料種危險的性能，所以脆性材料不宜作為抗拉構件的材料。不宜作為抗拉構件的材料。31低碳鋼試樣拉斷低碳鋼試樣拉斷后的斷口呈杯錐狀后的斷口呈杯錐狀灰鑄鐵試樣拉斷灰鑄鐵試樣拉斷后的斷口后的斷口思考：思考：為什么灰鑄鐵試樣拉斷后的斷口與低碳為什么灰鑄鐵試樣拉斷后的斷口與低碳鋼試樣拉斷后的斷口不同？鋼試樣拉斷后的斷口不同？326.4 6.4 材料在壓縮時的力學性能材料在壓縮時的力學性能 金屬

18、的壓縮試樣一般制金屬的壓縮試樣一般制成很短的圓柱。圓柱高度約成很短的圓柱。圓柱高度約為直徑的為直徑的1.53倍?；炷?、倍。混凝土、石料等則制成立方形的試塊。石料等則制成立方形的試塊。LFF33壓縮時低碳鋼的壓縮時低碳鋼的E和和 s 都與拉伸時大都與拉伸時大致相同。屈服階段以致相同。屈服階段以后，試樣越壓越扁，后，試樣越壓越扁，變成鼓狀，橫截面不變成鼓狀，橫截面不斷增大，試樣抗壓能斷增大，試樣抗壓能力也繼續(xù)增高，所以力也繼續(xù)增高，所以得不到壓縮時的強度得不到壓縮時的強度極限。極限。低碳鋼壓縮試驗低碳鋼壓縮試驗34試樣在較小的變形下試樣在較小的變形下突然破壞。破壞斷面的法突然破壞。破壞斷面的法線

19、與軸線大致成線與軸線大致成45 55 的傾角，表明試樣的上、的傾角，表明試樣的上、下兩部分沿上述斜面因相下兩部分沿上述斜面因相對錯動而破壞。對錯動而破壞?；诣T鐵壓縮斷口灰口鑄鐵壓縮試驗灰口鑄鐵壓縮試驗35鑄鐵抗壓強度極限鑄鐵抗壓強度極限比抗拉強度極限高達比抗拉強度極限高達45倍。其他脆性材倍。其他脆性材料如混凝土、石料、料如混凝土、石料、玻璃等，抗壓強度也玻璃等，抗壓強度也遠比抗拉強度高。所遠比抗拉強度高。所以宜于加工成抗壓構以宜于加工成抗壓構件，其壓縮實驗也比件，其壓縮實驗也比抗拉實驗重要。抗拉實驗重要。拉壓36 河北趙縣趙州橋由古石匠李春于公元595年至605年設計建造，全長64.4米，寬9.6米，主拱凈跨37.02米，是世界上現存年代最久、跨度最大、保存最完好的單孔敞肩石拱橋。趙州橋歷經8次大地震而不倒，54次大洪水而不垮，無數次戰(zhàn)亂而不毀。歐