材料力学性能的实验方法和实验设备的前期阅读方法

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正在学习《材料力学》课程的学生； 从事机械相关工作的工程技术人员。

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2.

工程构件的承载能力除了与应力有关外，还取决于构件的材料。

材料的力学性能（又称机械性能）是指材料在外力作用下产生的变形、损伤等特性，是通过实验测定的。

一

实验方法

1. 实验条件

常温（室内温度）、静载荷（缓慢稳定加载）、标准试件（采用国家标准统一规定的试件）。

2、实验设备

具有加载、记录、测量等功能。

一般为微机控制电子万能试验机、游标卡尺等。

3.实验材料

工程中材料的品种和类型很多，通常以低碳钢和铸铁为主要代表，研究它们在拉伸和压缩下的力学性能。

二

材料拉伸时的机械性能

拉伸试样采用国家标准统一规定的试样。首先取试样中部长度为 的一段作为试验截面，称为标距。 对于直径为 的圆形横截面样品

1、低碳钢拉伸试验

拉伸与变形的关系曲线，或表示为应力与应变的关系，称为拉伸图。 可分为四个阶段（1）~（4）：

(1) 灵活的舞台

是一条直线段，满足胡克定律，材料处于线弹性阶段。 显然直线的斜率就是材料的弹性模量（杨氏模量）。 相应的最大应力称为比例极限。

不再是直线，但仍然弹性变形。 相应的最大应力称为弹性极限。 没什么不同。

弹性变形是指去除载荷后能完全恢复的变形。

(2)屈服阶段

它是一条锯齿状的折线，显示应力波动较小，变形增大。 这种现象称为屈服。 相应的最小应力称为屈服极限。

样品表面会出现与轴大约 45° 的条纹，称为滑移线，这是由最大剪切应力引起的。

(3)强化阶段

材料又恢复了抵抗变形的能力。 为了继续变形，必须增加拉力。 这种现象称为材料的强化。 最大应力（显然是材料能承受的最大应力）称为强度极限。

(4)局部变形阶段

经过该点后，样品在某一截面的截面积明显收缩，出现颈缩现象，直至样品在该点被拉断。

(5)卸荷法及冷作硬化

如果在强化阶段的某一点停止加载并逐渐卸载，则在卸载过程中，载荷与试件的伸长率之间的关系遵循近似平行的直线规律，称为材料的卸载规律。

材料在常温下预拉伸至强化阶段，然后卸料。 再次加载时，试验曲线会沿直线变化，即线弹性范围内可承受的最大载荷增大（满足胡克定律的范围增大，即弹性极限增大），这种现象称为冷加工硬化。

(6)伸长率和段收缩率

样品断裂后，弹性变形消失，塑性变形（不可恢复变形）依然存在。 试样长度从 变为 ，原来横截面积为 ，断裂处最小横截面积为 ，则伸长率或伸长率

面积减少率

伸长率和断面收缩率是衡量材料塑性变形的两个指标。

一般≥5%的材料称为塑性材料。

低碳钢的延伸率为20%~30%，是一种非常好的塑性材料。

2、其他塑料材料的拉伸实验

有些塑料材料的拉伸试验曲线没有明显的弹性阶段和屈服阶段。 通常用产生0.2%塑性应变时的应力作为屈服指标，称为名义屈服极限或条件屈服极限，用 表示。

3、铸铁拉伸试验

铸铁是典型的脆性材料，拉伸试验曲线具有以下特点：

(1)没有低碳钢那样的阶段；

(2) 无屈服过程；

(3)断裂前塑性变形很小；

(4)强度指标即强度极限。 抗拉强度低；

(5)弹性模量采用割线弹性模量：总应变为0.1%时的割线斜率。

例：铜丝直径=2mm，长度=500mm，材料的拉伸曲线如图所示。 如果要将铜线延长到30mm，大约需要多大的力？

解决方案：应变

从拉伸图中可以看出，应力大致为

因此所施加的力大约为

三

压缩下材料的机械性能

材料压缩试样一般为短圆柱体

1、低碳钢压缩实验

低碳钢受压时的弹性模量和屈服极限与受拉时的弹性模量和屈服极限大致相同。 屈服阶段后，样品变得更加压缩并变得更平坦，并且横截面积继续增加。 样品不能因压缩而破裂，因此无法获得压缩时的强度极限。

其他塑料材料也具有与低碳钢相同的压缩特性。

2、铸铁压缩实验

铸铁受压时，破坏端面与截面大致成45°～55°的倾斜角，表明破坏主要是由于剪切造成的。 铸铁的抗压强度极限是抗拉强度极限的4至5倍。

四

材料机械性能总结

1、材料力学性能指标

弹性指标：比例极限和弹性极限。

强度指标：屈服极限和强度极限，以及名义屈服极限。

塑性指标：伸长率（伸长率）和断面收缩率。

材料常数：弹性模量、泊松比。

2、塑性材料和脆性材料

塑料材质：塑性指数高，拉伸断裂和抗冲击性能好，其主要强度指标为，在拉伸和压缩下具有相同的值。

脆性材料：塑性指标低，拉伸能力远低于压缩能力，强度指标仅为。

五

应力集中的概念

一、定义

由于杆件形状的突然变化而引起局部应力突然增大的现象称为应力集中。

例子：

应力集中程度用应力集中系数来衡量

它是应力集中截面上的最大应力，是按同一截面上的净面积计算的平均应力。

2、应力集中对材料的影响

应力集中对塑性材料影响不大，但对脆性材料影响严重，应特别注意。

(1) 静负载时

塑料材料：屈服后，应力重新分布，应力趋于平均。 通常不考虑应力集中的影响。

脆性材料：应力集中处的应力首先达到强度极限而导致失效。 应力集中的危害是严重的。

灰铸铁：内部缺陷是引起应力集中的主要因素，形状变化是次要因素。

(2) 动负载时

在动载荷（交变应力或冲击）作用下，应力集中对塑性和脆性材料的强度都有严重影响。 塑料材料在交变应力作用下，首先在应力集中区产生疲劳裂纹，发生疲劳破坏。

六

蠕变和放松

蠕变：固体材料的应变在保持恒定应力的同时随时间缓慢增加的现象。

松弛：在总应变不变的情况下，粘弹性材料的变形恢复力（回弹应力）随时间逐渐减小的现象。

七

概念练习

选择填空：

(1)塑料材料冷加工硬化后，材料的机械性能发生变化。 下列结论正确的是（ ）

A、屈服应力增大，弹性模量减小。

B、屈服应力增大，塑性降低

C、屈服应力不变，弹性模量不变。

D、屈服应力不变，塑性不变。

(2)低碳钢材料在拉伸试验中不发生明显塑性变形时，其承受的最大应力应小于( )值

A. 比例限制 B. 产量限制

C. 强度极限 D. 许用应力

(3) 当低碳钢试样拉伸至屈服时，下列结论正确的是（ ）

A. 应力和塑性变形迅速增加，因此材料被认为已失效。

B.虽然应力和塑性变形迅速增加，但这并不意味着材料失效。

C.应力不增加，但塑性变形迅速增加，因此认为材料已失效。

D、应力不增加，塑性变形迅速增加，但并不意味着材料失效。

（4）下列说法正确的是（ ）

A、弹性应变为0.2%时的应力值

B、总应变0.2%时的应力值

C、塑性应变为0.2%时的应力值

D、塑性应变为0.2时的应力值

(5)下列低碳钢装料→卸料→再装料路径正确的是( )

A。

B.

C。

D .

(6) 关于材料的一般力学性能，下列结论正确的是（ ）

A.脆性材料的拉伸能力低于其压缩能力

B.脆性材料的拉伸能力高于其压缩能力

C. 塑料材料的拉伸能力高于其压缩能力

D.脆性材料的拉伸能力等于其压缩能力

参考

[1]孙训芳. 《材料力学》（第6版），高等教育出版社，2019年

[2] 刘宏文. 《材料力学》（第6版），高等教育出版社，2017年

《练习题》参考答案

(1)B (2)B (3)C

(4)C (5)D (6)A

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