材料在拉伸和压缩时的力学性质

发布时间:2024-02-03 19:02:21浏览次数:6
材料在拉伸和压缩时的力学性质一、材料在拉伸时的力学性质(一)低碳钢的拉伸实验低碳钢是含碳量较低(在 0.25%以下)的普通碳素钢,例如 Q235 钢。标准试件:一种是圆截面试件,如图所示。在试件中部 A、B 之间的长度 L 称为标矩,试验时用仪表测量该段的伸长。标距 L 与标距内横截面直径 d 的关系为 L=10d 或 L=5d。1、拉伸过程中的各个阶段及特点:(1)弹性阶段:当试件中的应力不超过 点的应力时,试件的变形是弹性的,即在这个阶段内,当卸去荷载后,变形完全消失。 点对应的应力称为弹性极限,用 σe 表示。在弹性阶段内,oa 线为直线,这表示应力和应变(或拉力和伸长变形)成线性关系,即材料服从虎克定律。 点对应的应力称为比例极限,用σP 表示。(2)屈服阶段:亦可称为流动阶段。当增加荷载使应力超过弹性极限后,变形增加较快,而应力不增加或产生波动,在应力-应变曲线上呈锯齿形线条,这种现象称为材料的屈服或流动。在屈服阶段内,若卸去荷载,则变形不能完全消失。这种没有消失的变形即为塑性变形或残余变形。材料具有塑性变形的性质称为塑性。屈服阶段内最高点的应力很不稳定,而最低点所对应的应力较为稳定。故通常取最低点所对应的应力为材料屈服时的应力,称为屈服极限或流动极限,用 σS 表示。当应力达到屈服极限时,材料会出现明显的塑性变形,将使构件不能正常工作,所以屈服极限 σS 是衡量材料强度的一个重要指标,Q235 钢的屈服极限约为 σS=235Mpa。(3)强化阶段:试件屈服以后,内部组织结构发生了变化,重新获得了抵抗外力的能力,因此要使试件继续增大变形,必须增加外力,这种现象称为材料的强化。在强化阶段中,试件主要产生塑性变形,而且随着外力的增加,塑性变形量显著地增加。这一阶段的最高点 d 所对应的应力称为强度极限,用 σb 表示。(4)破坏阶段:从 d 点以后,试件在某一薄弱区域内的伸长急剧增加,试件横截面在这薄弱区域内显著缩小,形成了“颈缩”现象,最后试件在最小截面处被拉断。2、材料的塑性指标 常用的塑性指标有两种,即延伸率截面收缩率工程中一般将 的材料称为塑性材料, %的材料称为脆性材料。低碳钢的延伸率大约在 25%左右,故为塑性材料。3、冷作硬化现象在材料的强化阶段中,如果卸去拉力,则卸载时拉力和变形之间仍为线性关系,如图中 fg。由图可见,试件在强化阶段的变形包括弹性变形ΔLe 和 塑性变形 ΔLp。如卸载后立即重新加载,则拉力和变形之间大致仍按 gf 直线变化,直到 f 点后再按原曲线 fe 变化。将 ofe 曲线和 gfe 曲线比较后看出,①卸载后重新加载时,材料的比例极限提高了(由原来的 σp 提高到 f 点所对应的应力),而且不再有屈服现象,②拉断后的塑性变形减少了(即拉断后的残余伸长由原来的 Oc 减小了 gc)。这一现象称为冷作硬化现象。材料经过冷作硬化处理后,材料的强度提高,塑性降低。(二)铸铁拉伸时的力学性能(1)应力-应变曲线上没有明显的直线段,即材料不服从虎克定律。但直到试件拉断为止,曲线的曲率都很小。因此,在工程上,曲线的绝大部分可用一割线(如图中虚线)代替,在这段范围内,认为材料近似服从虎克定律。(2)变形很小,拉断后的残余变形只有(0.5-0.6)%,故铸铁为脆性材料。(3)没有屈服阶段和“颈缩”现象。唯一的强度指标是拉断时的应力,即强度极限 σb。但强度极限很低。 二、材料在压缩时的力学性能1.低碳钢的压缩试验低碳钢压缩试验的试件采用圆柱形。为了避免试件受压后发生弯曲,规定试件高度和直径之比为L=(1.5-3.0)d。试验得到低碳钢的应力-应变曲线如图 a 所示。由试验得知:(1)低碳钢压缩时的比例极限 σP、屈服极限 σS 及弹性模量 E 都与拉伸时的相同。(2)当应力超过屈服极限之后,压缩试件产生很大的塑性变形,愈压愈扁,横截面面积不断增大,如图 b所示。虽然应力不断增加,但因试件不会破裂,故无法得到压缩的强度极限。2、铸铁的压缩试验铸铁压缩试验也采用圆柱形短试件。应力-应变曲线和试件破坏情况如图 a 和 b 所示。由试验得知:(1)和铸铁拉伸试验相似,应力-应变曲线上没有直线段,即材料不服从虎克定律。(2)没有屈服阶段。(3)和铸铁拉伸相比,破坏后的轴向应变较大,约为 5%-10%。(4)试件沿着和横截面大约成 的斜截面剪断。通常以试件剪断时横截面上的正应力作为强度极限 。铸铁压缩强度极限比拉伸强度极限高 4-5 倍。三、塑性材料和脆性材料的比较从以上介绍的各种材料的试验结果看出,塑性材料和脆性材料在常温和静荷载下的力学性质有很大差别,现扼要地加以比较。(1)塑性材料的抗拉强度比脆性材料的抗拉强度高,故塑性材料一般用来制成受拉杆件;脆性材料的抗压强度比抗拉强度高,故一般用来制成受压构件,而且成本较低。(2)塑性材料能产生较大较大的塑性变形,而脆性材料的变形较小。要使塑性材料破坏需消耗较大的能量,因此这种材料抵抗冲击的能力较好;因为材料抵抗冲击能力的大小决定于它能吸收多大的动能。此外,在结构安装时,常常要校正构件的不正确尺寸,塑性材料可以产生较大的变形不破坏;脆性材料则往往会由此引起断裂。 (3)当构件中存在应力集中时,塑性材料对应力集中的敏感性较小。必须指出,材料的塑性或脆性,实际上与工作温度、变形速度、受力状态等因素有关。例如低碳钢在常温下表现为塑性,但在低温下表现为脆性;石料通常认为是脆性材料,但在各向受压的情况下,却表现出很好的塑性。
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