工程材料的基本力学性能.pdf

第三章　工程材料的基本力学性能 §3 －1　工程材料在常温静载下的拉压力学性能 一、常温静载拉压试验 了解材料基本力学性能的主要手段是在常温静载下对细长杆进行轴向拉伸 试验，或对短粗试样进行轴向压缩试验。 常温即室温，静载则指加载速度极其平 稳缓慢。 试验所用的试样的制备和形状尺寸，试验方法和测试要求，各国都制定 了相应的标准，我国的国家标准①中也作了详细规定。 拉压试验得到的是拉伸（压缩）图，即轴向载荷F 与伸长（压缩）量 Δl 的关 系曲线。 但在相同载荷作用下几何尺寸不同的试样产生的变形量不同，故拉伸 （压缩）图还不能真实反映材料的力学性能。 为了消除试样几何尺寸的影响，获 得反映材料力学性能的曲线，将载荷F 除以试样初始横截面面积A ： σ＝F／A （３－１） 式中σ称为名义应力，即横截面上的平均正应力。 同时，将伸长（压缩）量 Δl 除 以试样的标距l（Δl 即为l 长度内的变形量）： ε ＝Δl／l （３－２） 式中 ε 称为工程应变，即标距段内各点在轴向的平均线应变。 这样，就得到 反映材料力学性能的应力 －应变曲线，即σ－ε 曲线，其形状与拉伸（压缩） 图相似。 对于不同的材料，由实验得到的应力应变曲线差别很大。 图３－１至图３－５ 给出了一些常用工程材料的拉伸应力应变曲线。 二、低碳钢的拉伸应力－应变曲线分析 １．四个变形阶段 ① 枟金属拉伸试验方法枠（ＧＢ ２２８—１９８７），枟金属压缩试验方法枠（ＧＢ ７３１４—１９８７），枟金属拉伸试验 试样枠（ＧＢ ６３９７—１９８６），枟金属杨氏模量、弦线模量、切线模量和泊松比试验方法枠（ＧＢ ８６５３—１９８８）（静 态法）。 62 第一篇　变形固体力学引论 图３－１ 图３－２ 图３－３ 图３－４ 含碳量低于０．３％的低碳钢是工程中应用最广泛的金属材料。 在轴向拉伸 试验中低碳钢所表现出来的应力应变关系也最复杂、最典型。 下面以低碳钢的 应力应变曲线为例，介绍反映材料力学性能的响应特征和特征物理量。 如图 ３－６所示，低碳钢拉伸时的变形过程可分为四个不同的阶段。 （１） 弹性阶段：Oa′段。 在这一阶段，材料的变形是弹性变形，即如果在这一 阶段将载荷全部卸去，变形能够完全消失，应力为零时应变也为零。 对应于 a′ 点的应力σ 称为弹性极限。 其中，Oa 段为直线，表示应变与应力，即变形与载 ｅ 荷（力）成正比，这就是１６７８年英国物理学家胡克（Ｒ．Ｈｏｏｋｅ）在大量实验的基础 第三章　工程材料的基本力学性能 63 图３－５ 图３－６ 上归纳出来的拉压胡克定律： ε ＝σ／E　 或　Δl ＝Fl／（EA） （３－３） 式中比例系数E 称为（拉压）弹性模量或杨氏模量，与弹簧刚度相似，它代表材 料对使它产生变形的载荷的抵抗能力———刚度，单位与应力单位相同，一般采用 ＧＰａ。 在σ－ε 曲线上它就是起始直线段的斜率。 我国学者在实践中发现这一 规律比胡克还早 １５００年（东汉经学家郑玄在周礼枟考工记· 弓人枠注中指出弓 的变形与所加力的关系是“每加物一石，则张一尺”）。 对应于 a 点的应力σ 称 ｐ 为比例极限。 Ｑ２３５ 钢的σ≈２００ＭＰａ，E ≈２００ＧＰａ。 由于大部分材料的σ 和 ｐ