文档介绍：第4章轴向拉伸与压缩
轴向拉伸与压缩的概念
拉(压)杆的轴力和轴力图
拉(压)杆横截面的应力和变形计算
材料拉伸和压缩时的力学性能
拉(压)杆的强度计算
4材料拉伸和压缩时的力学性能
材料的力学性能:材料在外力作用下,其强度和变形方面所表现出来的性能。它是通过试验的方法测定的,是进行强度、刚度计算和选择材料的重要依据。
工程材料的种类:根据其性能可分为塑性材料和脆性材料两大类。低碳钢和铸铁是这两类材料的典型代表,它们在拉伸和压缩时表现出来的力学性能具有广泛的代表性。
低碳钢拉伸时的力学性能
、静载试验:L=5~10d
L
d
F
F
低碳钢标准拉伸试件安装在拉伸试验机上,然后对试件缓慢施加拉伸载荷,直至把试件拉断。根据拉伸过程中试件承受的应力和产生的应变之间的关系,可以绘制出该低碳钢的曲线。
:
O
a
b
c
d
e
试件在拉伸过程中经历了四个阶段,有两个重要的强度指标。
ob段—弹性阶段(比例极限σp弹性极限σe )
bc段—屈服阶段
屈服点
cd段—强化阶段
抗拉强度
de段—缩颈断裂阶段
p
e
(1)弹性阶段比例极限σp
oa段是直线,应力与应变在此段成正比关系,材料符合虎克定律,直线oa的斜率就是材料的弹性模量,直线部分最高点所对应的应力值记作σp,称为材料的比例极限。曲线超过a点,图上ab段已不再是直线,说明材料已不符合虎克定律。但在ab段内卸载,变形也随之消失,说明ab段也发生弹性变形,所以ab段称为弹性阶段。b点所对应的应力值记作σe ,称为材料的弹性极限。
弹性极限与比例极限非常接近,工程实际中通常对二者不作严格区分,而近似地用比例极限代替弹性极限。
(2)屈服阶段屈服点
曲线超过b点后,出现了一段锯齿形曲线,这—阶段应力没有增加,而应变依然在增加,材料好像失去了抵抗变形的能力,把这种应力不增加而应变显著增加的现象称作屈服,bc段称为屈服阶段。屈服阶段曲线最低点所对应的应力称为屈服点(或屈服极限)。在屈服阶段卸载,将出现不能消失的塑性变形。工程上一般不允许构件发生塑性变形,并把塑性变形作为塑性材料破坏的标志,所以屈服点
是衡量材料强度的一个重要指标。
(3)强化阶段抗拉强度
经过屈服阶段后,曲线从c点又开始逐渐上升,说明要使应变增加,必须增加应力,材料又恢复了抵抗变形的能力,这种现象称作强化,cd段称为强化阶段。曲线最高点所对应的应力值记作,称为材料的抗拉强度(或强度极限),它是衡量材料强度的又一个重要指标。
(4)缩颈断裂阶段
曲线到达d点前,试件的变形是均匀发生的,曲线到达d点,在试件比较薄弱的某一局部(材质不均匀或有缺陷处),变形显著增加,有效横截面急剧减小,出现了缩颈现象,试件很快被拉断,所以de段称为缩颈断裂阶段。
试件拉断后,弹性变形消失,但塑性变形仍保
留下来。工程上用试件拉断后遗留下来的变形
表示材料的塑性指标。常用的塑性指标有两个:
伸长率:
%
断面收缩率:
%
L1 —试件拉断后的标距
L —是原标距
A1 —试件断口处的最小横截面面积
A —原横截面面积。
、值越大,其塑性越好。一般把≥5%的材料称为塑性材料,如钢材、铜、铝等;把<5%的材料称为脆性材料,如铸铁、混凝土、石料等。
低碳钢压缩时的力学性能
O
比较低碳钢压缩与拉伸曲线,在直线部分和屈服阶段大致重合,其弹性模量比例极限和屈服点与拉伸时基本相同,因此低碳钢的抗拉性能与抗压性能是相同的。屈服阶段以后,试件会越压越扁,先是压成鼓形,最后变成饼状,故得不到压缩时的抗压强度。因此对于低碳钢一般不作压缩试验。
F
铸铁拉伸时的力学性能
O
铸铁是脆性材料的典型代表。曲线没有明显的直线部分和屈服阶段,无缩颈现象而发生断裂破坏,塑性变形很小。断裂时曲线最高点对应的应力值称为抗拉强度。铸铁的抗拉强度较低。
曲线没有明显的直线部分,应力与应变的关系不符合虎克定律。但由于铸铁总是在较小的应力下工作,且变形很小,故可近似地认为符合虎克定律。通常以割线Oa的斜率作为弹性模量E。
a