《材料力學(xué)》第二章 軸向拉伸和壓縮 第6節(jié)

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1、材 料 力 學(xué) 第二章 軸向拉伸和壓縮 (Ch2. Axial Tension and Compression) 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 Mechanical Property of Materials 材料在外力作用下所呈現(xiàn)的有關(guān)強(qiáng)度和變形方面的 特性 ， 稱(chēng)為 材料的力學(xué)性能 。 材料力學(xué)性能是構(gòu)件強(qiáng)度 、 剛度和穩(wěn)定計(jì)算的重要組成部分 ， 也是合理選用材料和從事新材料研究的重要依據(jù) 。 材料的力學(xué)性能都要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定 。 本節(jié)主要介紹工程中常用材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 。 材料的力學(xué)性能除因材料不同而不同以外 ， 還受試驗(yàn)條件 、 加力方式等很多因素的影響 。 同一材料在

2、常溫 、 高溫和低溫 的不 同條件下測(cè)得的力學(xué)性能各不相同；在 快速加載下 測(cè)得的力學(xué)性 能與 緩慢加載條件下 測(cè)得的力學(xué)性能也有顯著差別；同一材料在 拉 、 壓 、 扭轉(zhuǎn)和彎曲不同變形形式下表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能 。 因此 應(yīng)針對(duì)不同情況 ， 分別試驗(yàn) ， 以確定不同情況下的力學(xué)性能 。 為了 使測(cè)得的材料力學(xué)性能可以互相對(duì)比 ， 應(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)試驗(yàn)規(guī)范的 要求進(jìn)行測(cè)定 。 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 Mechanical Property of Materials . 材料的拉伸和壓縮試驗(yàn) (Tensile Test and Compression Test of Materials)

3、. 低碳鋼試樣的拉伸圖及其力學(xué)性能 (Load deflection diagram in tension about mild steel) . 其它金屬材料在拉伸時(shí)的力學(xué)性能 (Mechanical property of others metal materials in tension ) . 金屬材料在壓縮時(shí)的力學(xué)性能 (Mechanical property of metal materials in Compression) . 幾種非金屬材料的力學(xué)性能 (Mechanical property of some nonmetal materials) 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性

4、能 . 材料的拉伸和壓縮試驗(yàn) 試驗(yàn)條件 :常溫、 靜載 (under gradually applied lood at room temperature) 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) :GB228 87。 標(biāo)準(zhǔn) 試件 (Standard specimen) : 如圖，圓形試件，板形試件 使用 Standard specimen 便于相互比較 圓形試件又分 長(zhǎng)試件 (l 10d)和 短試件 (l 5d)兩種 標(biāo)距 (Gage Length)l 壓縮試件 : 短圓柱體，短棱柱體 試驗(yàn) 設(shè)備 : 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 變形儀 mild steel（ 軟鋼）低碳鋼 (low-carbon steel) 如 Q235號(hào)鋼 Cha

5、racteristic: 1,彈性階段 Elastic range; 2,屈服階段 Yield range; 3,強(qiáng)化階段 Hardening range; 4,頸縮階段 Necking range 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 . 低碳鋼試樣的拉伸圖及其力學(xué)性能 l l A P D = = e s 1,Load deflection diagram in tension about mild steel: tensile diagram(P L) diagram: es 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 . 低碳鋼試樣的拉伸圖及其力學(xué)性能 P l = E ( ) pss 1,彈性階段 Ela

6、stic range sp:比例極限 proportional limit se:彈性極限 elastic limit essep = 0 ( ) ep ss 工程上常認(rèn)為為同一點(diǎn) 2,屈服階段 Yield range (流動(dòng)階段 Slip range) P基本不變 , L卻不斷增加 , 對(duì)拋光的試件 ,可以看到與桿軸 線(xiàn)約成 45度方向上的條紋 (滑移 線(xiàn) slip lines),表明材料此時(shí)的塑性變形由剪應(yīng)力 (tmax =s/2)引起。 Yieldpoint (以下屈服點(diǎn)為準(zhǔn) ) ss:屈服極限 Yielding limit 或 流動(dòng) 極限 Silde limit 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的

7、力學(xué)性能 . 低碳鋼試樣的拉伸圖及其力學(xué)性能 4,頸縮階段 Necking range (局部變形階段 Localized deformation range) 此時(shí)在某一較弱的橫截面 及其附近橫向尺寸顯著縮小 ,出 現(xiàn)所謂“頸縮”現(xiàn)象。 breaking point(f): 在 F點(diǎn)拉斷后 , 彈性變形 ee 部分恢復(fù)，剩下 塑 性變形 ep (plastic strain) 物體進(jìn)入塑性階段后，總變形 e ee ep 3,強(qiáng)化階段 Hardening range sb :強(qiáng)度極限 (抗拉強(qiáng)度） Ultimate strength 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 . 低碳鋼試樣的拉伸圖及其力

8、學(xué)性能 在強(qiáng)化階段后期和頸縮階段 ,由于變形較大 ,故 P/A 和 e = l / l 并不能表示試件的真實(shí)應(yīng)力（ true stress） 和 真實(shí)應(yīng)變（ true strain) 故： 常稱(chēng)為 名義應(yīng)力 Nominal stress (Conventional stress) e = l / l 常稱(chēng)為 名義應(yīng)變 Nominal strain (Conventional strain) 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 . 低碳鋼試樣的拉伸圖及其力學(xué)性能 卸載規(guī)律 : 卸載時(shí)荷載與 試樣 伸長(zhǎng)量之間遵循直 線(xiàn)關(guān)系的規(guī)律稱(chēng)為 材料的卸載規(guī)律 . 在卸載過(guò)程中 ， 彈性變形逐漸消失 , 只留下塑

9、性變形 。 如果卸載后立即再加荷載 ， 則荷載與伸長(zhǎng) 量間基本上仍遵循 著卸載時(shí)的同一直線(xiàn)關(guān)系 ， 一直到開(kāi)始卸載時(shí) 的荷載為止 . 冷作硬化 cold hardening 實(shí)質(zhì)： strain hardening 冷作 時(shí)效 age hardening 材料分類(lèi)： 塑性材料 Ductile materials: d 脆性材料 Brittle materials: d 對(duì) Q235鋼 :ss240 MPa,sb390 MPa,d20 30%, 60% 材料的強(qiáng)度指標(biāo) (The strength index of materials): sp :比例極限 se:彈性極限 ss:屈服極限 sb :

10、強(qiáng)度極限 （ spsess） 材料的塑性指標(biāo) (The plastic index of materials): 1,伸長(zhǎng)率 (Percentage Elongation): 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 . 低碳鋼試樣的拉伸圖及其力學(xué)性能 %100%1001 = pl ll ed %1001 D DD= psi 2,斷面收縮率 (Percentage of Cross-section ): 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 . 其它金屬材料在拉伸時(shí)的力學(xué)性能 常用 塑性金屬 材料 在拉伸時(shí)的力學(xué)性能 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 . 其它金屬材料在拉伸時(shí)的力學(xué)性能 有些材料例如鋁合金和退火

11、球墨鑄鐵 沒(méi)有屈服階段 ， 而其它三個(gè)階段卻很 明顯；另外一些材料例如錳鋼則僅有 彈性階段和強(qiáng)化階段 ， 而 沒(méi)有屈服階 段 和 局部變形階段 。 這些材料的共同 特點(diǎn)是伸長(zhǎng)率 d均較大 , 它們和低碳鋼一樣都屬 于塑性材料 。 對(duì) 沒(méi)有屈服階段 的 塑性 材料 ， 通常以塑性應(yīng)變 ep es 0.2%所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 確定為 屈服極限 強(qiáng)度 ， 并稱(chēng)之為 名義 屈服極限 ， 標(biāo)記為 s0.2 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 . 其它金屬材料在拉伸時(shí)的力學(xué)性能 典型脆性金屬材料 鑄鐵 (Cast Iron)在拉伸時(shí)的力學(xué)性能 : 值很小 ， 無(wú)屈服和 “ 頸縮 ” 現(xiàn)象 。 無(wú)直線(xiàn)段 ， 斷裂時(shí)變

12、形很小 強(qiáng)度指標(biāo)只有 強(qiáng)度極限 sb ； 通常用規(guī)定某一總 應(yīng)變時(shí) s e曲線(xiàn)的 割線(xiàn) （ 圖 2-21中的 虛線(xiàn) ） 來(lái)代替此曲 線(xiàn)在開(kāi)始部分的直線(xiàn) ， 從而確定其彈性 模量 ， 并稱(chēng)之為 割線(xiàn)彈性模量 。 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 . 金屬材料在壓縮時(shí)的力學(xué)性能 低碳鋼在壓縮時(shí)的力學(xué)性能 : 彈性 ,屈服初期與拉伸時(shí)相同， Ec=Et spc=spt ssc=sst 壓 拉 mc = mt 因 A (P )故測(cè)不出 sbc 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 . 金屬材料在壓縮時(shí)的力學(xué)性能 鑄鐵在壓縮時(shí)的 力學(xué)性能 : 變形很小就突然 破壞，無(wú) sSc sbc sbt 為經(jīng)濟(jì)的抗壓材料。

13、 破壞面與試件軸線(xiàn) 成大約 35o 39o角 ,表 明是因?yàn)榭辜裟芰Σ?夠而斷裂。 鑄鐵在壓縮時(shí)的力學(xué)性能 : 為了對(duì)比，圖中示出了灰口鑄 鐵受壓 (實(shí)線(xiàn) )和受拉 (虛線(xiàn) )的 s e 曲線(xiàn)。從圖可知，鑄鐵壓縮 s e 曲 線(xiàn)也無(wú)嚴(yán)格的直線(xiàn)部分，破壞時(shí)的 應(yīng)變較拉伸大 ,約為 5。破壞面與 試件軸線(xiàn)大約成 35o 39o， 表明試 件主要是剪斷的。由于斜面上同時(shí) 存在正壓力引起的摩擦力的影響， 所以破壞面并不在最大剪應(yīng)力方向 (45o)。 鑄鐵的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng) 度高得多 ,約為 3 5倍，加之價(jià)格較低廉、便于成型，因此廣泛用于 制造機(jī)座、機(jī)床床身、軸承座等承壓構(gòu)件。 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的

14、力學(xué)性能 . 金屬材料在壓縮時(shí)的力學(xué)性能 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 . 幾種非金屬材料的力學(xué)性能 混凝土 和 天 然 石 料 壓縮： 試件的破壞 形式與兩端 面受到的摩擦力的大小有關(guān)。 (a),(b)分別表示試件兩端面不加潤(rùn)滑劑和加潤(rùn)滑劑 的破壞形式。前者由于兩端面橫向變形受到摩擦力的阻礙 ,使試件中部逐漸剝落 , 形成兩個(gè)相連的截錐體。后者由于潤(rùn)滑使摩擦力減小 ,產(chǎn)生縱向開(kāi)裂破壞 ,其抗壓 強(qiáng)度也較前者小。在規(guī)范中 ,取立方體的邊長(zhǎng)為 150mm,按前者測(cè)出的抗壓強(qiáng)度稱(chēng) 為標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度 ,并用以確定混凝土或石料的等級(jí)。 sbc 10 sbt 混凝土的彈性模量規(guī)定以 s 0.4sb

15、時(shí)的割線(xiàn)斜率來(lái)確定。 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 . 幾種非金屬材料的力學(xué)性能 混凝土壓縮 :混凝土是一種多相材料 ,內(nèi)部細(xì)小裂縫多 ,隨著受力增大 ,裂縫經(jīng)歷 穩(wěn)定階段、穩(wěn)定擴(kuò)展階段和裂縫貫通非穩(wěn)定擴(kuò)展階段 ,表現(xiàn)出加載曲線(xiàn)有明顯的非 線(xiàn)性。由于內(nèi)部硬骨料使沿裂縫滑移受阻 ,故其破壞也有一個(gè)漸變過(guò)程。 混凝土加載到某一點(diǎn) a(即使應(yīng)力不大 )卸載 ,將有塑性應(yīng)變 eap(圖 (b),但多次重復(fù)加載 和卸載后 ,塑性變形逐步減小。因此 ,工程上常以割線(xiàn) oa(虛線(xiàn) )的斜率來(lái)定義彈性模量 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 . 幾種非金屬材料的力學(xué)性能 木材的力學(xué)性能 : 木材的順紋抗拉強(qiáng)度很

16、高 ， 但因受木節(jié)等缺陷的影響 ， 其強(qiáng)度極 限值波動(dòng)很大 。 木材的橫紋抗拉強(qiáng)度很低 。 工程中應(yīng)避免橫紋受 拉 。 木材的順紋抗壓強(qiáng)度雖稍低于順紋抗拉強(qiáng) 度 ， 但受木節(jié)等缺 陷的影響較小 。 木材為各向異性材料，順紋與橫紋的力學(xué)性質(zhì)相差較大 。 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 . 幾種非金屬材料的力學(xué)性能 玻璃鋼 等復(fù)合 材料 : 由兩種或兩 種以上不同 性能的材料 在宏觀尺度 上復(fù)合而成的新材料，稱(chēng)為復(fù)合材料這種材料不僅具有組成材料相互取長(zhǎng)補(bǔ)短 的綜合性能，而且具有組成材料沒(méi)有的良好性能 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 . 幾種非金屬材料的力學(xué)性能 復(fù)合材料 : 復(fù)合材料一般 由基體材

17、料和 增強(qiáng)材料所組 成?；w材料 可以是塑料、 金屬和陶瓷等 ; 增強(qiáng)材料可以 是纖維、顆粒 和微珠。目前 在結(jié)構(gòu)材料中 應(yīng)用最廣泛的 現(xiàn)代復(fù)合材料 是纖維增強(qiáng)塑料。其中纖維主要是玻璃纖維、碳纖維、硼纖維和芳綸纖維 ,基體主 要是不飽和聚脂樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂等。 玻璃鋼 等復(fù)合材料 的 主要優(yōu) 點(diǎn) 是 重量輕 ， 比強(qiáng) 度（抗拉強(qiáng)度密度）高，成型工藝簡(jiǎn)單，且耐 腐蝕、抗振性能好 。 玻璃鋼的力學(xué)性能與所用的玻璃纖維（或玻璃 布）和樹(shù)脂的性 能，以及 兩者的相對(duì)用量和相互結(jié)合的方式有關(guān) 。 塑料的典型拉伸圖 : 塑料是一類(lèi)品種繁多的高分子合成材料 ,它除了具有一定的強(qiáng)度、剛度和塑 性以外

18、,還具有重量輕 (比重為 0.9 2.2)、耐化學(xué)腐蝕、電絕緣性能好和易于成 型加工等優(yōu)點(diǎn) 。 塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩類(lèi)。 熱塑性塑料 : 這類(lèi)塑料加熱軟化、冷卻硬化 ,反復(fù)加熱和冷卻仍具有可塑性。如聚乙烯、聚丙 烯、聚酰胺等。 熱固性塑料 :這類(lèi)塑料化學(xué)反應(yīng)成型后 ,受熱和冷卻不再明顯 改變狀態(tài) .如酚醛塑料、環(huán)氧塑料、氨基塑料等。 不同品種的塑料 ,由于成分、 分子結(jié)構(gòu)的不同 ,其力學(xué)性質(zhì)差別很大。 有些屬于塑性材料 ,有些屬于脆性材料 。 抗拉強(qiáng)度值從幾 MPa變到上百 MPa;斷后伸長(zhǎng)率從幾乎為零變到百分之幾百。 塑料還 是一種粘彈性材料 ,具有強(qiáng)烈的粘彈性性質(zhì)。 塑料的

19、主要缺點(diǎn) 是 不耐熱 ,一般 只能在 100 以下長(zhǎng)期使用 ,少數(shù)塑料可耐 200 的高溫 ;塑料 在光、熱、氧作用下 易老化變質(zhì) 。為了滿(mǎn)足使用要求 ,克服主要缺點(diǎn) ,在塑料制品中常有各種 添加劑 ;特 別是 通過(guò)高性能纖維增強(qiáng) ,便制造出了性能特別優(yōu)良的現(xiàn)代 復(fù)合材料 。 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 . 幾種非金屬材料的力學(xué)性能 塑料的典型拉伸應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)如圖所示。由圖可知 ,它也有彈性階段、屈 服階段和強(qiáng)化階段。圖中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為比例極限 (或彈性極限 )sp;點(diǎn)為屈 服點(diǎn) ,該點(diǎn)應(yīng)力稱(chēng)為屈服強(qiáng)度 ss;點(diǎn)以后的應(yīng)力略有下降 ,變形顯著增長(zhǎng) ;試件最 后在 c點(diǎn)斷裂 ,相應(yīng)應(yīng)力

20、sb為斷裂強(qiáng)度 (又稱(chēng)拉伸強(qiáng)度 )。若在 c點(diǎn)斷裂 ,規(guī)范規(guī)定 以屈服強(qiáng)度 ss 作為斷裂強(qiáng)度。 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響 鋼材在高 、 低溫下的力學(xué)性質(zhì) : 高、低溫下材料力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法和常溫下測(cè)定相同 ,但試件要 處于相應(yīng)的溫度環(huán)境之中。 圖 4.21為某種碳鋼 在不同溫度水平下測(cè)得 的 s e 曲線(xiàn)。 圖 4.22為低碳鋼 (合碳 0.15%)的 力學(xué)性能隨溫度 變化的曲線(xiàn)。 圖 4.23為一 種中碳鋼在不 同低溫條件下 所得拉伸圖。 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響 鋼材在高、低溫下的力學(xué)性質(zhì) : 由以上各圖顯示的材料力學(xué)性能

21、,可歸納出如下 結(jié)論 : 1,從室溫升溫 ,總的規(guī)律是材料的強(qiáng)度指標(biāo) (ss, sb)隨溫 度升高而降低 ,塑性指標(biāo) (d,)隨溫度升高而提高 ,彈性 模量隨溫度升高而減小 ,泊松比 m隨溫度升高而增大 。 2,從室溫降溫 ,強(qiáng)度極限提高 ,但斷后伸長(zhǎng)率 d降低 ,當(dāng)溫 度降到 -253 時(shí) ,材料已由塑性材料轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧?。 3,在特定的溫度區(qū)間 ,某些指標(biāo)有一些特定規(guī)律 。 如低 碳鋼的抗拉強(qiáng)度 sb,在溫度低于 250 時(shí) ,隨溫度升高而增 加；在 250 300 之間 sb最大 ,但斷后伸長(zhǎng)率 d在此溫 度范圍卻有較大下降 ， 表現(xiàn)出性能脆化 ， 稱(chēng)為 藍(lán)脆性 。 6材料在拉伸和壓縮

22、時(shí)的力學(xué)性能 溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響 溫度對(duì)塑料力學(xué)性能的影響 : 塑料是一種不耐熱的材料 ,其力學(xué)性能隨溫度變化很大。 圖 4.24為塑料的應(yīng)變一溫度曲線(xiàn)。當(dāng)溫度低于玻璃化溫度 Tg時(shí) , 塑料處于玻璃態(tài) ,具有一定的強(qiáng)度和剛度 ,應(yīng)力 -應(yīng)變基本成線(xiàn)性 關(guān)系 ,是塑料的使用狀態(tài)。當(dāng)溫度高于 Tg 時(shí) ,塑料將轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)而 成為橡膠；溫度進(jìn)一步升高到 Tf時(shí) ,又由高彈態(tài)變成粘流態(tài)。溫度達(dá) 到 Td塑料分解。 從玻璃態(tài)到高彈 態(tài) ,塑料的強(qiáng)度、剛度 性能將有大幅度降低 , 例如彈性模量將下降 3 4個(gè)數(shù)量級(jí) ,如圖 4.25。 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 粘彈性和蠕變、松弛、彈性后效

23、的概念 1,粘彈性的概念 : 理想彈性 Ideal Elasticity表現(xiàn)為應(yīng)力與應(yīng)變成線(xiàn) 性關(guān)系 ,服從虎克定律 ； 理想粘性 Ideal Viscosity表現(xiàn) 為應(yīng)力與應(yīng)變速度成線(xiàn)性關(guān)系 ,服從牛頓粘性定律 。 粘彈性 Viscoelasticity是介于上述兩種性質(zhì)之間的 、 既 有彈性又有粘性的性質(zhì) 。 瀝青 、 混凝土 、 塑料和低熔點(diǎn)金 屬 (鉛及其合金等 )在較低溫度下就有強(qiáng)烈的粘彈性態(tài) 。 但對(duì)于 碳鋼要在 300 350 以上 、 合金鋼要在 350 400 以上才 顯示明顯的粘彈性態(tài) 。 粘彈性的 特點(diǎn) 是 應(yīng)力 、 應(yīng)變和時(shí)間的相關(guān)性 。 主 要表現(xiàn)在產(chǎn)生 蠕變 Cr

24、eep、 應(yīng)力松弛 Slackness of Strss和 彈性后效 Elastic Aftereffect等現(xiàn)象上 . 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 粘彈性和蠕變、松弛、彈性后效的概念 2,蠕變 、 松弛和彈性后效的概念 : 蠕變 Creep是指 在恒定溫度和應(yīng)力作用下 ,材料的變形 隨時(shí)間增加而增加的現(xiàn)象 。 圖 4.26表示一條典型的蠕變曲線(xiàn) 。 圖中初始應(yīng)變 e0是加載產(chǎn)生的應(yīng)變 ,為時(shí)間 。 曲線(xiàn) (斜率代表蠕變 速度 )可分成三個(gè)階段 : *初始蠕變階段 ,蠕變速率 由快逐漸降低； *穩(wěn)定蠕變階段 ,蠕變速率 為定值； *破壞蠕變階段 ,蠕變速率 逐漸加大 ,直至破壞 . 同一材

25、料 ,當(dāng)應(yīng)力恒定 、 溫度提高 ,或溫度恒定 、 應(yīng)力提高 ,都會(huì)使蠕變速率加快 。 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 粘彈性和蠕變、松弛、彈性后效的概念 2,蠕變 、 松弛和彈性后效的概念 : *應(yīng)力松弛 Slackness of Strss是指 在恒定溫度和應(yīng)變的條件下 , 材料的應(yīng)力隨時(shí)間的增加而減小的現(xiàn)象 。這種現(xiàn)象 主要由 于材料的 彈性變形隨時(shí)間逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?而致。 圖 4.27為一條典型的應(yīng)力松弛曲線(xiàn) ,s0為初始應(yīng)力。 *彈性后效 Elastic Aftereffect 或 彈性滯后 是 指材料在彈性 階段加載和卸載時(shí) ,應(yīng)變的 變化滯后于應(yīng)力變化的現(xiàn)象 。 因此 ,即使在

26、彈性階段卸除荷載 , 變形也不能全部立即恢復(fù) ,而要經(jīng) 歷一定時(shí)間后才能全部恢復(fù) 。 蠕變 、 應(yīng)力松弛 和 彈性后效 等現(xiàn)象 ,對(duì)于 處于粘彈性狀態(tài)工作的材料必須加以考慮 。 例 如 ,汽輪機(jī)葉輪上的葉片工作中受到離心力作用 ,又處于 高溫環(huán)境中 ,其蠕變變形必須要嚴(yán)格控制在一定限度內(nèi) , 否則將導(dǎo)致葉片變形過(guò)大而與機(jī)殼相碰的事故。 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 粘彈性和蠕變、松弛、彈性后效的概念 2 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 (小結(jié) ) 材料主要力學(xué)性能指標(biāo) : 1,彈性抗力指標(biāo) 有 比例極限 sp和 彈性極限 se 。 應(yīng)用上兩者 常不作區(qū)分 。 2,材料剛度指標(biāo) 反映材料對(duì)彈性

27、變形的抗力 。 有 彈性模量 、 泊松比 m和 剪切模量 。 對(duì)于各向同性材料 ,三者為 常數(shù) ,存在關(guān)系 : E/2(1+m) 對(duì)于正交各向異性材料 ,每 一個(gè)主方向有個(gè)彈性常數(shù) ,共有個(gè)獨(dú)立的彈性常數(shù) 。 對(duì)于極端各向異性材料 ,則共有個(gè)獨(dú)立的彈性常數(shù) (參 見(jiàn)各向異性彈性力學(xué) )。 3,材料強(qiáng)度指標(biāo) 有 屈服點(diǎn) ss(或 名義屈服極限 s0.2)、 強(qiáng)度 極限 sb和 疲勞極限 sr. 。 4,材料塑性指標(biāo) 有 延伸率 (斷后伸長(zhǎng)率 )d和 截面收縮率 5,材料韌性指標(biāo) 有 沖擊韌性 ak和 斷裂韌性 K1c. 2 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 (小結(jié) ) 兩類(lèi)材料力學(xué)性能比較 :從前

28、面幾節(jié)介紹可知 ， 塑性材料和脆性材料的力學(xué)性能 有顯著的不同 ， 為了給構(gòu)件選定適宜的材料 ， 應(yīng)對(duì)它們的力學(xué)性能特點(diǎn)有明確的認(rèn)識(shí) 。 (1)塑性材料的塑性好 (d 5%)、 韌性高 ,脆性材料塑性差 (d 5%)、 韌性低 。 因此 , 需要鍛壓加工的構(gòu)件 、 承受動(dòng)應(yīng)力作用的構(gòu)件 、 易于產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷的構(gòu)件等宜選用塑性 好 、 韌性高的塑性材料制作 。 (2)通常塑性材料的抗拉強(qiáng)度比脆性材料高 ,而脆性材料抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高 得多 。 因此 ,受拉構(gòu)件應(yīng)選用塑性材料 ,脆性材料適于制作基礎(chǔ) 、 機(jī)座等承壓構(gòu)件 。 (3)塑性材料因存在屈服階段 ,當(dāng)構(gòu)件存在應(yīng)力集中使局部最大應(yīng)力達(dá)到屈

29、服極限 時(shí) ,該應(yīng)力不再增大而變形迅速增加 ;當(dāng)外力繼續(xù)增大時(shí) ,增加的力就由截面上尚未 屈服的材料來(lái)承擔(dān) ,這樣就使截面上的應(yīng)力趨于均勻 ,因此對(duì)于 塑性材料在靜載荷 作用時(shí) ,可以 不考慮應(yīng)力集中的影響 ,但 動(dòng)應(yīng)力下仍需考慮 ,對(duì)于 組織均勻的脆性材 料 ,應(yīng)力集中將 顯著降低構(gòu)件的強(qiáng)度 ,不僅動(dòng)應(yīng)力作用下要考慮 ,就是在靜載荷作 用下也要考慮 。 而對(duì)于 組織粗糙的脆性材料 (如鑄鐵 ),材料本身就有許多雜質(zhì) 、 孔隙 ,即有嚴(yán)重的應(yīng)力集中 ,外形改變所引起的應(yīng)力集中 則處于次要地位 ,可以不 考慮 。 因此 ,從對(duì)應(yīng)力集中的敏感性考慮 ,對(duì)于有嚴(yán)重應(yīng)力集中的構(gòu)件應(yīng)選用塑性 好的材料

30、。 (4)金屬材料往往強(qiáng)度越高 ,韌性越低 。 圖 4.16示出了某種高強(qiáng)度鋼 s0.2與 1c的關(guān) 系。從強(qiáng)度的觀點(diǎn)來(lái)看 , s0.2值越高越好 ,但隨著 s0.2值的增高 , 1c值嚴(yán)重降低 ,這將 導(dǎo)致產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷。因此 ,不能只強(qiáng)調(diào)材料的強(qiáng)度指標(biāo) ,而忽略了材料的韌性指 標(biāo)。應(yīng)二者兼顧。 2 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 (小結(jié) ) 材料的力學(xué)性質(zhì)是構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定計(jì)算的重要組成部分 ,也是合理選用材 料和改進(jìn)材料的主要依據(jù)。 主要內(nèi)容 :1,材料的力學(xué)性能是通過(guò)試驗(yàn)確定的。 影響材料力學(xué)性能的 因素很多 ,因此 ,試驗(yàn)必須嚴(yán)格按規(guī)范條件進(jìn)行。材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)是反映材 料力

31、學(xué)性能的基本資料 ,應(yīng)掌握常用工程材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)。低碳鋼拉伸應(yīng) 力一應(yīng)變曲線(xiàn)具有典型性和基礎(chǔ)性 ,它全面地顯示出材料的力學(xué)性能 ,如 E,m,sp , se, ss, sb,d,等。對(duì)于其它材料的力學(xué)性能可與低碳鋼對(duì)比 ,并注意其特點(diǎn)。 2,工程材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)有： 強(qiáng)度指標(biāo) ss (或 s0.2), sb等；塑性指標(biāo) d,等；剛度指標(biāo) E,G, m等；韌性指標(biāo) ak,K1c等。對(duì)各項(xiàng)性 能指標(biāo)的物理意義、測(cè)定原理應(yīng)清晰理解 ,并注意我國(guó)規(guī)范 GB228 87關(guān)于對(duì)抗力 指標(biāo)和塑性指標(biāo)的定義。 3,工程材料可分成兩類(lèi) :塑性材料 (de和脆性材料 (dd。 兩類(lèi)材料的力學(xué)性能有很大

32、的差異。塑性材料抗拉壓性能基本一致 ,強(qiáng)度高 ,塑性 和韌性好 ,一般常用作拉桿、動(dòng)荷載作用的構(gòu)件、應(yīng)力集中嚴(yán)重的構(gòu)件和易發(fā)生 低應(yīng)力脆斷的構(gòu)件。脆性材料的顯著特點(diǎn)是抗壓性能好 ,但抗拉、塑性和韌性均 差 ,一般用作受壓構(gòu)件。有些指標(biāo)是矛盾的 ,如強(qiáng)度高往往韌性就低。因此 ,選用 材料時(shí)應(yīng)全面考慮。假若片面追求高強(qiáng)度 ,忽視了必要的斷裂韌度要求 ,構(gòu)件就會(huì) 發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展而脆斷；又若只重視強(qiáng)度、韌度指標(biāo) ,不注意剛度指標(biāo) ,構(gòu)件也 可能會(huì)因變形過(guò)量而不能正常工作。 2 6材料在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能 (小結(jié) ) 4,各向同性材料的力學(xué)性能與方向無(wú)關(guān) ,正交 、 各向異性材料的力學(xué)性 能是方向

33、的函數(shù) ,試驗(yàn)和選用材料都更復(fù)雜 。 正交各向異性材料要分別測(cè)定三個(gè) 主方向的性能 ,且不同主方向性能差別很大 。 在選材 (或設(shè)計(jì)材料 )時(shí) ,除了注意主 要受力以外 ,次要受力方向也要注意 ,否則可能因次要受力方向材料性能太差而導(dǎo) 致破壞 。 5,材料的力學(xué)性質(zhì)對(duì)溫度是敏感的 ,在高溫或低溫工作的構(gòu)件 ,不能用 常溫測(cè)得的材料力學(xué)性能指標(biāo) ,必須在相應(yīng)的溫度中測(cè)定 。 一般而論 ,材料的強(qiáng)度 指標(biāo) (ss, sb),剛度指標(biāo)隨溫度升高而下降；塑性指標(biāo) d,隨溫度升高而增加 。 但對(duì)有些材料 ,特殊溫度區(qū)間例外 。 6,材料的彈性 、 塑性和粘性是三種理想性質(zhì) 。 在一定條件下表現(xiàn)為 一個(gè)或

34、多個(gè)方面的性質(zhì) 。 如塑料 、 混凝土 、 瀝青在常溫和不大的應(yīng)力下表現(xiàn)出彈 性和粘性 。 而碳鋼在高溫 (300 以上 )和一定的應(yīng)力下才表現(xiàn)出粘彈性；在常溫 下 ,受力小 (彈性范圍 )表現(xiàn)為彈性 ,受力大 (屈服 )表現(xiàn)為塑性或彈塑性 ,根據(jù)材料 彈性 、 塑性和粘性的表現(xiàn)特征 ,突出主要性能 ,略去次要性能 ,提出了眾多的本構(gòu) 模型 。 基本的有 :理想彈性模型 、 理想彈塑性模型 、 理想剛塑性模型 、 線(xiàn)性強(qiáng)化 彈塑性模型 、 冪強(qiáng)化模型 、 麥克斯威爾模型 、 沃埃特一凱爾文模型 。 本章重點(diǎn) :1,常用材料的 s e 曲線(xiàn)及特點(diǎn) ,特別是低碳鋼拉伸 s e 曲線(xiàn)及特點(diǎn) ;2,材料主要力學(xué)性能指標(biāo)的物理意義和測(cè)定 ; 基本概念 :線(xiàn)彈性 ,屈服 ,強(qiáng)化 ,冷作硬化 ,粘彈性 ,蠕變 ,應(yīng)力松弛等 。