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1、拉压时材料的力学性质,第一节 概述第二节 材料的拉伸实验 应力应变图第三节 材料的压缩实验第四节 材料力学性质的综合评述,第一节 概述,二、研究材料力学性质的原因：量才使用,一、什么是材料的力学性质,材料在外力作用下表现出来的强度与变形方面的宏观性能，如：弹性、塑性、强度、刚度、断裂韧性等。,（3）为某一构件选择适当的材料、尺寸或计算变形等都要知道材料的力学性质。,（1）不同的材料，甚至同种材料的不同个体，也可能有不同的力学性质。,（2）不同的构件对材料的力学性能的要求不同，如：机械上的轴、齿轮要求材料的刚度要好，因此要选用一些优质合金钢；机器的底座主要承受压力，要求抗压能力要好，因此常选用铸
2、铁。,第一节 概述,2、实验分析的目的,三、研究材料的力学性质的方法：实验分析,1、材料的力学性质受很多因素影响,a.受力方式：拉、压、弯、扭、剪，性质不同。,b.受力性质：静载荷、动载荷,c.受力状态：单向、二向、三向受力状态。,d.受力环境：常温、低温、高温等。,*本节是研究轴向拉压构件在常温、常压、静载荷作用下的力学性质。,a.测定材料的力学性质。,b.验证理论,c.解决某些复杂问题，如：飞行实验。,d.培养科学工作的能力。,第二节 材料的拉伸实验 应力应变图,一、试件,试件形状的一般规定（中苏）：,圆形：,任意形状：,二、实验仪器,万能实验机,l/d=510,第二节 材料的拉伸实验 应
3、力应变图,三、低碳钢的拉伸实验,b.碳钢的分类,低碳钢：含碳量0.25%的结构钢中碳钢:含碳量 0.250.55%的结构钢高碳钢:含碳量 0.552.0%的结构钢,a.最早公布该实验结果的是一位法国音乐家、哲学家，他做的是乐器的金属丝的拉伸实验。,c.通过该实验可以绘出载荷变形图和应力应变图。,d.应力应变图可以消除横截面面积A与标距l对载荷变形图的影响。,第二节 材料的拉伸实验 应力应变图,三、低碳钢的拉伸实验,1、低碳钢的拉伸实验四个阶段,s,a,b,c,d,e,a.弹性阶段：,d.局部变形阶段,oa段-,=E,E=tan,p:比例极限,e:弹性极限,b.屈服阶段:,s:屈服极限,c.强化
4、阶段:,b:强度极限,材料的伸长率：,截面收缩率：,卸载定律与冷作硬化,冷作硬化,卸载后，重新加载，加载路线沿卸载路线，这样，材料的比例极限有所提高，但塑性降低。这种现象叫做冷作硬化,冷作硬化,卸载后，重新加载，加载路线沿卸载路线，这样，材料的比例极限有所提高，但塑性降低。这种现象叫做冷作硬化.,例1：铁丝经多次弯曲，最后脆断。,例2：钢筋冷加工（冷拉），材料的比例极限有所提高，可因此节余钢材20%。但在加工的过程中，孔边出现硬化，易于引起应力集中而断裂。,其它塑性材料 在拉伸时的 机械性质,16Mn钢,低碳钢，Q235钢,黄铜,合金钢,T10A高碳钢,屈服行为,0.2,条件屈服应力塑性应变等
5、于0.2时的应力值,条件屈服应力,铸铁拉伸时的机械性质,第三节 材料的压缩实验,一、试件,试件形状的一般规定（中苏）：,圆形：,l/d=1.53,第三节 材料的压缩实验,二、低碳钢的压缩实验,单向应力状态下 材料的力学行为,单向压缩应力状态下 材料的力学行为,第三节 材料的压缩实验,二、低碳钢的压缩实验,1.E、s与拉伸时相似，e、p亦如此。,2.屈服以后，试件越压越扁，横截面面积不断增大，试件不能被压断。,3.测不到强度极限b和断裂极限k。,4.测低碳钢的力学性质时，一般不做压缩实验，而只做拉伸实验。,第三节 材料的压缩实验,三、铸铁等脆性材料的压缩实验,单向应力状态下 材料的力学行为,单向
6、压缩应力状态下 材料的力学行为,第三节 材料的压缩实验,三、铸铁等脆性材料的压缩实验,1.脆性材料的应力与应变一般不成比例，即使在应力很小的时候，一般地：,2.铸铁、砼、石料的 n1.,3.材料最初被压鼓,后来沿450550方向断裂,主要是剪应力的作用.,第三节 材料的压缩实验,三、石料的压缩实验,两端不抹油则试件与实验机的压头之间有摩擦力仅有中间自由伸长,2.若两端抹油则试件两端与实验机的压之间没有摩擦力(或很小)所以各处子方向伸长一样为直裂缝,3.石料受压的曲线可以看出软化现象,第三节 材料的压缩实验,三、石料的压缩实验,说明:,1.脆性材料的抗压强度一般均大于其抗拉强度.,各种铸铁(灰口
7、、白口等）：,（b）压 10（b）压,（b）压=2.416.7（b）压,石料:,2.对于木材,是优良的建筑材料,单位重量强度高,有可压缩性,一木顶千斤,拉伸强度高.特点:各向异性,单向同性,顺纹强度高于横纹,但自然损伤和含水率会影响其强度.,蠕变与松弛,岩石在较低的温度下（接近室温）和压力的作用，蠕变呈脆性,它主要起源于岩石中的微裂纹随时间的扩展而增加所引起的破坏.,蠕变：固体材料在保持应力不变的情况下，应变随时间而缓慢增长的现象。,特例：,软岩中的巷道,变形很快,巷道空间在几个月内明显缩小,有的甚至在几天内明显缩小.,蠕变与松弛,粘弹性材料在总应变不变的条件下,由于内部的粘弹性应变(粘塑性应
8、变)部分随时间不断增加,而使弹性应变部分随时间逐渐降低,从而导致恢复力(回弹力)随时间而逐渐降低,这种现象称为应力松弛.,松弛:,应力集中,一、生活中的例子 背心上的小洞，鞋上的小洞，千里之堤溃于蚁穴,二、概念 杆件在圆孔、缺陷等截面发生突变处，局部应力显著增高，这一现象称为应力集中,应 力 集 中,三、应力集中系数,:理论应力集中系数,反映了应力集中的程度,大于1.,其中,max:应力集中的截面上的最大应力,o:同一截面上按净面积算出的平均应力,应力集中,四、应力集中的预防,思考题：哪个应力集中系数大些？,使截面形状的变化缓慢些：圆弧代直角,（1）,（2）,第四节 材料力学性质的综合评述,5
9、%，如低碳钢=2030%，,说明：,一、材料分类,塑性材料：,脆性材料：,5%，如铸铁、岩石,塑性材料、脆性材料并不是绝对的，可以相互转化，如：,钢材在-400C-500C时，易脆断，或在三相受拉时也是脆断；,岩石在地壳深处的高温中也会发生很大变形，甚至熔化。,因此，应该说材料在某种条件下是塑性状态或脆性状态。,第四节 材料力学性质的综合评述,（3）塑性材料,在静载时可以不考虑应力集中.塑性材料对应力集中有缓冲的能力,进入屈服后,应力趋于均匀,而脆性材料则因当max b后,产生裂缝净面积减小,应力不断增大,裂缝扩大.,二、两类材料比较,（1）塑性材料韧性好,（2）一般认为 s时,材料失效.但这
10、时并为完全丧失承受外力的能力.目前,极限载荷设计仅在塑性才有.,第四节 材料力学性质的综合评述,三、因材使用,1、由于低碳钢等塑性材料抗拉压性能及塑性好、韧度好、耐冲击，故可做机器中许多零部件。,2、合金钢性能好可做主轴、齿轮轴承、弹簧等零件，但价格较贵。,3、铸铁抗压性能优于抗拉，可做机器底座、齿轮箱等。,弹性范围内的韧性机械上多用，如弹簧。,应变能与材料的韧性,一、应变能的计算,载荷由零加到P，伸长由零加到l，外力作功W它与P 有关，但不能直接求出。用积分法:,无动能变化，W全部转化为变形能（一种位能）。,应变能,应变比能,l,l1,l1+d(l1),P,P1,P1+d(P1),P,说明1
11、.若整个拉伸过程中若变形很大且应力亦很大则越好2.与塑性的区别,塑性化表示塑性变形大,但应力不一定高3.在军事上应用很多.,应变能与材料的韧性,二、材料的韧性,断裂前的-面积=uBuB 表示材料抵抗冲击能力的机械性质,但只有比较意义.,许用应力安全系数,一、失效条件,二、强度条件,其中为许用应力。,2.确定n（1）外载荷大小是否清楚（2）材料性质:同一炉铁水的铸铁相差也很大,低碳钢的性质较稳定性,因此一般 ns大于nb（3）理论是否可靠:动载荷、冲击载荷、交变应力的理论分析很困难，往往简化结果使安全系数稍大，如钢丝绳的n=20;地震资料缺乏的地区(对土建),n取的稍大些.（4）结构物的耐久性：
12、永久性建筑物n取大些,暂时性的n可小些.,许用应力安全系数,三、安全系数,1.上式中的ns nb即为安全系数,材料失效的因素,一、塑性材料,1、当e以后开始产生塑性变形s以后即产生很大的塑性状态此时我们就认为材料已失效已不能正常工作,2、产生很大塑性变形的原因（1）滑移:在铁原子最多处滑移（2）弯晶:晶体的一部分对另一部分产生错动（3）错动:结晶体与结晶体之间的错动,3小结三个因素同时出现,最主要的是滑移(由于剪应力).塑性材料:抗剪切力的能力较差,抗拉伸力的能力较强,1、失效以断裂为标准2、原因：内应力（拉应力）大于内聚力时，材料要分开，分开的距离达到一定距离便断开。3、脆性材料抗压不抗拉，抗流动性强，破坏时变形很小。,材料失效的因素,二、脆性材料,
