第二章 材料力学性能

第二单元第二章 杆件的轴向拉压应力与材料的力学性能§2-1 引言工程实例: 连杆、螺栓、桁架、房屋立柱、桥墩……等等。

力学特征: 构件：直杆外力：合力沿杆轴作用(偏离轴线、怎样处理?)内力：在轴向载荷作用下，杆件横截面上的唯一内力分量为轴力N ，它们在该截面的两部分的大小相等、方向相反。

规定拉力为正，压力为负。

变形：轴向伸缩§2-2 拉压杆的应力一、拉压杆横截面上的应力(可演示，杆件受拉，上面所划的横线和纵线仍保持直线，仅距离改变，表明横截面仍保持为平面)平面假设→应变均匀→应力均匀AN=σ或A P =σ(拉为正，压为负)二、Saint-Venant 原理(1797-1886，原理于1855年提出)问题：杆端作用均布力，横截面应力均布。

杆端作用集中力，横截面应力均布吗? 如图, 随距离增大迅速趋于均匀。

局部力系的等效代换只影响局部。

它已由大量试验和计算证实，但一百多年以来，无数数学力学家试图严格证明它，至今仍未成功。

这是固体力学中一颗难以采撷的明珠。

三、拉压杆斜截面上的应力(低碳钢拉伸，沿45°出现滑移线，为什么?)0cos =-P Ap αα ασ=α=αcos cos AP p ασ=α=σαα2cos cos pασ=α=ταα22sin sin p ()0=ασ=σm ax ()452=ασ=τmax方位角α：逆时针方向为正剪应力τ：使研究对象有顺时针转动趋势为正。

例1和例2，看书p17,18§2-3 材料拉伸时的力学性能(构件的强度、刚度和稳定性，不仅与构件的形状、尺寸和所受外力有关，而且与材料的力学性能有关。

拉伸试验是最基本、最常用的试验。

)一、拉伸试验P18： 试样 拉伸图绘图系统放大变形传感器力传感器--→→→→二、低碳钢拉伸时的力学性能材料分类：脆性材料（玻璃、陶瓷和铸铁）、塑性材料(低碳钢：典型塑性材料)四个阶段：线性阶段（应力应变成正比，符合胡克定律，正比阶段的结束点称为比例极限）、屈服阶段(滑移线)（可听见响声，屈服极限s σ）、强化阶段（b σ强度极限）、局部变形(颈缩)阶段（名义应力↓，实际应力↑） 三(四个)特征点：比例极限、（接近弹性极限）、屈服极限、强度极限(超过强度极限、名义应力下降、实际应力仍上升)。

金属材料力学性能基本知识及钢材的脆化金属材料是现代工业、农业、国防以及科学技术各个领域应用最广泛的工程材料，这不仅是由于其来源丰富，生产工艺简单、成熟，而且还因为它具有优良的性能。

通常所指的金属材料性能包括以下两个方面：1．使用性能即为了保证机械零件、设备、结构件等能正常工作，材料所应具备的性能，主要有力学性能(强度、硬度、刚度、塑性、韧性等)，物理性能(密度、熔点、导热性、热膨胀性等)，化学性能(耐蚀性、热稳定性等)。

使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和使用寿命。

2 工艺性能即材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷、热加工的性能，例如锻造，焊接，热处理，压力加工，切削加工等方面的性能。

工艺性能对制造成本、生成效率、产品质量有重要影响。

1．1材料力学基本知识金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用，当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形以至断裂。

材料在外力作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。

锅炉压力容器材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等这些性能指标可以通过力学性能试验测定。

1．1．1 强度金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。

材料强度指标可以通过拉伸试验测出。

把一定尺寸和形状的金属试样(图1～2)装夹在试验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。

根据试样在拉伸过程中承受的载荷和产生的变形量之间的关系，可绘出该金属的拉伸曲线(图1—3)。

在拉伸曲线上可以得到该材料强度性能的一些数据。

图1—3所示的曲线，其纵坐标是载荷P(也可换算为应力d)，横坐标是伸长量AL(也可换算为应变e)。

所以曲线称为P—AL曲线或一一s曲线。

图中曲线A是低碳钢的拉伸曲线，分析曲线A，可以将拉伸过程分为四个阶段：1．弹性阶段即曲线的o-e段，在此段若加载不超过e点的应力值，卸载后试件的变形可全部消失，故e点的应力值为材料只产生弹性变形时应力的最高限，称为弹性极限，曲线的o～e’段为直线，在此段内应力与应变成正比，即材料符合虎克定律，该段称为线弹性阶段。

材料⼒学性能复习第⼆章材料在静载荷下的⼒学性能1.连续塑性变形强化材料和⾮连续塑性形变强化材料曲线、变形过程、屈服强度。

2.指出以下应⼒应变曲线与哪些典型材料相对应，并对其经历的变形过程做出说明。

3.拉伸断裂前，发⽣少量塑性变形，⽆颈缩，在最⾼载荷点处断裂；4.断裂前先发⽣弹性变形，然后进⼊屈服阶段，之后发⽣形变强化+均匀塑性变形，有颈缩现象，再发⽣⾮均匀塑性变形直⾄断裂；5.应⼒状态软性系数的定义及其意义、应⼒状态图的应⽤。

6.画出低碳钢的应⼒应变曲线，并说明获得该材料的强度和塑性指标？⽐例极限弹性极限屈服极限强度极限断裂强度延伸率断⾯收缩率7.⼯程应⼒、⼯程应变、真应⼒和真应变之间有什么关系?8.为什么灰⼝铸铁的拉伸断⼝与拉伸轴垂直，⽽压缩断⼝却与压缩⼒轴成45o⾓？9.材料为灰铸铁，其试样直径d=30mm，原标距长度h。

=45mm。

在压缩试验时，当试样承受到485kN压⼒时发⽣破坏，试验后长度h=40mm。

试求其抗压强度和相对收缩率。

10.布⽒、洛⽒、维⽒硬度的试验原理、特点、应⽤。

11.现有如下⼯件需测定硬度，选⽤何种硬度试验⽅法为宜? (1) 渗碳层的硬度分布；(2)灰铸铁；(3)淬⽕钢件；(4)氮化层；(5)双相钢中的铁素体和马⽒体；(6)⾼速钢⼑具；(7)硬质合⾦；(8)退⽕态下的软钢。

第三章材料的变形12.⾦属的弹性模量主要取决于什么?材料的弹性模量可以通过材料热处理等⽅式进⾏有效改变的吗？为什么说它是⼀个对结构不敏感的⼒学性能？弹性也称之为刚度，都是表征材料变形的能⼒？特点：单值性，可逆性，变形量⼩；物理本质：克服原⼦间⼒（双原⼦模型）组织不敏感：E主要取决于材料的本性，与晶格类型和原⼦间距有关，合⾦中固溶原⼦、热处理⼯艺、冷塑性变形，温度、加载⽅式等都对弹性模量影响不⼤；刚度：弹性与刚度是不同的，弹性表征材料弹性变形的能⼒，刚度表征材料弹性变形的抗⼒。

13.弹性变形的不完整性？灰⼝铸铁可以⽤作机床机⾝，为什么？对理想弹性体，在应⼒作⽤下产⽣的应变，与应⼒间存在三个关系：线性、瞬时和唯⼀性。

第二章 金属在其他静载荷下的力学性能实际应用过程中，金属材料在常温静载荷下的的力学性能不仅包括静拉伸， 还有压缩、弯曲、扭转、剪切等加载方式，在这些加载方式下金属材料的力学性 能与拉伸加载会有明显的差别， 研究其他静载荷下的力学性能的意义在于： 准 ① 确把握金属材料在实际工程应用中的力学性能指标， 为材料设计和选择材料提供 参考依据；② 不同加载方式在试件中产生不同的应力状态，所以金属表现出的 力学行为不完全相同，研究不同应力状态下的力学性能指标，可以全面地了解金 属材料的使用性能，为工程应用提供理论指导。

第一节 应力状态软性系数 塑性变形和断裂是金属材料在静载荷下失效的主要形式。

不同的加载方式在 金属内部所能产生的最大正应力 σ m 和最大切应力 τ m 是不同的，实际上影响到同 一种金属材料在不同加载方式下可能出现不同的断裂方式和类型。

τ m 与 σ m 的比 值称为应力状态软性系数 α ：α=τm σ1 σ 3 = σ m 2[σ 1 ν (σ 2 + σ 3 )]其中 σ 1 , σ 2 , σ 3 为应力 σ 的三个主应力分量。

不同加载方式对应的 α 值在 0.1-4 之间，最低的是三向不等拉伸（ α = 0.1 ） ，最高的三向不等压缩（ α = 4 ） 。

加载方式、材料变形和断裂类型之间的关系： （1）α 值大， 最大切应力 τ m 大， 容易出现塑性变形和韧性断裂——软应力状态； （2）α 值小，最大正应力 σ m 大，不容易产生塑性变形，容易出现脆性断裂—— 硬应力状态。

金属在轴向压缩载荷下的力学行为 第二节 金属在轴向压缩载荷下的力学行为 一、压缩试验的特点 压缩试1、单向压缩的应力状态软性系数等于 2，高于拉伸、扭转和弯曲，容易出现塑性变形，所以应用于测量脆性金属材料的塑性力学行为和力学性能指标； （压缩可以看作反向拉伸，所以拉伸实验中的各个力学性能指标和计算公式适用 于压缩！ ）2、塑性金属材料在压缩时只发生压缩变形而不断裂，即使进行压缩实验也是为了考察材料加工性能。