工程力学I课件：工程材料的力学性能和电测法

*工程材料的力学性能和电测法7.1拉伸与压缩试验7.2低碳钢拉伸和压缩时的力学性能7.3灰口铸铁拉伸和压缩时的力学性能7.4电测法简介37.1拉伸与压缩试验

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。材料力学性能需要通过常温静载(缓慢加载)试验来确定。试验仪器：万能试验机4

试样的形状，加工精度，加载速度以及试验环境由国家标准GB228-87《金属拉伸试验方法》和GB/T314-2017《金属材料室温压缩试验方法》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

标准压缩试样：粗短圆柱体：h0=1~3d0试验过程试样装卡;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;仪器绘出拉力F和变形Dl的关系曲线;关闭试验机，整理试验数据。原始横截面面积AO标距原始长度lF~Dl关系曲线转换为s

~e

曲线7.2低碳钢拉伸和压缩时的力学性能一、

低碳钢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）阶段弹性阶段屈服阶段强化阶段颈缩阶段1、低碳钢拉伸时的力学性能-弹性阶段Oa段应力与应变成正比Q235：E≈200GPa直线部分的最高点a所对应的应力：比例极限，spOa段材料处于线弹性阶段ab段不再为直线，但仍为弹性变形，材料只出现弹性变形的极限值---弹性极限，se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。2、低碳钢拉伸时的力学性能-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支成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。2、低碳钢拉伸时的力学性能-屈服阶段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≈235MPa3、低碳钢拉伸时的力学性能-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。在强化阶段中，试样的横向尺寸有明显的缩小。Q235sb≈380MPa4、低碳钢拉伸时的力学性能-局部变形阶段4、低碳钢拉伸时的力学性能-局部变形阶段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:d≥5%为塑性材料d<5%为脆性材料4、低碳钢拉伸时的力学性能-局部变形阶段其他塑性材料拉伸的应力~应变关系图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、低碳钢拉伸时的力学性能-卸载定律和冷作硬化现象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、低碳钢拉伸时的力学性能-卸载定律和冷作硬化现象卸载后短期内再次加载:可见在再次加载时，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、低碳钢拉伸时的力学性能-卸载定律和冷作硬化现象

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。二、

低碳钢压缩时的力学性能低碳钢的压缩曲线主要结论：⑴压缩时的比例极限

p、屈服极限

s、弹性模量

E

与拉伸时大致相同。⑵

不存在强度极限

b。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b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。7.3灰口铸铁拉伸和压缩时的力学性能试验一、灰口铸铁拉伸时的力学性能二、灰口铸铁压缩时的力学性能灰口铸铁的压缩曲线主要结论：（1）压缩时的

高出拉伸时的4—5倍。（2）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。

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。7.4电测法简介一、电阻应变片及应变电阻效应1、应变片工作原理

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。丝绕式应变片：用直径为

0.02

mm

~

0.05

mm

的镍铜合金

丝或镍铬合金丝绕成栅状，粘贴在两层绝缘薄膜中制作而成。箔式应变片：用厚度为

0.003

mm

~

0.01

mm

的康铜箔或镍铬合金箔腐蚀成栅状，粘贴在两层绝缘薄膜中制作而成。应变片中的栅状金属丝或金属箔称为敏感栅。1、应变片工作原理1、应变片工作原理式中，比例系数

K

称为应变片的灵敏系数，其大小与敏感栅的材料以及应变片构造有关，可通过试验测定。应变片敏感栅的电阻变化率

R

/

R与敏感栅沿长度方向的线应变成正比，即有常用应变片的灵敏系数

K

约为

1.7

～

3.6。2、电阻应变片仪及测试原理电阻应变仪，用来测量电阻应变片应变的专用电子仪器，其基本测试电路为惠斯登电桥（简称电桥）。电桥四个桥臂的电阻分别为R1、R2、R3与当桥臂电阻满足

R1R3=

R2R4时，则电桥输出电压

U=

0，称为电桥平衡。

R4

；A

与

C

为电桥的输入端，接电源，输入电压为U

；B

与

D为电桥的输出端，接仪表，其输出电压则为2、电阻应变片仪及测试原理2、电阻应变片仪及测试原理在进行电测实验时，若将粘贴在构件上的电阻完全相同的四个应变片组成电桥的四个桥臂，则在构件受力变形前，电桥平衡，没有输出。当构件受力变形后，设四个应变片感受的应变分别为

1、

2、

3与

4，相应的电阻改变量分别为

R1、

R2、

R3

与

R4，则由上式可得，此时电桥的输出电压为2、电阻应变片仪及测试原理由于

KU

/4

为常数，故可以将电阻应变仪的输出按照应变来标定，从而直接得到应变仪的读数应变：3、电桥接法在用电测法进行实际测量时，需根据被测构件的受力变形情况、温度变化情况以及具体测试要求，来确定测点位置、布片与电桥接线方案。电桥接线一般有两种方式

——半桥接线：将测量电桥的两个桥臂接上应变片，另两个桥臂接上应变仪内部的固定电阻。例如R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。全桥接线：将测量电桥的四个桥臂都接上应变片。

温度补偿：由于温度对电阻值变化影响很大，利用电桥特性，可以采用适当的方法消除这种影响。采用半桥接法，R1为工作片，R2为温度补偿片。由于载荷作用以及温度影响，工作片的应变值为

；温度补充片只受温度影响不受载荷作用，因此其应变值为

。3、电桥接法二、应变片的布置及电测法的应用1、测