建筑力学课件第七章
建筑力学第7章平面弯曲杆件
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对已完成的平面弯曲杆件进行成品质量控制,包括尺寸、 平整度、垂直度等方面的检测和控制,确保其符合设计要 求和相关规范。
工艺质量控制
对平面弯曲杆件的施工工艺进行质量控制,包括施工过程 的规范性、工艺参数的控制等方面的检测和控制,确保其 符合设计要求和相关规范。
不合格品处理
对不合格的平面弯曲杆件进行处理和控制,包括返工、返 修、报废等方面的处理和控制,确保产品的质量和安全。
弹性变形与塑性变形
分析杆件在受力后的弹性变形 和塑性变形,了解其力学性能 。
平面弯曲杆件的稳定性分析
01
02
03
稳定性分析概述
对平面弯曲杆件的稳定性 进行分析,以确定其在受 到外力作用时是否会发生 失稳。
临界荷载
研究不同外力作用下杆件 的临界荷载,了解失稳的 临界条件。
稳定性措施
根据分析结果,采取相应 的稳定性措施,提高杆件 的稳定性。
建筑结构
建筑的梁、板、柱等结构形式也属于平面弯曲杆件 ,用于承受垂直和水平荷载。
机械零件
某些机械零件如连杆、曲轴等也采用平面弯曲杆件 的设计,以满足特定的功能需求。
02
平面弯曲杆件的力学分析
平面弯曲杆件的受力分析
80%
受力分析概述
对平面弯曲杆件进行受力分析, 需要明确杆件所受的力,包括外 力、内力和约束反力。
平面弯曲杆件的材料选择Βιβλιοθήκη 钢材混凝土木材
其他复合材料
强度高、塑性好,适用 于承受较大载荷和变形
的结构。
抗压强度高、耐久性好, 适用于承受静载的结构。
轻质、易加工,适用于 临时结构或低层建筑。
如玻璃纤维、碳纤维等, 具有高强度、轻质等特 点,适用于特定场合。
建筑力学第七章 截面的几何性质
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第七章平面图形的几何性质研究截面几何性质的意义从上章介绍的应力和变形的计算公式中可以看出,应力和变形不仅与杆的内力有关,而且与杆件截面的横截面面积A、极惯性矩I P、抗扭截面系数W P等一些几何量密切相关。
因此要研究构件的的承载能力或应力,就必须掌握截面几何性质的计算方法。
另一方面,掌握截面的几何性质的变化规律,就能灵活机动地为各种构件选取合理的截面形状和尺寸,使构件各部分的材料能够比较充分地发挥作用,尽可能地做到“物尽其用”,合理地解决好构件的安全与经济这一对矛盾。
第一节 静矩一、静距的概念Ay S z d d =Az S y d d =⎰⎰⎰⎰====AAy y AAz z Az S S A y S S d d d d zy d A yz静距是面积与它到轴的距离之积。
平面图形的静矩是对一定的坐标而言的,同一平面图形对不同的坐标轴,其静矩显然不同。
静矩的数值可能为正,可能为负,也可能等于零。
它常用单位是m 3或mm 3。
形心d A zyy zCx Cy ⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⋅∆∑=⋅∆∑=A y A y Az A z C C ⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫==⎰⎰A ydA y A zdA z AC A C ⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫==A S y A S z z C y C ⎭⎬⎫⋅=⋅=C y C z z A S y A S 平面图形对z 轴(或y 轴)的静矩,等于该图形面积A 与其形心坐标y C (或z C )的乘积。
当坐标轴通过平面图形的形心时,其静矩为零;反之,若平面图形对某轴的静矩为零,则该轴必通过平面图形的形心。
如果平面图形具有对称轴,对称轴必然是平面图形的形心轴,故平面图形对其对称轴的静矩必等于零。
⎭⎬⎫⋅=⋅=C y C z z A S y A S二、组合图形的静矩根据平面图形静矩的定义,组合图形对z 轴(或y 轴)的静矩等于各简单图形对同一轴静矩的代数和,即⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫=+++==+++=∑∑==ni Ci i Cn n C C y ni Ci i Cn n C C z z A z A z A z A S y A y A y A y A S 1221112211 式中 y Ci 、z Ci 及A i 分别为各简单图形的形心坐标和面积;n 为组成组合图形的简单图形的个数。
建筑力学-第七章平面图形欢迎下载课件.ppt
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850 1600102 2600102
400
573mm
zC 0
(2)计算截面惯性矩
I z1
1 12
10001003
1000100 2772
7.75109 mm4
Iz2
1 12
2008003
800 2001732
13.32109 mm4
I z I z1 I z2 21.1109 mm4
连接件的强度计算
连接构件用的螺栓、销钉、焊接等
这些连接件,不仅受剪切作用,而且同时 还伴随着挤压作用。
剪切实用计算
在外力作用下,铆钉的截面将发生
相对错动,称为剪切面 m n
在剪切面上与截面相切的内力,如图所示。
称为剪力 FQ
FQ F
在剪切面上,假设切应力均匀分布, 得到名义切应力,即:
FQ
轴的惯性矩并求其代数和,即得组合截面对其形心轴的 惯性矩。
2、切应力互等定理
单元体—— 从受扭的薄壁圆筒表面处截取一微小的正六面体
Me
Me
dy
y d xd z
'
Fy 0 自动满足
a
d d y d z
Fx 0 存在'
b z
O '
dx c
Mz 0
x d y d zd x d x d zd y
得
y
切应力互等定理
'
在相互垂直的两个面上,切
dy
z
a
b
O '
dx
d c
x
应力总是成对出现,并且大小相 等,方向同时指向或同时背离两 个面的交线。
建筑力学7强度计算
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18
二、基本解法(叠加法)
1.叠加原理:在线弹性、小变形下,每一组载荷引起 的变形和内力不受彼此影响,可采用代数相加; 2.基本解法: ①外力分解或简化:使每一组力只产生一个方向 的一种基本变形 ②分别计算各基本变形下的内力及应力
③将各基本变形应力进行叠加(主要对危险截面危险点)
④对危险点进行应力分析(1≥2≥3) ⑤用强度准则进行强度计算
x
13
7.5 平面弯曲梁的强度条件及其应用 σmax= MMAX/Wz ≤ [σ] 由于脆性材料[σ+] ≠[σ-],故 σ+max=Mmaxy+max/Iz ≤ [σ+] σ- max=Mmaxy-max/Iz ≤ [σ-]
14
【例7-7】槽形截面的铸铁梁,已知a=2m,Iz=5260×104mm4, y1=120mm,y2=77mm,许用拉应力[σ+] =30MPa,许用压应力[σ-]= 90MPa。试求此梁的许可荷载[F]。 【解】作梁的弯矩图如图(b) F/2 F B A 最大负弯矩在B截面 C D MB=-Fa/2 a a a 最大正弯矩在C截面 (a) Fa/2 y M图 MC=Fa/4 在C截面,按最大拉应力 Fa/4 (b) 强度计算,即 F 2 120103 M C ymax M C y1 max 4 30MPa 4 12 IZ IZ 526010 10
19
t P K1
y
A d z L P Pa B
C
A
a
x
t
K1
Tn PL _ Pa
K2
t
t
M
_
20
e σa N=P M=Pe N=P a' M=Pe N b c a P b b'
《建筑力学》课件 第七章
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【例 7-3】 图(a)中 20 号工字钢悬臂梁承受均布荷载 q 和 集 中 力 F qa / 2 , 已 知 钢 的 许 用弯 曲 正 应力 [ ] 160 MPa , a 1 m 。试求梁的许可荷载集度 [q] 。
【解】 ① 将集中力沿两主轴分解。
Fy F cos 40 0.383qa
引起的正应力叠加,得最大应力 max 为
max
m ax
max
M z max ymax Iz
M y max zmax Iy
M z max Wz
M y max Wy
(a) (d) (g)
(b) (e)
(c)
图7-4
(f)
(h)
(i)
若材料的抗拉和抗压强度相等,则斜弯曲梁的强度条件可表示为
max
3.应力分析
根据危险截面上的内力值,分析危险截面上的应力分布,确 定危险点所在位置,并求出危险截面上危险点处的应力值。
4.强度分析 根据危险点的应力状态和杆件的材料强度理论进行强度计
算。
第二节 拉伸(压缩)与弯曲的组合变形
等直杆在横向力和轴向力共同作用下,杆件将发生弯曲与拉伸(压 缩)组合变形。图中的烟囱在横向力水平风力和轴向力自重作用下产生 的就是压缩与弯曲的组合变形。对于弯曲刚度EI较大的杆件,由于横向 力引起的挠度与横截面尺寸相比很小,因此,由轴向力引起的附加弯矩 可以忽略不计。于是,可分别计算由横向力和轴向力引起的杆件截面上 的弯曲正应力和拉压正应力,然后按叠加原理求其代数和,即得到杆件 在拉伸(压缩)和弯曲组合变形下横截面上的正应力。
一、双向偏心压缩(拉伸)的强度计算
在偏心压缩(或拉伸)中,当外力F的作用线与柱轴线平 行,但只通过横截面其中一根形心主轴时,称为单向偏心压缩 (拉伸);当外力F的作用线与柱轴线平行,但不通过横截面 任何一根形心主轴时,称为双向偏心压缩(拉伸)。下面以双 向偏心压缩(拉伸)为例进行强度计算。
建筑力学课件:第7章拉伸和压缩
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得杆内的最大应力为:
A
s max
FN max A
(7-3)
此最大轴力所在横截面称为危险截面,由此式算
得的正应力即危险截面上的正应力,称为最大工
作应力。
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拉伸和压缩
13
例题 7-1 一横截面面积 A=400mm2 的等直
杆,其受力如图所示。试求此杆的最大工作应力。
解:此杆的最大轴力为:
于它所在的截面。正应力的量纲为 力 长度2。在
国际单位制中,应力的单位为帕斯卡(Pascal),其
中文代号是帕,国际代号是Pa (1 Pa 1 N/m2 ) 。
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拉伸和压缩
6
由于应力在截面上的变化规律还不知道,所 以无法求出。解决此问题的常用方法是,以杆件 在受力变形后表面上的变形情况为根据,由表及 里地作出内部变形情况的几何假设,再根据分布 内力与变形间的物性关系,得到应力在截面上的 变化规律,然后再通过静力学中求合力的概念得 到以内力表示应力的公式。
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拉伸和压缩
3
§7-1 横截面上的应力
在第6章中已讨论过轴向拉伸、压缩杆件横截面 上的内力——轴力FN。显然,它是横截面上法向分 布内力的合力。
F
F
F
FN
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拉伸和压缩
4
要判断一根杆件是否会因强度不足而破坏,还 必须联系杆件横截面的几何尺寸、分布内力的变化 规律找出分布内力在各点处的集度——应力。杆件 横截面上一点处法向分布内力的集度称为正应力,以符号s 表示。 Nhomakorabeam
A FN
C
m
定义:法向分布内力的集度—
mm截面 C点处的正应力s 为:
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§2–1 力的概念
1、平衡——平衡是物体机械运动的特殊形式,是 指物体相对地球处于静止或匀速直线运动 状态。
2、刚体——在外界的任何作用下形状和大小都始 终保持不变的物体。或者在力的作用下, 任意两点间的距离保持不变的物体。
刚体是一种理想化的力学模型。
一个物体能否视为刚体,不仅取决于变 形的大小,而且和问题本身的要求有关。
F
=
= B
F1
F F2
B
F1
A
A
A
§2–2 静力学公理
公理三 (力平行四边形公理)
作用于物体上任一点的两个力可合成为作用
于同一点的一个力,即合力。合力的矢由原两
力的矢为邻边而作出的力平行四边形的对角矢
来表示。
R
即,合力为原两力的矢量和。
矢量表达式:R= F1+F2
A
F1
§2–2 静力学公理
推论 (三力汇交定理)
力是物质间的一种相互作用,机械运动状态的变化是由这种相互作 用引起的。静止和运动状态不变,都意味着各作用力在某种意义上的平 衡。力学,可以说是力和(机械)运动的科学。
第二章
静力学基本概念
§2–1 力的概念 §2–2 静力学公理 §2–3 力矩与力偶 §2–4 力在坐标轴上的投影 §2–5 力的平移定理
§2-3 力矩与力偶
五、力矩的性质: 1、力沿作用线移动时,对某点的矩不变 2、力作用过矩心时,此力对矩心之矩等于零 3、力矩的值与矩心位置有关,同一力对不同 的矩心,其力矩不同。
§2-3 力矩与力偶
4、力矩的解析表达式
y B
A
y
Ox
x
力对某点的矩等于该力沿坐标轴的分力对 同一点之矩的代数和
建筑力学之材料力学第7章(华南理工)
![建筑力学之材料力学第7章(华南理工)](https://img.taocdn.com/s3/m/63c6be10964bcf84b9d57b96.png)
例7-2 求图示梁的最大挠度和 B截面的转角。 1 ql 解: 取坐标系如图.
例7-2 求图示梁的最大挠度和 B截面的转角。 由于梁和梁上的荷载是 1 ql 对称的, 所以最大挠度发生 2 在跨中: q
5ql4 l 2l l l3 l = ymax = y x l = 24 EIz 2 2 2 384 EIz 2
M ( x) y= EIz
EIz =Flx 1 Fx2 2 1 Flx2 1 Fx3 EIz ) EIz 2 y = 1 1 Flx2 1 Fx3 (挠度方程) EIz 2 6
将x=l 代入上述二式, 即得自由端截面的转角和挠度:
D1 =D2 D2 =0 由条件(4)有: Fb a3 C1a D1 = Fb a3 +C2a +D2 6l 6l 由条件(1)得: D1 =0 由条件(2)得: F (l a )3 Fb l3 +C2l =0 6 6l Fb (l2 b2 ) C2 = 6l 2 2 =EIz1 = Fb x1 C1 EIz y2 = F ( x2 a )2 Fb x2 C2 EIz y1 2 2l 2l 3 3 EIz y1 = Fb x1 C1 x1 D1 EIz y2 = F ( x2 a )3 Fb x2 +C2 x2 +D2 6l 6 6l 边界条件: 变形连续条件: x1 =x2 =a , y1 =y2 (3) y= M ( x ) x1 =0, y1 =0 (1) EIz x1 =x2 =a , y1 =y2 (4) x2 =l , y2 =0 (2)
M ( x) y= EIz
例7-3 求图示梁C截面的挠度 和A截面的转角。 yC = Fab l 2 b2 a2 6lEIz
建筑力学 第7章 平面图形的
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A2=200×40=8000,yc2=40/2=20 截面对Z轴的静矩为:
Sz1 Ai yci A1 yc1 A2 yc2 8000140 8000 20 1.28106
图7-7
7.2 惯性矩和惯性积
【例7-1】试求如图7-4所示工字形截面的 形心坐标。
解:将平面图形分割为三个矩形,每个图 形的面积和形心坐标分别为:
A1=80×40=3200,z1=0, y1=40+120+40/2=180
A2=120×40=4800, z2=0, y2=40+120/2=100
A3=40×120=4800, z3=0, y3=40/2=20
图7-6
2.组合平面图形的静矩 在工程实际中,经常会遇到由简单几何图形组合而
成的横截面构件,根据平面图形静矩的定义,组合图形对 z轴(或y轴)的静矩等于各简单图形对同一轴静矩的代数 和,即
S z
A1 yC1 A2 yC2 An yCn
n
Ai yCi
S y
我们把这些只与平面图形几何形状和尺
寸有关的几何量称之为平面图形的几何性质, 它是纯粹的几何问题,与研究对象的力学性 质无关,但它是影响构件承载力的重要因素。 例如,在前两章介绍的应力和变形的计算公 式中可以看出,应力和变形不仅与杆的内力 有关,还与杆件截面的横截面积A、极惯性 矩IP、抗扭截面系数WP等一些几何量密切 相关,以后在弯曲等问题中我们还会遇到平 面图形其它的一些几何性质。
2 19953750
Iy
I1y
I2y
640
第7章 平面弯曲《建筑力学》教学课件
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坐标系。
列
方
当梁上同时作用着多个荷载时,剪力和弯矩 程
与截面位置间的关系发生变化,需分段列方程。
作 图
剪力图和弯矩图
将剪力方程和弯矩方程在直角坐标系中画成图 像,观察内力变化规律既唯一又直观。
1. 作 FS , M 图步骤 建立坐标系;
列 FS ,M 方程;
作 FS , M 图。
7.3.1 列 方 程 作 图
1)剪力
Fiy 0 YAFS 0 得: FS YA
大小:等于截面一侧所有横向外力的代数和。
7.2.1 梁
FS (左或)右Fi侧
弯 曲
正负号:对研究对象内任一点呈顺时针力矩者为正。
变 形
外力的正负号规定同剪力符号规定一致,仍是
的 内
顺正逆负。
力-
剪
力
和
弯
矩
2)弯矩
M0 YAxM 0
得: M YAx
图7-8
7.3.1 列 方 程 作 图
7.3.1 列 方 程 作 图
【例7-3】图7-9(a)所示的简支梁AB受一集中力作用,试作其剪 力图和弯矩图。
图7-9
7.3.1 列 方 程 作 图
【例7-3】图7-9(a)所示的简支梁AB受一集中力作用,试作其剪 力图和弯矩图。
图7-9
7.3.1 列 方 程 作 图
图7-2
7.1.1 梁 的 弯 曲 变 形
如图7-3所示的建筑物楼面梁和阳台挑梁,它们都因受 到楼面荷载和梁自重的作用而发生平面弯曲。
图7-3
7.1.1 梁 的 弯 曲 变 形
常见梁的分类
(1) 悬臂梁:梁的 一端固定,另 一端自由,如 图7-4(a)所示
。
建筑力学 第七章轴向拉伸与压缩.
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x
FN 1 A1
1 1 F A1 120 106 2 4.8 10 4 2 2 57.6 103 N 57.6kN
2、根据斜杆的强度,求许可载荷 查表得斜杆AC的面积为A1=2×4.8cm2
3、根据水平杆的强度,求许可载荷 查表得水平杆AB的面积为A2=2×12.74cm2
对于脆性材料(铸铁),拉伸时的应力 应变曲线为微弯的曲线,没有屈服和径缩现 象,试件突然拉断。断后伸长率约为0.5%。 为典型的脆性材料。
bt
FN 2 FN1 cos 3F
§7-4 轴向拉伸或压缩时的变形
一 纵向变形 Fl l l1 l l A l E l FN F l l N A EA
E为弹性摸量,EA为抗拉刚度
二 横向变形 b b b1 b b 横向应变 泊松比 钢材的E约为200GPa,μ约为0.25—0.33
目录
FN A
该式为横截面上的正应力σ计 算公式。正应力σ和轴力FN同号。 即拉应力为正,压应力为负。
单位:1牛顿/米2.可表示为 1Pa 1N / m2 , 1MPa 106 Pa
圣 文 南 原 理
§7-2 截面上的应力
——横截面上的应力
目录
例题7-2-1
A 1
45°
C
2
FN 1
第七章
•§7-1
轴向拉伸与压缩
概 述
•§7-2
•§7-3 •§7-4 •§7-5
直杆横截面上的正应力
容许应力 强度条件 拉压杆的变形 胡克定律 材料的力学性质
目录
目录
§7-1
概述
目录
建筑力学.pptx
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7.5 重点和难点
• 记住几何不变体系的三个几何组成规则, 灵活运用其来分析体系的几何不变性。
• 体系分无多余约束的几何不变体系;有 多余约束的几何不变体系;几何可变体 系(包括常变体系和瞬变体系)。
7.6 基本要求
• 理解上面提到的几个概念,记住几何不 变体系的组成规则,会分析体系的几何 不变性并指出有无多余约束,若有,有 几个。
7.2 几何组成分析要点
1 .几 何 不 变 体 系 的 组 成 规 则 两刚片规则:两个刚片用不交于一点也不相互平行的三根链杆相联
或用一个铰和不通过此铰的一根链杆相联,组成无多余约束的几何不变 体系。否则就是瞬变体系或常变体系。
三刚片规则:三刚片用不在同一直线上的三个铰两两相联,组成无 多余约束的几何不变体系。否则就是瞬变体系。
第七章 平面体系的几何组成分析
• 实际工程结构中,杆件结构是由若干 杆件互相连接所组成的体系,并与基础 连接成整体,本章的目的就是要判断体 系的几何不变性,只有几何不变体系才 能作为结构来用。同时也要为区分静定 结构和超静定结构以及进行结构的内力 计算打下必要的基础。
7.1 基本概念
1.几何不变体系:不考虑材料的变形,在任意荷载作用下,几何 形状和位置保持不变的体系。 2. 几何可变体系:不考虑材料的变形,在微小荷载作用下,不能保 持原有几何形状和位置的体系。 3. 刚片:刚片为平面体系中不考虑材料本身变形的几何不变部分。 如一根梁、一根连杆、一个铰结三角形等。 4.自由度:体系运动时,用来确定其位置所需的独立坐标数。 5.约束:限制体系运动的装置。约束的类型有连杆、单铰、复铰、 支杆。 6.瞬变体系:在某一瞬时可以产生微小运动的体系,由几何不变体 系转变为几何可变体系,在荷载作用下,其内力趋于无限大,所 以,在工程实际中不能作为结构来用。
建筑力学7章(1)
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0 FN M z 0
A Wz
FN bh
6FN emax bh2
0
em a x
h 6
第7章 组合心压力F的偏心距e小于某一值时,可使杆横
截面上的正应力全部为压应力而不出现拉应力,而与压力
F的大小无关。
土建工程中大量使用的砖、石、混凝土等材料,其抗拉 能力远远小于抗压能力,这类材料制成的杆件在偏心压力 作用下,截面上最好不出现拉应力,以避免被拉裂。因此, 要求偏心压力的作用点至截面形心的距离不可太大。
3. 应力的计算
z
由Mz 引起k点正应力为
' Mzy
Iz
由My 引起k点正应力为
'' Myz
Iy
第7章 组合变形杆的强度计算
Fy和Fz共同作用下k点的正应力,为
梁斜弯曲时
' '' M z y M y z
Iz
Iy
式中 Iz 和Iy分别为截面对z轴和y轴的惯性矩;
横截面任一点 的正应力计算 公式
F z
Mz y
F使杆件发生轴向拉伸; Mz 使杆件绕z轴发生平面弯曲; Mz = Fey My使杆件在绕y发生平面弯曲。 My = Fez
第7章 组合变形杆的强度计算
F
z Mz y
F
' FN
A
MZ
'' Mzy
Iz
My
''' Myz
Iy
' '' ''' FN M z y M y z
第7章 组合变形杆的强度计算
一、单向偏心拉伸(压缩)时的正应力计算
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7.2常温静载下工程材料的拉伸与压缩试 验
7.2.1 低碳钢常温静载拉伸试验
1. 试样及试验方法 低碳钢是含碳量低于0.3%的金属材料,工程中有着广泛的应用。 按照国家标准的规定,低碳钢拉伸试样可以是机加工或不经机加工的 试样,对于机加工试件可以制成圆形截面或矩形截面,如图7-1所示。 如图7-2示,试样两头部或夹持部分(不带头试样)之间平行部分长 度,称为平行长度,用符号表示;试样中段用于测量伸长用的试样圆 柱或棱柱部分的长度称为标距,试样未受力前的标距称为原始标距, 用符号表示。表征试样断裂后的标距称为断后标距,用表示。用引伸 计测量试样延伸时所使用试样平行长度部分的长度,称为引伸计标距, 用符号表示,一般情况下取。表示试样变形前标距内横截面面积,表 示断裂后试样断裂处横截面面积。
u 0 0
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另一个是断面收缩率z, 能力。和都表示材料直到拉断时其塑性变形所能达到的最大程度。和 z愈大,说明材料的塑性愈好。工程上按断后伸长率的大小把材料分 为两类,将 A ≥ 5% 的材料称为塑性材料,如低碳钢、低合金钢和 青铜等都属于塑性材料;将A<5%的材料称为脆性材料,如铸铁、混 凝土、石料等。低碳钢的为20%~30%,z约等于60%,是良好的塑 性材料。 除了上述两指标描述材料塑性变形外,还有其他的一些指标用来描述 材料受力过程中的变形能力,如断裂总伸长率,用来表征断裂时刻原 始标距的总伸长(弹性加塑性伸长)与原始标距之比的百分率。最大 力总伸长率和最大力非比例伸长率等指标用来描述材料的变形能力, 具体参见GB/T 228—2002。
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7.2常温静载下工程材料的拉伸与压缩试 验
将试样加载到进入强化阶段后卸载,然后在短期内再重新加载,则应 力应变会沿着前面卸载直线上升,到k点后仍沿曲线直到断裂。可以 看出,当再加力到时并不发生屈服,而是到了点应力后才出现塑性变 形。所以,这种预拉过的材料的屈服强度提高到k点,材料的强度提 高了。若把卸载后的试样看成研究对象,从二次加载时算起,在二次 加载完成后,可以看到,其塑性应变比原来少了一段。将这种在常温 下经过塑性变形后材料强度提高、断裂时塑性降低的现象,称为冷作 硬化。 工程有时利用其有利的方面,提高构件在弹性范围内的承载能力,如 建筑工程屋面板用钢筋一般作预拉调直处理。
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7.2常温静载下工程材料的温静载拉伸试验
其他金属材料如合金钢、黄铜、铸铁、中碳钢等的拉伸试验和低碳钢 拉伸试验方法相同。这些材料所表现出的力学性能相差较大。与低碳 钢应力应变曲线相似的材料有16锰钢及一些低合金钢,如图7-5所示。 它们与低碳钢相比,屈服强度和抗拉强度都显著提高了,而屈服阶段 的应变变小了,且断裂后伸长率减小了。表征它们力学性能的特征量 同低碳钢。 墨铸铁、青铜的实验曲线 对于其他的金属材料,应力应变曲线并不像低碳钢那样具有四个变形 阶段。如图7-6所示,一些合金钢、硬铝、球墨铸铁没有屈服阶段。 而其他三阶段变形很明显;高碳钢、锰钢等材料没有屈服和局部变形 阶段。这些材料共同的特点是断后伸长率A较大,它们都属于塑性材 料。
z
S0 S u 100% ,用来描述材料的塑性变形的 S0
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3. 卸载与冷作硬化 若将试样拉伸到超过弹性范围后的任一点,如图7-4示的k点,然后逐 渐卸载(减小加在试样上的轴力),则卸载过程中试样的应力应变曲 线将是一条与线弹性段几乎平行的直线,这标志着材料在卸载过程中 应力与应变成线性关系,称其为卸载定律。如图7-4中的。应力降到 零时,应变并未完全降到零,出现了塑性变形,恢复的部分为弹性变 形。可见,在超过弹性极限后,试样的变形由可以完全消失的弹性变 形及不能消失的塑性变形两部分构成, p e 。
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(3)强化阶段,即图上段。该段曲线又开始上升,说明试样经过屈 服阶段后,要使其继续伸长,需要克服试样中不断增长的抗力,从微 观角度看,是试样所有的晶体都发生滑移之后,沿晶粒错动面产生了 新的阻力,这种现象称为材料强化,也成为应变强化。由屈服终止的 c点到d点称为材料强化阶段。曲线cd段向上方倾斜。d点是应力应变 图上应力最大点,此点的应力称为抗拉强度或极限强度,用表示。强 化阶段的变形绝大部分是塑性变形。试样纵向尺寸明显增大,同时横 向尺寸明显缩小,属于大变形的情形。 (4)局部变形阶段,即图上段。d点过后,试样局部的变形显著加大, 使该段横截面的尺寸急剧缩小,出现缩颈现象,如图7-2所示,此阶 段的变形集中发生在缩颈区,故称为局部变形阶段。在该阶段由于缩 颈现象,试样截面显著变小,因而使试样继续变形所需的载荷反而减 小,应力应变曲线急剧下降,最后在缩颈区中部断裂。
A0
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被称为名义应力,即横截面上的平均应力。同时将延伸除以引伸计标 距,得 Le (7-2) Le 被称为引伸计测量段内的工程应变,实际是引伸计测量段内的平均线 应变,也是延伸率。 以为横坐标,为纵坐标,就可由拉伸图画出如图7-4所示的曲线,此 曲线称为应力—应变图,又称工程应力—应变曲线。 2. 低碳钢拉伸时的力学性能 从图7-4上可以看出,低碳钢拉伸时的变形可以分为四个不同的阶段。 (1)弹性阶段,即图上Oa段。 这一阶段可以分为两部分:斜直线段和微弯曲线。斜直线段表示应力 与应变成正比,亦即变形与载荷成正比,这就是1678年英国物理学家 虎克在大量试验的基础上归纳出来的拉压虎克定律 (7-3) E
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上述每一个阶段都是由量变到质变的过程。四个阶段的质变点就是比 例极限、下屈服强度和抗拉强度,当低碳钢制成的轴心受拉构件中应 力 0 ≤ ReL 时,表明材料处于弹性状态,当 ≥ ReH 时,表明材 料进入塑性变形状态,当 Rm 时,表明材料处于最大抵抗能力状态。 故Rel、Rm是衡量材料强度的重要特征量。 工程上用试件拉断后遗留下来的变形来表示材料的塑性变形性能。常 用的特征量有两个。 L L A ( Lu L0 ) 表示的是试样的塑性伸 一个是断后伸长率A, L 100%, 长。(对于比例试样,若原始标距不为5.65 S0 ,符号A应附下脚标说 明比例系数,例如, A表示原始标距 的断后伸长率。对于非比例试 样,符号A应附以下脚注说明使用的原 L0 11.3 S0始标距,以毫米表示, 例如,A80mm表示原始标距L0=80mm的式样的伸长率。)
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对于没有明显屈服阶段的材料,采用名义屈服强度作为其强度指标, 通常规定对应于试样卸载后产生0.2%的塑性应变的应力值为材料的 名义屈服强度,记作,如图7-7所示。对于在强化阶段没有局部变形 阶段的材料,把试样拉断时的应力作为抗拉强度。 另一类典型材料就是和塑性材料对应的脆性材料,如图7-8所示的灰 口铸铁、玻璃钢等都属于脆性材料,从它们的应力应变图上可以看出, 对于灰口铸铁,它的特点是在很小的力作用下应力应变曲线就不是直 线了,但由于直到拉断时试样的变形都很小,且没有屈服阶段、强化 阶段及局部变形阶段,因此,在工程计算中,通常规定某一总应变时 应力应变曲线的割线——图7-8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。衡量脆性材 料强度的唯一指标是材料的抗拉强度Rm。
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具体实验中,对于试样具体尺寸的选取及试验时的加载速度、试样表 面的光洁度、试验温度及标距部分尺寸偏差参见GB/T 228—2002《金 属材料室温拉伸试验方法》规定。图7-3 拉伸图 试验时,将试样装入试验机夹头内,对试样施加轴向拉力F,F由零 缓慢平稳增加,同时从引伸计上读出延伸(试验期间任一给定时刻引 伸计标距的增量),将拉断前拉伸过程中的拉力和对应的延伸记录下 来。就可以画出如图7-3所示的曲线图,称为拉伸图。它描写了从开 始加载到破坏为止,试件承受的荷载和变形发展的全过程。 将整个过程记录的F除以试样受力前的横截面积A0,得 F (7-1)
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7.2常温静载下工程材料的拉伸与压缩试 验
式中,比例系数称为(拉压)弹性模量或杨氏模量,代表材料对使其 产生变形的载荷的抵抗能力——刚度,E的单位与应力单位相同,一 9 般采用GPa,(1 GPa=10 Pa),在应力—应变图上E就是斜直线Oa段的 斜率。 对应于a点的应力称为比例极限,用 p表示。认为应力和应变间服从 线弹性关系。 当试样中的应力小于点应力时,试样的变形是弹性变形,即若在这一 段上将载荷全部卸去,变形将完全消失,应力为零时应变也为零。在 间,应力和应变的关系不再服从正比例关系,是非线弹性的关系。对 应于点的应力称为弹性极限,用表示。 由于大部分固体材料的和很接近,工程应用中并不加以严格区分,故 可以近似认为材料在整个弹性变形阶段材料都服从虎克定律,表现出 E 。 线弹性的性质,即当 0 ≤ ≤ e 时,
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(2)屈服阶段,即图上段。这一段应力在很小范围内波动而应变却 迅速增加,形成一段接近水平的锯齿形曲线。将这种现象称为材料的 屈服或流动。此阶段产生显著的塑性变形,工程上将试样发生屈服而 力首次下降前的最高应力称为上屈服强度,用表示。将屈服期间, (不计初始瞬间效应时的)最低应力称为下屈服强度,用表示。上屈 服强度的值受试验时的加载速度和试样形状的影响较大,故工程上均 以数值比较稳定的下屈服强度作为材料屈服时的强度值,称为屈服强 p、 e 和ReL 度。对于低碳钢这类有明显屈服阶段的材料, 非常接近,由 于和无法用试验精确测定,而比较容易测定,故工程上常将三者统一 用代替,表示弹性阶段的结束。从微观角度看,金属材料产生屈服是 由于金属晶体滑移的结果。