材料在拉伸与压缩时的力学性能-3

§2-3 材料在拉伸与压缩时的力学性能

材料的力学性能：也称机械性能。通过试验揭示材料在受力过程中所表现出的与试件几何尺寸无关的材料本身特性。如变形特性，破坏特性等。研究材料的力学性能的目的是确定在变形和破坏情况下的一些重要性能指标，以作为选用材料，计算材料强度、刚度的依据。因此材料力学试验是材料力学课程重要的组成部分。

此处介绍用常温静载试验来测定材料的力学性能。

1. 试件和设备

标准试件：圆截面试件，如图2-14：标距l 与直径的比例分为，d d l 10=，； d l 5=板试件（矩形截面）：标距l 与横截面面积的比例分为，A A l 3.11=，A l 65.5=； 试验设备主要是拉力机或全能机及相关的测量、记录仪器。

详细介绍见材料力学试验部分。国家标准《金属拉伸试验方法》（如GB228-87）详细规定了实验

方法和各项要求。

2. 低碳钢拉伸时的力学性能

低碳钢是指含碳量在0.3%以下的碳素钢，

如A 3钢、16Mn 钢。

1）拉伸图（P —ΔL ），如图2-15所示。

弹性阶段（oa ）

屈服（流动）阶段（bc ）

强化阶段（ce ）由于P —ΔL 曲线与试样

的尺寸有关，为了消除试件尺寸的影响，可采用

应力应变曲线，即εσ−曲线来代替P —ΔL 曲

线。进而试件内部出现裂纹，名义应力下跌，

至f 点试件断裂。

σ对低碳钢来说，s σ，b σ是衡量材料强度的重要指标。

2）εσ−曲线图，如图2-16所示，其各特征点的含义为：

oa 段：在拉伸（或压缩）的初始阶段应力σ与应变ε为直线关系直至a 点，此时a 点所对应的

应力值称为比例极限，用P σ表示。它是应力与应变成正比例的最大极限。当P σσ≤ 则有

εσE = （2-5）

即胡克定律，它表示应力与应变成正比，即有

αε

σtan ==

E E 为弹性模量，单位与σ相同。

当应力超过比例极限增加到b 点时，

关系偏离直线，此时若将应力卸至

零，则应变随之消失（一旦应力超过b

点，卸载后，有一部分应变不能消除），此b 点的应力定义为弹性极限ε−σe σ。

e σ是材料只出现弹性变形的极限值。

bc 段：应力超过弹性极限后继续加载，

会出现一种现象，即应力增加很少或不增

加，应变会很快增加，这种现象叫屈服。开始发生屈服的点所对应的应力叫屈服极限s σ。又称屈服强度。在屈服阶段应力不变而应变不断增加，材料似乎失去了抵抗变形的能力，因此产生了显著的塑性变形（此时若卸载，应变不会完全消失，而存在残余变形）。所以s σ是衡量材料强度的重要指标。

表面磨光的低碳钢试样屈服时，表面将出现与轴线成45°倾角的条纹，这是由于材料内部晶格相对滑移形成的，称为滑移线，如图2-17所示。

ce 段：越过屈服阶段后，如要让试

件继续变形，必须继续加载，材料似乎

强化了，ce 段即强化阶段。应变强化阶

段的最高点（e 点）

所对应的应力称为强度极限b σ。

它表示材料所能承受的最大应力。过e 点后，即应力达到强度极限后，试件局部发生剧烈收缩的现象，称为颈缩，如图2-18所示。

3）延伸率和截面收缩率

为度量材料塑性变形的能力，定义

延伸率为

100×−=

l l l 1δ% 此处l 为试件标线间的标距，l 1为试件断裂后量得的标线间的长度。

定义截面收缩率为

100×−=A

A A 1ψ% 此处A 为试件原园面积，A 1为断裂后试件颈缩处面积。对于低碳钢：3020−=δ%，60=ψ%，这两个值越大，说明材料塑性越好。

工程上通常按延伸率的大小把材料分为两类：5≥δ%—塑性材料；5<δ%—脆性材料。

4）卸载规律及冷作硬化

卸载规律：试样加载到超过屈服极限后（见图2-16中d 点）卸载，卸载线'

dd 大致平行于OP 线，此时e p g d od og εε+=+=''，

其中e ε为卸载过程中恢复的弹性应变，p ε为卸载后的塑性变形（残余变形），卸载至后若再加载，加载线仍沿线上升，因此加载的应力应变关系符合胡克定律。

'd d d '冷作硬化：上述材料进入强化阶段以后的卸载再加载历史（如经冷拉处理的钢筋），使材料此后的εσ−关系沿ef 路径，此时材料的比例极限和开始强化的应力提高了，而塑性变形能力降低了，这一现象称为冷作硬化。 d d '3．其它塑性材料拉伸时的力学性能

此类材料与低碳钢共同之处是断裂破坏前要经历大量塑性变形，不同之处是没有明显的屈服阶段。对于εσ−曲线没有“屈服平台”的塑性材料，工程上规定取完全卸载后具有残余应变量2.0P =ε%时的应力叫名义屈服

极限，用2.0σ表示。

4．铸铁拉伸时的力学性

能具有以下特点

1） 如图2-19所示灰口铸铁拉伸

时的应力—应变关系，它只有一个

强度指标b σ；且抗拉强度较低；

2）在断裂破坏前，几乎没有塑性变形；

3）εσ−关系近似服从胡克定律，并以割线的斜率作为弹性模量。

材料在静荷压缩时的力学性能

金属材料的压缩试件一般为短圆柱，其高度与直径之比为()3~5.1=h/d 。

1．低碳钢压缩时的εσ−曲线

低碳钢压缩时的εσ−曲线，如图2-20所示。

s E,σ与拉伸时大致相同。因越压越扁，得不到b σ。

2．铸铁压缩时的εσ−曲线

铸铁压缩时的σε−曲线，如图2-21所示。注意

到：1）由于材料组织结构内含缺陷较多，铸铁的抗压

强度极限与其抗拉强度极限均有较大分散度，但抗压

强度极限c σ大大高于抗拉强度极限t σ，其关系大约

为()t c σσ5~3=；2）显示出一定程度的塑性变形特征，致使短柱试样断裂前呈现园鼓形；3）破坏时试件的断口沿与轴线大约成50°的斜面断开，为灰暗色平断口。（图2-21）

与铸铁在机械工程中广泛作为机械底座等承压部件相类似，作为另一类典型的脆性材 料的混凝土，石料等则是建筑工程中重要的承压材料