4材料的力学性质

山西建筑职业技术学院建筑工程系建筑力学教研室建筑力学第四节材料在拉伸和压缩时的力学性能前面讨论了轴拉(压)杆横截面上的应力，要判断杆件是否会破坏，还需要知道杆件能够承受的应力；应用胡克定律需要知道弹性范围及弹性模量E等与材料有关的数据。材料在受力过程中各种物理性质的数据称为材料的力学性能。材料的力学性能是通过试验来测定的。本节讨论材料在常温、静载下的力学性能。工程中使用的材料种类很多，一般可分为脆性材料和塑性材料。脆性材料如石料、铸铁、混凝土等；塑性材料如低碳钢、合金钢、铜、铝等。这两类材料的力学性能有明显的差别。本节主要介绍：以低碳钢为代表的塑性材料和以铸铁为代表的脆性材料的拉压试验。山西建筑职业技术学院建筑工程系建筑力学教研室建筑力学一、低碳钢的力学性能

试验时采用国家规定的标准试件。金属材料试样有圆截面和矩形截面两种，如图所示。试样的中间部分是工作长度l，称为标距。标距与横截面尺寸的比例也作了规定。ldl山西建筑职业技术学院建筑工程系建筑力学教研室建筑力学(一)低碳钢的拉伸试验

1.拉伸图和应力—应变图将低碳钢的试件两端夹在试验机上，开动试验机后，对试件缓慢施加拉力，直至被拉断为止。

在试件拉伸过程中，试验机上的自动绘图设备，能绘出试件所受拉力F

与标距内的伸长量Δl的关系曲线。该曲线的横坐标为伸长量Δl，纵坐标为拉力F，通常称为拉伸图。拉伸图FΔlO应力—应变图εσOε=Δllσ=FNA山西建筑职业技术学院建筑工程系建筑力学教研室建筑力学

2.拉伸过程的四个阶段(1)弹性阶段(Ob)应力—应变图εσOb

在这一阶段，材料的变形是完全弹性的。aσp直线Oa，表明应力与应变成正比，材料服从胡克定律，点a对应的应力值称为比例极限，用σp表示。低碳钢的比例极限约为200MPa。aOa段直线的斜率为：tana==Eσ

ε在此阶段可测定材料的弹性模量。低碳钢的弹性模量约为200~210GPa。(2)屈服阶段(bc)c屈服阶段内的最低点对应的应力值称为屈服极限，用σs表示。σs低碳钢的屈服极限约为240MPa。山西建筑职业技术学院建筑工程系建筑力学教研室建筑力学

2.拉伸过程的四个阶段(1)弹性阶段(Ob)低碳钢的比例极限约为200MPa。tana==Eσ

ε低碳钢的弹性模量约为200~210GPa。(2)屈服阶段(bc)低碳钢的屈服极限σs约为240MPa。(3)强化阶段(cd)应力—应变图εσObaσpacσsd经过屈服阶段后，材料内部的结构重新进行了调整，在一定程度上得到了“优化”，材料又恢复了抵抗变形的能力。若使试件继续变形，就要继续增加荷载。这一阶段称为强化阶段。强化阶段的最高点d对应的应力称为强度极限，用σb表示。σb低碳钢的强度极限σb约为400MPa。kO1gO1g为卸载后消失的弹性应变，OO1为保留下来的塑性应变。山西建筑职业技术学院建筑工程系建筑力学教研室建筑力学

2.拉伸过程的四个阶段(1)弹性阶段(Ob)低碳钢的比例极限约为200MPa。tana==Eσ

ε低碳钢的弹性模量约为200~210GPa。(2)屈服阶段(bc)低碳钢的屈服极限σs约为240MPa。(3)强化阶段(cd)应力—应变图εσObaσpacσsdσb低碳钢的强度极限σb约为400MPa。kO1g(4)颈缩阶段(de)e

当应力到达强度极限后，在试件某一薄弱处，将发生局部收缩，出现颈缩现象，故这一阶段称为颈缩阶段。A1A山西建筑职业技术学院建筑工程系建筑力学教研室建筑力学上述低碳钢拉伸的四个阶段中，有三个有关强度性质的指标：比例极限σp、屈服极限σs和强度极限σb。①σp表示了材料的弹性范围；②σs是衡量材料强度的重要指标，当应力达到σs时，杆件产生显著的塑性变形，因而无法正常使用；③σb是衡量材料强度的另一重要指标，当应力达到σb时，杆件出现颈缩并很快被拉断。山西建筑职业技术学院建筑工程系建筑力学教研室建筑力学

3.塑性指标试件拉断后，弹性变形全部消失，而塑性变形保留下来，试件拉断后保留下来的塑性变形大小，常用来衡量材料的塑性性能。塑性指标有两个：(1)延伸率ll1断裂后拼在一起标距l1减去原标距l的差值，与原标距的百分比，称为材料的延伸率，用符号δ表示。δ=×100%l1

-l

l

低碳钢的延伸率约为20~30%工程中把δ≥5%的材料归纳为塑性材料；δ＜5%的材料为脆性材料。山西建筑职业技术学院建筑工程系建筑力学教研室建筑力学

3.塑性指标(1)延伸率δ=×100%l1

-l

l

(2)截面收缩率测出试件颈缩处的横截面积A1，与原试件的横截面积A的差，除以原试件的横截面积的百分率，称为截面收缩率。用符号ψ表示。A1Aψ=×100%A-A1

l

低碳钢的截面收缩率约为60~70%山西建筑职业技术学院建筑工程系建筑力学教研室建筑力学(二)低碳钢的压缩试验金属材料压缩试件，一般做成短圆柱体。试件高度一般为直径的1.5~3倍。hd低碳钢压缩时的应力—应变曲线如图示。εσO压缩拉伸在屈服阶段以前，拉伸和压缩的应力—应变图线大致重合。这表明：两者的比例极限、屈服极限、弹性模量都相同。而屈服阶段后，试件会越压越扁，但不破坏。因而无法测出强度极限。低碳钢是抗拉压性能相同的材料。其它塑性材料，如16锰钢、铝合金、黄铜等的力学性能与低碳钢相似。山西建筑职业技术学院建筑工程系建筑力学教研室建筑力学二、铸铁的力学性能

1.铸铁的拉伸试验铸铁拉伸时的应力—应变图如图所示：

铸铁的延伸率约为0.4%，是典型的脆性材料。εσ(MPa)O压缩拉伸1002003004005002.铸铁的压缩试验铸铁压缩时的应力—应变图如图所示，与拉伸时相似。铸铁压缩破坏时，破坏面与轴线大致成45°角。强度极限

σb仍为唯一指标，但压缩强度极限为拉伸时的4-5倍。可见，铸铁的抗压性能优于抗拉性能，常用于受压杆件。其它脆性材料，如石料、混凝土等的力学性能与铸铁相似。图线中没有屈服阶段，没有颈缩现象，强度极限σb是唯一指标。山西建筑职业技术学院建筑工程系建筑力学教研室建筑力学三、两类材料力学性能的比较塑性材料与脆性材料的分类，是根据常温、静载下拉伸试验的延伸率来区分的。两类材料在力学性能上的主要区别在于：1.强度方面

塑性材料拉伸和压缩的比例极限、屈服极限基本相同，有屈服现象；脆性材料的压缩强度极限远远大于拉伸，没有屈服现象，破坏是突然的，适用于受压杆件。2.变形方面

塑性材料的延伸率和截面收缩率都较大，构件破坏前有较大的塑性变形，材料可塑性大，便于加工、安装时的矫正；脆性材料则与之相反。

总体而言，塑性材料优于脆性材料。但在实际工程选材时，还要考虑到经济原则。

必须指出：上述关于材料的力学性能是在常温、静载的条件下得到的。当外界因素(如加载方式、温度、受力状态等)发生改变时，则材料的性质也可能随之改变。山西建筑职业技术学院建筑工程系建筑力学教研室建筑力学四、极限应力、安全系数和许用应力通过对材料进行拉伸和压缩试验可知：任何一种材料都存在一个能承受应力的上限，这个应力的上限称为极限应力，用σ

0表示。对于塑性材料：σ

0=σs对于脆性材料：σ

0=σb

然而，试验结果是通过试件个体测定材料力学性能的，并不能完全代表材料整体的情况；在实际工程中，还有许多无法预测的因素(材料的不均匀、物体的振动等)对构件产生不利影响。

所以，为了保证构件安全工作，必须将构件的工作应力限制在比极限应力更低的范围内。山西建筑职业技术学院建筑工程系建筑力学教研室建筑力学四、极限应力、安全系数和许用应力具体做法是将材料的极限应力σ

0除以一个大于1的系数，这样得到的应力称为许用应力，用