CL3第三章-拉伸与压缩时材料的力学性质

§8-4 材料在拉伸与压缩时的力学性能
一、材料力学性能的概念
结构构件或机械零件总是由某一种材料制作的。

例如，土木工程结构中常用混凝土、砖石、钢材或木材作为构件材料；机械设备常用金属（通常是钢）作为一个零件的材料。

之所以选择某种特定的材料，一个重要的原因是，这种材料的力学性能能够满足工程实际的需要。

当然，经济性和其他方面的功能性也是选择材料的重要依据。

材料的力学性能又称材料的机械性能，属于材料物理性能的一个重要部分，是材料在力（或应力）的作用下所表现出来的变形与破坏方面的性质，具体包括弹性变形、塑性变形、蠕变、断裂、疲劳、硬度等一系列的性能。

材料的力学性能是由材料内部的微观结构决定的。

研究材料内部的微观结构与材料的力学性能之间的关系，这属于材料学的研究范畴，材料力学一般不作研究。

但是，材料的某些力学性能指标，却是材料力学讨论强度、刚度和稳定性问题的起点，因此，有必要理解这些指标的含义和了解其获取方法。

材料力学中最为常用的材料力学性能指标包括：①强度指标——屈服极限和强度极限；②弹性常数——弹性模量、切变模量和泊松比。

另有断裂韧度及疲劳极限等指标将在以后作出解释。

二、低碳钢的拉伸试验（GB/T 228-2002）
由于金属材料在各类工程中较为常用，低碳钢作为一种常用金属材料又可以在其关于拉伸的力学性能测试中很好的展示屈服极限、强度极限、弹性模量等力学性能指标的概念和获取方法，以下将按国家标准《GB/T 228-2002 金属材料室温拉伸试验方法》中规定的程序，简要描述低碳钢（Q235A级碳素结构钢，参见国家标准《GB/T 700-2006 碳素结构钢》）的拉伸试验过程及其主要结果。

3：为消除尺寸影响，令σ=F P /A ，45材料在拉伸时的力学性能　6材料在拉伸时的力学性能F P789材料在拉伸时的力学性能10极限应力值－强度指标和强度极限的两11/ l ×％按标准试样测得的延伸率大小将材料分为两类：δ10≥5％的材料为塑性材的材料为脆性材料。

A -A 1)/A ×％的两个重要指标d 112曲线非弹性区的某一点H 时卸载，P 不能恢复若对卸载后的试样立即重新加载，则σ-ε曲线，比例极限提高了，而塑性变形减少了，这种现象称为冷作硬化130.1材料在拉伸时的力学性能灰口铸铁与低碳钢拉伸时的应力-应变曲线相比较可知没有明显的线性阶段，工程中用割线斜率求弹性模量E没有屈服阶段强度极限σb 是衡量强度的唯一指标0.1应变曲线●特点：没有明显的屈服阶段0.2%时所对应的应0.2表示，图中O 1C 线段与弹性阶段的直线部分相平行。

例1 一根材料为Q235钢的拉伸试样，其直径d =10mm ，工作段长度=100mm 。

当试验机上荷载读数达到F =10kN 时，量得工作段的伸长为∆l =0.0607mm ，直径的缩小为∆d =0.0017mm 。

试求此时试样横截面上的正应力σ，并求出材料的弹性模量E 和泊松比υ。

已知Q235钢的比例极限为σp =200MPa材料在拉伸时的力学性能21～3.0低碳钢铸铁23单向压缩材料的力学性能铸铁压缩时的应力-应变曲线（图中虚线为拉伸时的应力-应变曲线）特点–在外法线与轴线大致成450～550的斜截面上因剪切错动而破坏–压缩强度极限σbc 比拉伸强度极限σb 高3~4 倍结论脆性材料适宜做受压构件材料在拉伸和压缩时力学性能材料在拉伸时的力学性能材料在压缩时的力学性能离孔或切口稍远处，应力趋于均匀，这种现象称27。

第3讲教学方案——材料在拉伸与压缩时的力学性能许用应力与强度条件§2-4 材料在拉伸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d 的比例分为，d l 10=，d l 5=； 板试件（矩形截面）：标距l 与横截面面积A 的比例分为，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σ下跌，至f 点试件断裂。

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αεσtan ==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，ε-σ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e σ。

第三章 材料的力学性能第一节 拉伸或压缩时材料的力学性能一、概述分析构件的强度时，除计算应力外，还应了解材料的力学性质（Mechanicaiproperty ），材料的力学性质也称为机械性质，是指材料在外力作用下表现出的变形、破坏等方面的特性。

它要由实验来测定。

在室温下，以缓慢平稳的方式进行试验，称为常温静载试验，是测定材料力学性质的基本试验。

为了便于比较不同材料的试验结果，对试件的形状、加工精度、加载速度、试验环境等，国家标准规定了相应变形形式下的试验规范。

本章只研究材料的宏观力学性质，不涉及材料成分及组织结构对材料力学性质的影响，并且由于工程中常用的材料品种很多，主要以低碳钢和铸铁为代表，介绍材料拉伸、压缩以及纯剪切时的力学性质。

二、低碳钢拉伸时的力学性质低碳钢是工程中使用最广泛的金属材料，同时它在常温静载条件下表现出来的力学性质也最具代表性。

低碳钢的拉伸试验按《金属拉伸试验方法》（GB/T228—2002）国家标准在万能材料试验机上进行。

标准试件（Standard specimen ）有圆形和矩形两种类型，如图3-1所示。

试件上标记A 、B 两点之间的距离称为标距，记作l 0。

圆形试件标距l 0与直径d 0有两种比例，即l 0=10d 0和l 0=5d 0。

矩形试件也有两种标准，即00l l ==其中A 0为矩形试件的截面面积。

试件装在试验机上，对试件缓慢加拉力F P ，对应着每一个拉力F P ，试件标距l 0有一个伸长量Δl o 表示F P 和Δl 的关系曲线，称为拉伸图或F P —Δl 曲线。

如图3-2a ，由于F P —Δl 曲线与试件的尺寸有关，为了消除试件尺寸的影响，把拉力F P 除以试件横截面的原始面积A 0，得出正应力0P F A σ=为纵坐标；把伸长量Δl 除以标距的原始长度l 0，得出应变0l l ε∆=为横坐标，做图表示σ与ε的关系（图3-2b ）称为应力——应变图或σ—ε曲线（Stress-strain curve ）。

3—4 材料在拉伸和压缩时的力学性能§这些指标都属于材料的力学性质。

材料的前面的讨论中，涉及的弹性模量、泊松比等，材料的力学性质是力学性质是指：材料受力时力与变形之间的关系所表现出来的性能指标。

根据材料的拉伸、压缩试验来测定的。

下面主要以常用的低碳钢和铸铁这两种最具有代表性的材工程中使用的材料种类很多。

、静载下（指在加载过程中不产生加速度）拉伸和料为例，研究它们在常温（一般指室温）压缩时的力学性能。

一、材料拉伸时的力学性能所示。

试件中间是一段b3-10a、试验时采用国家规定的标准试样。

金属材料试样如图ll称的横线，横线之间的部分作为测量变形的工作段，等直杆，等直部分划上两条相距为dl的比例为为标距；两端加粗，以便在试验机上夹紧。

规定圆形截面试样，标距与直径A5.6511.3Al?l?d?5dl?10llA，矩形截面试样标距与截面面积或的比例为。

或可以测力并自动记录力与变形拉伸试验一般在万能试验机上进行，它可以对试件加载，的关系曲线。

d图3-10aA图3-10b（一）低碳钢的拉伸试验1．拉伸图和应力应变曲线P以将低碳钢试件装在试验机上，缓慢加载，同时试样逐渐伸长。

记录各时刻的拉力?l?llP的关系按一定比例绘制成的曲线，及标距段相应的纵向伸长将和，直至拉断为止。

P??lPA，作除以试件横截面的原面积曲线）如图称为拉伸图（或3-11a所示。

将拉力??ll，代表试件工作段的轴，将试件的伸长量为试件工作段的正应力除以工作段的原长???关系的曲线，如图3-11b。

按一定的比例将拉伸图转换为与，该曲线称为应向线应变??曲线。

-应变曲线或-力P（c）Δ图3-11aσdf（d）ecb bσa sσe pσσεgoo1图3-11b从应力-应变曲线可见，在低碳钢拉伸试验的不同阶段，应力与应变关系的规律不同。

下面介绍各个阶段的范围、特点、指标及量值。

Obb点所对应的应力时，材料的试样应力不超过段）（1）弹性阶段（图3-11b中b相对应的应弹性阶段最高点即卸除荷载时，试样的变形将全部消失。

课题 2.2拉伸与压缩时材料的力学性能
课时 1 班级21机电3/4班课型新课时间2021年11月5日
教学目标知识目标：掌握低碳钢拉伸与压缩时的力学性能能力目标：会根据低碳钢拉伸曲线分析强度指标德育目标：提高合作探究能力，增强合作意识
教学重点低碳钢拉伸与压缩时的力学性能
教学难点无
教法直观教学法
学法小组合作探究
教学评价师生互评，小组互评
教具多媒体课件，教具，动画
教学过程及主要教学内容师生活动一、拉伸实验：
低碳钢经历了弹性变形、塑性变形、断裂三个阶段。

教师：精讲
互问互答
学生：小组合作学生：组间竞赛
二、与灰铸铁的拉伸压缩曲线比较：
作业塑性材料和脆性材料的区别是什么？
课后反思（教学收获、特色创新、存在不足、改进措施）。