材料力学（第2版）课件：材料力学性能及实验应力分析基础

材料的力学性能MechanicalPropertiesofMaterials材料的力学性能MechanicalPropertiesofMaterials5.1材料拉伸时的力学性能5.2材料压缩时的力学性能5.3材料的塑性性质与残余应力*5.4复合材料及其力学性能*5.5电测法的原理和应用5.1材料拉伸时的力学性能5.1

材料拉伸时的力学性能材料的强度、刚度、稳定性与材料的力学性能有关力学性能(机械性质):材料在外力作用下表现出的变形和破坏等方面的特性。加载方式：常温静载(缓慢加载)试验仪器：万能试验机5.1

材料拉伸时的力学性能1、拉伸试验的目的A、测定低碳钢拉伸的力学性能。B、测定灰口铸铁的抗拉强度。2、试验仪器A、万能试验机C、观察低碳钢拉伸过程中的各种现象，并绘制拉伸曲线。B、游标卡尺C、试样刻线机5.1

材料拉伸时的力学性能

试样的形状，加工精度，加载速度以及试验环境由国家标准《金属拉伸试验方法》有统一规定。

标准拉伸试样：试验段的长度l

称为标距对于试验段直径为d

的圆截面试样，通常规定5.1

材料拉伸时的力学性能试验过程试样装卡，启动计算机软件及数据采集系统；开动试验机，缓慢加载；随着载荷F

的增大，试样逐渐被拉长，直至拉断；计算机软件绘出拉力F和变形Dl的关系曲线；关闭试验机，整理试验数据。把拉力F除以试样原始横截面面积A得到正应力s把变形Dl除以标距原始长度l得到正应变eF~Dl关系曲线转换为s~e

曲线5.1

材料拉伸时的力学性能低碳钢Q235拉伸时的力学性能四个阶段弹性阶段屈服阶段强化阶段局部变形（颈缩）阶段屈服阶段强化阶段颈缩阶段弹性阶段5.1

材料拉伸时的力学性能低碳钢Q235拉伸时的力学性能-弹性阶段Oa段应力与应变成正比弹性模量E是直线Oa的斜率Q235E≈200GPa直线部分的最高点a所对应的应力称为

比例极限，spOa段材料处于线弹性阶段ab段不再为直线，但解除拉力后变形仍可完全消失（弹性变形），材料只出现弹性变形的极限值---弹性极限，se5.1

材料拉伸时的力学性能当应力大于弹性极限后，若再解除拉力，则试样会留下一部分不能消失的变形---塑性变形。由于弹性极限和比例极限极为接近，因此工程上并不对此严格区分。5.1

材料拉伸时的力学性能低碳钢Q235拉伸时的力学性能-屈服阶段应力基本保持不变，应变显著增加

屈服/流动表面磨光的试样屈服时，表面将出现与轴线大致成45°倾角的条纹，这是由于材料内部相对滑移形成的，称为滑移线。5.1

材料拉伸时的力学性能低碳钢Q235拉伸时的力学性能-屈服阶段上屈服极限的数值与试件形状、加载速度等因素有关，一般是不稳定的。下屈服极限则有比较稳定的数值，能够反映材料的性能通常把下屈服极限称为屈服极限或屈服强度

材料屈服表现为显著的塑性变形，而零件的塑性变形将影响机器的正常工作，所以屈服极限是衡量材料强度的重要指标Q235ss≈235MPa5.1

材料拉伸时的力学性能低碳钢Q235拉伸时的力学性能-强化阶段过屈服阶段后，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形，必须增加拉力，这种现象称为材料的强化。最高点e所对应的应力：材料所能承受的最大应力，称为强度极限或抗拉极限，它是衡量材料强度的另一个重要指标。在强化阶段中，试样的横向尺寸有明显的缩小。Q235sb≈380MPa5.1

材料拉伸时的力学性能低碳钢Q235拉伸时的力学性能-颈缩阶段粗糙平口

光泽斜口约45°5.1

材料拉伸时的力学性能低碳钢Q235拉伸时的力学性能-颈缩阶段5.1

材料拉伸时的力学性能低碳钢Q235拉伸时的力学性能-塑性指标材料经受较大塑性变形而不被拉断的能力称为延性或塑性。材料的塑性用延伸率或断面收缩率度量。延伸率定义为：断面收缩率定义为：材料的延伸率和断面收缩率值越大，说明材料塑性越好。工程中:习惯上把d≥5%称为塑性材料d

<5%为脆性材料5.1

材料拉伸时的力学性能卸载和再加载性质如果把试件拉到超过屈服极限的d点:此时卸载应力应变关系沿dd’回到d’点dd’与Oa平行卸载过程中，应力和应变按照直线规律变化5.1

材料拉伸时的力学性能卸载和再加载性质卸载后短期内再次加载:再次加载时，直到d点以前的材料的变形都是弹性的，过了d点才开始出现塑性变形。第二次加载时，其比例极限得到了提高，但是塑性变形和延伸率却有所下降，这种现象称为冷作硬化5.1

材料拉伸时的力学性能低碳钢Q235拉伸时的力学性能-卸载和再加载性质

工程中经常利用冷作硬化来提高材料的弹性阶段，如起重的钢丝绳和建筑用的钢筋，常以冷拔工艺提高强度。又如对某些零件进行喷丸处理，使其表面发生塑性变形，形成冷硬层，以提高零件表面层的强度。但另一方面，零件初加工后，由于冷作硬化使材料变硬变脆，给下一步加工造成困难，很容易产生裂纹，往往需要在工序之间安排退火，以消除冷作硬化的影响。5.1

材料拉伸时的力学性能低碳钢Q235拉伸时的力学性能-温度的影响

低碳钢在温度升高到300℃以后，随着温度的升高，其弹性模量、屈服极限和强度极限均降低，而延伸率则提升高；而在低温情况下，低碳钢的强度提高，塑性降低。铸铁拉伸时的力学性能铸铁的拉伸应~应变关系图如下：弹性模量E以总应变为0.1%时的割线斜率来度量~割线弹性模量。破坏时沿横截面拉断。

铸铁拉伸没有屈服现象，强度极限sb是衡量强度的唯一指标。

铸铁等脆性材料的抗拉强度很低，所以不宜作为抗拉构件的材料。5.1

材料拉伸时的力学性能5.1

材料拉伸时的力学性能其他塑性材料拉伸时的力学性能有些材料明显的四个阶段有些材料没有屈服、颈缩阶段，但有弹性阶段和强化阶段对于没有明显屈服点的塑性材料，规定以产生0.2%的塑性应变时的应力作为屈服指标，称为名义屈服极限。5.2材料压缩时的力学性能5.2材料压缩时的力学性能压缩试样：

金属材料的压缩试样一般都制成很短的圆柱，以免被压弯(参考压杆稳定)，圆柱高度约为直径的1.5~3倍。混凝土、石料等则制成立方体的试块。d0h0粗短圆柱体：h0=1~3d05.2材料压缩时的力学性能低碳钢压缩时的s

~e曲线1.两类试验时的E

以及大致相等2.得不到压缩时的3.只能压扁5.2材料压缩时的力学性能铸铁压缩时的s

~e曲线1.同较小变形情况下突然破坏2.异

a.压缩时的

高出拉伸时的4—5倍

b.受压后形成鼓形，具有明显的塑性变形，破坏是500

左右斜断口铸铁试验结果(与拉伸试验比较)5.2材料压缩时的力学性能混凝土压缩时的s

~e曲线

混凝土在压缩试验中的破坏形式，与两端压板和试块的接触面的润滑条件有关。润滑不好上图中(b)的情况；润滑较好上图中(c)的情况5.2材料压缩时的力学性能部分常用材料的力学性能5.3材料的塑性性质与残余应力*5.3材料的塑性性质与残余应力1、金属材料的塑性性质

从塑性材料的应力应变曲线中可以看出:虽然一般要求构件中的应力必须小于屈服极限，但是只要应力小于ss，构件都不会破坏，因此有时也会使构件中的最大应力达到或超过ss，以充分利用材料。5.3材料的塑性性质与残余应力

若材料有较长的屈服阶段，且应变未超过这一阶段，或者材料的强化程度不明显，则可将其应力应变曲线简化:理想弹塑性材料5.3材料的塑性性质与残余应力

对强化比较明显的材料，则可以用斜直线表示强化阶段。线形强化弹塑性材料5.3材料的塑性性质与残余应力2、梁的弹塑性分析当弯矩M增加到一定程度时，在正应力最大的上下边缘处开始屈服，出现塑性变形。=ss=ss此时的弯矩Mt称为弹性极限弯矩。5.3材料的塑性性质与残余应力随着弯矩的继续增加，截面靠近上下各边缘点的材料相继屈服，形成塑性区。塑性区塑性区弹性区继续增加弯矩，塑性区扩大到整个截面，各点的应力均达到屈服极限，梁处于塑性极限状态5.3材料的塑性性质与残余应力塑性极限状态下的塑性极限弯矩Mp对于矩形截面梁而言，考虑材料的塑性性质后，其极限承载能力比弹性极限承载能力提高了50%。5.3材料的塑性性质与残余应力3、残余应力

在载荷作用下的构件，当其某些局部超过屈服点时，这些局部将发生塑性变形，而其余部分还是弹性的。如再将载荷卸除，已经发生塑性变形的部分由于不能恢复其原来的尺寸，必将阻碍弹性部分的变形的恢复，从而引起内部相互作用的应力，这种应力称为残余应力。

在实际工程中，如对构件进行锻压、焊接等加工时，经常会产生残余应力，导致构件变形，强度降低，因此人们探索了各种方法来降低或消除残余应力，如自然时效、热处理时效、振动时效等。

但是残余应力也有其有利的一面，工程中常用的预应力方法就是采用了残余应力。5.4复合材料及其力学性能*5.4复合材料及其力学性能复合材料的特点和力学性能

复合材料是指两种或两种以上互不相容的材料通过一定的方式组合成的一种新材料。例如玻璃钢、胶合板、钢筋混凝土等。

组成复合材料的材料分为基体材料和增强材料。

基体材料:树脂、金属、非金属材料

增强材料:各种纤维材料。

增强材料在复合材料中起主要作用，由它提供复合材料的强度和刚度。基体材料起配合作用，它支持和固定纤维材料，传递纤维间载荷，保护纤维，防止摩擦或腐蚀，改善复合材料的某些性能。5.4复合材料及其力学性能复合材料的特点和力学性能

与一般金属材料相比，主要有以下特点:

1、比强度、比模量高。在同等重量下具有更高的强度和刚度。复合材料重量轻，强度高。

2、具有可设计性。纤维和基体材料的用量的不同，铺设方式的不同。

3、各项异性严重。由于纤维的铺设是有方向性的，因此复合材料在沿纤维方向和垂直于纤维方向的性能是不同的。5.4复合材料及其力学性能5.4复合材料及其力学性能复合材料的特点和力学性能

由于复合材料具有的一些特殊优点，因此被广泛应用于航空、航天、交通、建筑、机械、能源、生物医学和体育运动中，可以预言，21世纪复合材料将占主导地位，随着复合材料更广泛的开发和应用，业已形成的复合材料力学学科将更加蓬勃发展。5.5电测法的原理和应用5.5电测法的原理和应用

理论计算的结果是否正确，往往也必须经过实验验证，因此在工程实际中经常采用实验的方法来研究和了解结构或构件的应力，这种方法称为实验应力分析。实验应力分析的方法主要有:

电阻应变测量法；光弹性法；云纹法；

X光衍射法等。5.5电测法的原理和应用1、应变电阻效应及电阻应变片金属丝的电阻公式:电阻电阻率金属丝长度金属丝截面积若该金属丝沿轴向伸长DL

，则电阻相应改变DR

，两者之间存在关系Ks被称为金属丝的灵敏系数。5.5电测法的原理和应用1、应变电阻原理

将金属丝绕成栅状以增大电阻值，这样制成的元件称为电阻应变片。常见的电阻应变片有丝绕式和箔式，并用康铜作为丝材。实测现场贴应变片5.5电测法的原理和应用2、电阻应变片测量电路

将电阻应变片牢固的粘贴在被测构件表面某一测点处，则随着构件沿应变片轴向发生变形，应变片电阻值也产生相应变化。测量该电阻值的改变量，可得测点处沿应变片方向的线应变值。由于测点的应变量较小，引起应变片和相应电阻的变化量也很小，通常采用桥式电路来测量。

R1R2R4R3若R1、R2为应变片，而R3、R4为标准电阻，称为半桥，若R1、R2、R3、R4均为应变片，则称为全桥。5.5电测法的原理和应用2、电阻应变片测量电路R1R2R4R3当电路满足关系：UBD=0

当某一个电阻发生变化，电桥失去平衡，UBD不为零。通过对其大小的分析，可以推算出相应的电阻变化量以及相应的线性变的大小。

具体请参考《工程力学实验指导书》5.5电测法的原理和应用3、电阻应变仪

电阻应变仪的作用是将电阻应变片接入其电桥电路，将应变的变化信号转化为电压信号，经放大器放大后由检测仪器指示出应变数值的专用仪器。应变仪可按其频率响应范围及指示形式，分为静态、动态两大类。静态应变仪适用于测