04-2.3 材料在拉伸和压缩时的力学性能

材料力学大连理工大学王博

材料在拉伸和压缩时的力学性能

回顾

任意横截面的轴力可求

每一横截面内任意点的应力可求杆内最大应力可求

建立强度条件

还需要掌握材料的相关性能

材料在拉压时的力学性能

力学性能： Mechanical properties (机械性能) 破坏特性

变形特性

目的：

确定材料破坏和变形方面的重要性能指标

强度和变形计算的依据

方法：试验

一、拉伸试验和压缩试验 标点 标点 F F

d

1.目的 测定材料拉压时的力学性能

2.设备 全能试验机

3.试件

4.加载方式和记录

渐加静载荷——由零开始，缓慢增加，至终值后数 值不再变化或变化很小 记录载荷F 与伸长⊿l 的关系

标距 l , l =10d , l = 5d （圆)

l

拉梅（1795-1870）的拉伸试验机

伽利略（1564-1642）

某电子拉伸试验机

二、低碳钢拉伸时的力学性能低碳钢：含碳量低于0.3﹪

1. 拉伸图

F F

l ⊿l

低碳钢拉伸试验——拉伸图

拉伸图

F

Δl 缺点：尺寸效应

尺寸不同，曲线不同

2.应力-应变图（σ-ε 图）

目的：克服拉伸图的尺寸效应 σ

ε l ——原长 名义应力 名义应变 A ——初始横截面面积 N F A

σ=l l ε∆=

σ

ε

σp

①弹性阶段 Elastic stage

特点：变形是完全弹性的

特征应力：

弹性极限σe Elastic limit 比例极限σp Proportional limit

σe

σ

ε

σe σp

弹性阶段

胡克定律： Hookes Law σ ≤ σp

E ——弹性模量 Young ,modulus of elasticity 材料弹性常数

σ = Eε 线性关系

σ

ε

σe σp 弹性阶段

E ——弹性模量 （杨氏模量）

单位 Pa 1GPa = 109 Pa

物理意义 材料抵抗弹性变形的能力 几何意义 σ -ε 图比例阶段斜率 σ = Eε

②屈服阶段 Yield stage

特点：材料失去抵抗变形的能力 ——屈服(流动） Yield 应力不增加，变形增加 特征应力：屈服极限σs Yield limit Q235钢 σs = 235 MPa σ

ε

σs

F F 屈服阶段

45° 滑移线 Slip liens

方位—与轴线成45° 原因—最大切应力 机理—晶格滑移

滑移线 σ

ε

σs

③强化阶段 Strengthing stage 特 点： 应变硬化 Strain hardening 材料恢复变形抗力 σ-ε 关系非线性

滑移线消失

试件明显变细

σ

ε

σb

特征应力： 强度极限σb Ultimate strength

特征：颈缩现象

Necking

断口：杯口状

有磁性

思考原因为何？ σ ε ④颈缩阶段（局部变形阶段） Stage of local deformation

3. 特征应力 σ

ε

强度极限σb

屈服极限σs

弹性极限σe

比例极限σp

σ

ε 4.卸载定律

规律 拉伸过程中在某点卸载，σ -ε 将按照比例阶段的规律变化，直到完全卸载

卸载 K

平行于比例阶段

σ ε 卸载

K 卸载后重新加载，σ-ε按卸载路径变化，至卸载点附近后回到未经卸载的曲

线上 卸载再加载规律

再加载

思考： 在屈服阶段卸载再加载是什么样的？

在强化阶段卸载，材料的比例极限提高，塑性降低 σ ε

原比例极限 现比例极限

原残余应变 现残余应变

冷作硬化 Cold hardening

5.塑性指标

⑴ 断后伸长率（延伸率）δ

Percent elongation

塑性材料 δ ＞ 5﹪

Ductile materials Q235钢 δ = 20～30﹪ 脆性材料 δ ＜ 5﹪

Brittle materials 铸铁 δ ＜0.5﹪ l

⊿l F F

=100l %l δ∆⨯

塑性指标

⑵ 断面收缩率 ψ

Percentage reduction of area A ——— 断口原始横截面面积 A 1 ——— 断裂时断口横截面面积 ΔA = A - A 1 断口处横截面面积改变量

Q235钢 ψ = 60﹪

=100A %A

ψ∆⨯

三、其他塑性材料拉伸

σ

16锰钢颈缩

明显屈服

ε

退火球墨铸铁

σ

颈缩

无明显屈服

ε

锰钢

σ

无颈缩

无明显屈服

ε

σ ε

玻璃钢

无明显屈服

颈缩