材料在拉伸和压缩时的力学性能

金属材料的拉伸、压缩实验承受轴向拉伸和压缩是工程构件最常见的受力方式之一，材料在拉伸和压缩时的力学性能也是材料最重要的力学性能之一。

常温、静载下金属材料的单向拉伸和压缩实验也是测定材料力学性能的最基本、应用最广泛、方法最成熟的试验方法。

通过拉伸实验所测定的材料的弹性指标E、μ，强度指标σs、σb，塑性指标δ、ψ，是工程中评价材质和进行强度、刚度计算的重要依据。

下面以典型的塑性材料——低碳钢和典型的脆性材料——铸铁为例介绍实验的详细过程和数据处理方法。

一、预习要求1、电子万能材料试验机在实验前需进行哪些调整？如何操作？2、简述测定低碳钢弹性模量E的方法和步骤。

3、实验时如何观察低碳钢拉伸和压缩时的屈服极限？二、材料拉伸时的力学性能测定拉伸时的力学性能实验所用材料包括塑性材料低碳钢和脆性材料铸铁。

（一）实验目的1、在弹性范围内验证虎克定律，测定低碳钢的弹性模量E。

2、测定低碳钢的屈服极限σs、强度极限σb、延伸率δ和断面收缩率ψ；测定铸铁拉伸时的强度极限σb。

3、观察低碳钢和铸铁拉伸时的变形规律和破坏现象。

4、了解万能材料试验机的结构工作原理和操作。

（二）设备及试样1、电子万能材料试验机。

2、杠杆式引伸仪或电子引伸仪。

3、游标卡尺。

4、拉伸试样。

GB6397—86规定，标准拉伸试样如图1所示。

截面有圆形(图1a)和矩形（图1b）两种，标距l0与原始横截面积A0比值为11.3的试样称为长试样，标距l0与原始横截面积A0比值为5.56的试样称为短试样。

对于直径为d0的长试样，l0=10d0；对于直径为d0的短试样，l0=5d0。

实验前要用划线机在试样上画出标距线。

（三）低碳钢拉伸实验1、实验原理与方法常温下的拉伸实验是测定材料力学性能的基本实验，可用以测定弹性模量E、屈服极限σs、强度极限σb、延伸率δ和断面收缩率ψ等力学性能指标。

这些指标都是工程设计中常用的力学性能参数。

现以液压式万能材料试验机为例说明其测量原理和方法。

025材料在拉伸和压缩时的力学性能解析材料在拉伸和压缩时的力学性能是指材料在外力作用下的变形和破坏行为。

这些性能参数包括弹性模量、屈服强度、延伸率、断裂强度等，这些性能参数反映了材料在受力过程中的力学行为。

材料在拉伸和压缩时的力学性能可以通过应力-应变曲线来分析。

应力-应变曲线可以描述材料在受力作用下的应变和应力之间的关系。

根据应力-应变曲线的不同形状，可以得到不同的力学性能。

材料在拉伸时的力学性能：1. 弹性模量（Young's modulus）：弹性模量是指材料在拉伸过程中的应变与应力之间的比例关系。

弹性模量越大，材料的刚度越高，抗拉性能越好。

2. 屈服强度（Yield strength）：屈服强度是指材料开始发生塑性变形的应力值。

材料的屈服强度越高，具有越好的抗拉性能。

3. 延伸率（Elongation）：延伸率是指材料在拉伸过程中的长度增加量与原始长度之比。

延伸率越高，材料的延展性越好。

4. 断裂强度（Tensile strength）：断裂强度是指材料在拉伸过程中的最大应力值。

断裂强度越高，材料的抗拉性能越好。

材料在压缩时的力学性能：需要注意的是，材料在拉伸和压缩时的力学性能往往不完全对称。

在一些材料中，其拉伸性能表现较好，而压缩性能较差，或者压缩性能表现较好，而拉伸性能较差。

因此，在设计工程结构和选择材料时，需要综合考虑材料在拉伸和压缩时的力学性能。

总之，材料在拉伸和压缩时的力学性能对于材料的应用和工程设计具有重要影响。

通过分析材料的弹性模量、屈服强度、延伸率、断裂强度等性能参数，可以更好地了解材料的力学行为，为材料选择和工程设计提供指导和参考。

6 材料在拉伸和压缩时的力学性能力学性能———指材料受力时在强度和变形方面表现出来的性能。

塑性变形又称永久变形或残余变形⎪⎩⎪⎨⎧弹性变形塑性变形变形塑性材料：断裂前产生较大塑性变形的材料,如低碳钢脆性材料：断裂前塑性变形很小的材料，如铸铁、石料2002)国家标准规定《金属拉伸试验方法》（GB228—对圆截面试样：L=10d L=5d对矩形截面试样：.5=L65=AL3.11A万能试验机二、低碳钢在拉伸时的力学性能F △L A LO σεpσe σs σb σa b c d e1o e 'f g 冷作硬化现象如对试件预先加载，使其达到强化阶段，然后卸载；当再加载时试件的线弹性阶段将增加，而其塑性降低。

----称为冷作硬化现象O σεa b c d e 1o e 'f g 残余变形——试件断裂之后保留下来的塑性变形。

ΔL=L 1-L 0延伸率：δ＝%100001⨯-L L L δ>5％——塑性材料δ<5％——脆性材料截面收缩率Ψ＝%100010⨯-A A A123O σεA 0.2%S 4102030ε(%)0100200300400500600700800900σ(MPa)1、锰钢2、硬铝3、退火球墨铸铁4、低碳钢特点：d 较大，为塑性材料。

三、其他材料在拉伸时的力学性能无明显屈服阶段的，规定以塑性应变=0.2%所对应的应力作为名义屈服极限，记作p ε2.0p σ2.0p σ无明显屈服阶段。

O σεbσσb —拉伸强度极限，脆性材料唯一拉伸力学性能指标。

0.1%E 特点：应力应变不成比例，无屈服、颈缩现象，变形很小且强度极限很低。

E 不确定通常取总应变为0.1%时曲线的割线斜率确定弹性模量。

dLbbLL/d(b): 1---3四、金属材料在压缩时的力学性能国家标准规定《金属压缩试验方法》（GB7314—87)低碳钢压缩•对于低碳钢这种塑性材料，其抗拉能力比抗剪能力强，故而先被剪断；而铸铁压缩时，也是剪断破坏。

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。

第四节 材料在拉伸和压缩时的力学性能材料承受外力作用时，在强度和变形方面表现出的性能称为材料的力学性能，这些性能是构件承载能力分析及选取材料的依据。

由实验得知，材料的力学性能不仅取决于其本身的成分，而且还取决于载荷的性质、温度和应力状态等。

一、材料在常温、静载下拉伸的力学性能1．低碳钢低碳钢是一种典型的塑性材料，它不仅在工程实际中广泛使用，而且其在拉伸试验中所表现出的力学性能比较全面。

为便于比较不同材料的试验结果，首先按国家标准《金属拉力试验法》（GB228-87）中规定的形状和尺寸，将材料做成标准试件，如图6-18所示。

在试件等直部分的中段划取一段0l 作为标距长度。

标距长度有两种，分别为0010d l =；005d l =。

0d 为试件的直径。

图6-18将试件装夹在万能试验机上，随着拉力P 的缓慢增加，标距段的伸长l ∆作有规律的变化。

若取一直角坐标系，横坐标表示变形l ∆，纵坐标表示拉力P ，则在试验机的自动绘图仪上便可绘出l P ∆-曲线， 称为拉伸图。

图6-19(a)为低碳钢的拉伸图。

图6-19由于l P ∆-曲线受试件的几何尺寸影响，所以其还不能直接反映材料的力学性能。

为此，用应力0/A P =σ（0A 为试件标距段原横截面面积）来反映试件的受力情况；用0/l l ∆=ε来反映标距段的变形情况。

于是便得图6-19(b)所示的εσ-曲线，称为应力应变图。

根据低碳钢的εσ-曲线的特点，对照其在实验过程中的变形特征，将其整个拉伸过程依次分为弹性、屈服、强化和颈缩4个阶段。

（1）弹性阶段 曲线上oa 段，此段内材料只产生弹性变形，若缓慢卸去载荷，变形完全消失。

点a 对应的应力值e σ称为材料的弹性极限。

虽然a 'a 微段是弹性阶段的一部分，但其不是直线段。

o a '是斜直线，εσ∝，而εσα/tan =，令αtan =E ，则有εσE =（拉、压虎克定律的数学表达式）式中E 称为材料的弹性模量。