1工程力学(下)—轴向拉伸和压缩3

1.5 材料拉伸和压缩时的力学性能
2. 试验条件 在室温下, 在室温下 以缓 慢平稳的加载方 式进行试验, 式进行试验 称为 常温静载试验, 常温静载试验 是 测定材料力学性 能的基本试验。 能的基本试验。 3. 试验仪器
液压式万能材料试验机
1.5 材料拉伸和压缩时的力学性能 4 低碳钢拉伸时的力学性能
1.5 材料拉伸和压缩时的力学性能
分析构件的强度时, 除计算应力外, 分析构件的强度时 除计算应力外 还应了解材料的力学性能。材料的力学性 还应了解材料的力学性能。材料的力学性 也称为机械性质 机械性质, 能也称为机械性质 是指材料在外力作用 下表现出的变形、破坏等方面的特性。 下表现出的变形、破坏等方面的特性。它 要由实验来测定。 要由实验来测定。 中华人民共和国国家标准(金属拉伸试验 中华人民共和国国家标准 金属拉伸试验 方法)—GB228-87 方法
6) 卸载定律及冷作硬化 如卸载后短期内再次 加载, 加载 则应力和应变大致 上沿卸载时的斜直线d'd 上沿卸载时的斜直线 变化。直到d点后 点后, 变化。直到 点后 又沿曲 变化。 线 def变化 。 可见在再次 变化 加载时, 直到d点以前材料 加载时 直到 点以前材料 的变形是弹性的, 点后才开始出现塑性变形。 的变形是弹性的 过d点后才开始出现塑性变形。 点后才开始出现塑性变形 比较图中的Oabcdef和d'def两条曲线 可见在第 两条曲线, 比较图中的 和 两条曲线 二次加载时, 比例极限(亦即弹性阶段 亦即弹性阶段)得到了 二次加载时 其比例极限 亦即弹性阶段 得到了 提高, 但塑性变形和伸长率却有所降低。 提高 但塑性变形和伸长率却有所降低。这种现 象称为冷作硬化 冷作硬化。 象称为冷作硬化。
由 于 铸 铁 的 σ-ε 图 没 ε 有明显的直线部分, 有明显的直线部分 弹性 模量E的数值随应力的大 模量 的数值随应力的大 小而变。但在工程中铸 铁的拉应力不能很高, 铁的拉应力不能很高 而 在较低的拉应力下, 在较低的拉应力下 则可 近似地认为服从胡克定 律。通常取总应变为 0.1%时 σ-ε 曲线的割线的 时 ε 斜率作为弹性模量, 斜率作为弹性模量 称为 割线弹性模量。 割线弹性模量。
1) 弹性阶段 –– Ob段 段 超过比例极限后, 超过比例极限后 点到b点 从a点到 点, σ与ε之间 点到 的关系不再是直线, 的关系不再是直线 但 解除拉力后变形仍可 完全消失, 完全消失 这种变形称 为弹性变形。 弹性变形。 b点所对应的应力σe是材料只出现弹性变形 点所对应的应力 弹性极限。 曲线上, 的极限值, 称为弹性极限 两 的极限值 称为弹性极限。在σ-ε曲线上 a, b两 点非常接近, 点非常接近 所以工程上对弹性极限和比例极限 并不严格区分, 而统称为弹性极限 弹性极限。 并不严格区分 而统称为弹性极限。
2) 屈服阶段 –– bc段 段 表面磨光的试样 屈服时, 屈服时 表面将出现 与轴线大致成45º倾角 与轴线大致成 倾角 的条纹。 的条纹 。 这是由于材 料内部相对滑移形成 称为滑移线 滑移线。 的 , 称为 滑移线 。 因 为拉伸时在与杆轴成 45º 倾角的斜截面上 倾角的斜截面上, 切应力为最大值, 切应力为最大值 可 见屈服现象的出现与 最大切应力有关。 最大切应力有关。
低碳钢压缩实验
4) 局部变形阶段 –– ef段 段 点后, 过e点后 在试样的某 点后 一局部范围内, 一局部范围内 横向尺寸 突然急剧缩小, 形成颈缩 突然急剧缩小 形成颈缩 现象。 现象 。 由于在颈缩部分 横截面面积迅速减小, 横截面面积迅速减小 使 试样继续伸长所需要的 拉力也相应减少。 拉力也相应减少 。 在应 应变图中, 力 -应变图中 用横截面 应变图中 原始面积 A算出的应力σ 算出的应力 随之下降, ＝F/A随之下降 降落到 随之下降 降落到f 试样被拉断。 点, 试样被拉断。
1) 弹性阶段 –– Ob段 段 在 直 线 段 Oa, 应力σ与应变ε成 正比。 正比。
σ ∝ε
写成等式
σ = Eε
这就是拉伸或压缩的胡克定律 。 为与材 这就是 拉伸或压缩的胡克定律。 E为与材 拉伸或压缩的胡克定律 料有关的比例常数, 称为弹性模量 弹性模量。 的量 料有关的比例常数 称为弹性模量。E的量 相同, 常用单位为GPa (1 GPa=109 Pa) 纲与σ相同 常用单位为
7 低碳钢压缩时的力学性能 低碳钢压缩时的弹 性模量E 性模量 和屈服极限 σs 都与拉伸时大致相同。 都与拉伸时大致相同 。 屈服阶段以后, 屈服阶段以后 试样越 压越扁, 压越扁 横截面面积不 断增大, 断增大 试样抗压能力 也继续增高, 也继续增高 因而得不 到压缩时的强度极限。 到压缩时的强度极限。 类似情况在一般的塑性材料中也存在。 类似情况在一般的塑性材料中也存在 。 但 有些材料(例如铬钼硅合金钢 例如铬钼硅合金钢)在拉伸和压缩时 有些材料 例如铬钼硅合金钢 在拉伸和压缩时 的屈服极限并不相同, 因此, 的屈服极限并不相同 因此 对这些材料需要做 压缩试验, 以确定其压缩屈服极限。 压缩试验 以确定其压缩屈服极限。
2) 屈服阶段 –– bc段 段 这种应力基本保 持不变, 持不变 而应变显著增 加的现象, 称为屈服 屈服或 加的现象 称为屈服或 流动。 流动 。 在屈服阶段内 的最高应力和最低应 力分别称为上屈服极 力分别称为 上屈服极 下屈服极限。 限和下屈服极限。 上屈服极限的数值一般是不稳定的。 上屈服极限的数值一般是不稳定的 。 下屈 服极限则有比较稳定的数值, 服极限则有比较稳定的数值 能够反应材料的 性能。通常就把下屈服极限称为屈服极限 屈服极限或 性能。通常就把下屈服极限称为屈服极限或屈 服点, 来表示。 服点 用σs来表示。
1.5 材料拉伸和压缩时的力学性能 1. 试样 为了便于比较不同材料的试验结果, 为了便于比较不同材料的试验结果 对试样 的形状、加工精度、加载速度、试验环境等, 国 的形状、加工精度、加载速度、试验环境等 家标准都有统一规定。 家标准都有统一规定。 标准圆试样 在试样上取长为l的一段作为试验段 称为 在试样上取长为 的一段作为试验段, l称为标 的一段作为试验段 称为标 对圆截面试样, 标距l与直径 两种比例, 与直径d两种比例 距。对圆截面试样 标距 与直径 两种比例 即
1) 弹性阶段 –– Ob段 段
在应力大于弹性 极限后, 极限后 如再解除拉 力, 则试样变形的一 部分随之消失, 部分随之消失 这就 是上面提到的弹性 变形 。 但还遗留下 一部分不能消失的 变形, 变形 这种变形称为 塑性变形 或 残余变 形。
2) 屈服阶段 –– bc段 段
超当应力超过 b点增加到某一数 值时, 值时 应变有非常 明显的增加, 明显的增加 而应 力先是下降, 力先是下降 然后 作微小的波动, 作微小的波动 在 σ-ε曲线上出现接近 水平线的小锯齿形 线段。 线段。
拉ห้องสมุดไป่ตู้实验
1.5 材料拉伸和压缩时的力学性能 为了消除试样原始尺寸的影响, 把拉力F除 为了消除试样原始尺寸的影响 把拉力 除 以试样横截面的原始面积A, 以试样横截面的原始面积 得出正应力σ；同 时, 把伸长量∆l除以标距的原始长度 得到应变 把伸长量 除以标距的原始长度l, 除以标距的原始长度 ε。以σ为纵坐标 ε为横坐标 即得应力－应变图 为纵坐标, 为横坐标, 即得应力 应力－ 曲线。 或σ－ε曲线。
3) 强化阶段 –– ce段 段 过屈服阶段后, 过屈服阶段后 材 料又恢复了抵抗变形 的能力, 的能力 要使它继续变 形必须增加拉力。 形必须增加拉力 。 这 种现象称为材料的强 种现象称为 材料的强 化。 强化阶段中的最高点e所对应的应力 强化阶段中的最高点 所对应的应力σb是材 料所能承受的最大应力, 称为强度极限 强度极限或 料所能承受的最大应力 称为 强度极限 或抗拉 强度。它是衡量材料强度的另一重要指标。 强度。它是衡量材料强度的另一重要指标。在 强化阶段中, 试样的横向尺寸有明显的缩小。 强化阶段中 试样的横向尺寸有明显的缩小。
1) 弹性阶段 –– Ob段 段
σ = Eε
σ E= ε
σ/ε是直线Oa的斜率。直线部分的最高 是直线 的斜率。 的斜率 比例极限。 点 a所对应的应力 σp 称为 比例极限 。 显然 所对应的应力 称为比例极限 显然,
只有应力低于比例极限时, 只有应力低于比例极限时 应力才与应变 成正比, 材料才服从胡克定律。这时, 成正比 材料才服从胡克定律。这时 称材 料是线弹性的。 料是线弹性的。
合金钢
高碳钢 钢 钢 黄铜
1.5 材料拉伸和压缩时的力学性能
名义屈服应力(规定非比例伸长应力、屈服强度) 名义屈服应力 规定非比例伸长应力、屈服强度 规定非比例伸长应力
对没有明显屈服 极限的塑性材料, 可以将产生0.2%塑 可以将产生 塑 性应变时的应力作 为屈服指标, 为屈服指标 并用 来表示, 称为名 σ0.2来表示 称为 名 义屈服应力。 义屈服应力。
5 其它塑性材料在拉伸时的力学性能
工程上常用的塑性材料, 工程上常用的塑性材料 除 低碳钢外, 还有中碳钢、 低碳钢外 还有中碳钢 、 高 碳钢和合金钢、 铝合金、 碳钢和合金钢 、 铝合金 、 青 黄铜等。 铜 、 黄铜等 。 图中是几种塑 曲线。 性材料的σ-ε曲线。其中有些 材料, 材料 如Q345钢, 和低碳钢一 钢 有明显的弹性阶段、 样 , 有明显的弹性阶段 、 屈 服阶段、 服阶段 、 强化阶段和局部变 形阶段。 有些材料, 形阶段 。 有些材料 如 黄铜 H62, 没有屈服阶段, 但其他 没有屈服阶段 三阶段却很明显。 三阶段却很明显 。 还有些材 高碳钢T10A, 没有屈服 料, 如高碳钢 阶段和局部变形阶段, 阶段和局部变形阶段 只有 弹性阶段和强化阶段。 弹性阶段和强化阶段。
6 铸铁在拉伸时的力学性能
铸铁拉断时的最大应 力即为其强度极限。 力即为其强度极限 。 因 为没有屈服现象, 为没有屈服现象 强度 极限 σb 是衡量强度的唯 一指标。 铸铁等脆性材 一指标 。 料的抗拉强度很低, 料的抗拉强度很低 所 以不宜作为抗拉零件的 材料。 材料。