任务四　材料在拉伸和压缩时的力学性能

材料的力学性质,是指材料在受力过程中,在强度和变形方面所表现的性能(又称材料的机械性质),是通过材料实验来测定的。工程中使用的材料种类很多,习惯上根据试件在破坏时塑性变形的大小,区分为脆性材料和塑性材料两类。脆性材料在破坏时塑性变形很小,如石料、玻璃、铸铁、混凝土等；塑性材料在破坏时具有较大的塑性变形,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。本任务以低碳钢和铸铁为例,介绍两类材料在静载、常温静载下轴向拉伸和压缩时表现的力学性能。

一、低碳钢拉伸时的力学性能

低碳钢是指含碳量在0.3%以下的钢材。低碳钢在工程中使用较广,而且在拉伸实验中表现出来的力学性能也最典型。

根据规范规定,拉伸实验时的标准试件,如图4-10所示。试件中段为等直杆,其截面形状有圆形与矩形两种,在中间部分取一段等直杆为工作段,长度l称为标距。对圆截面的试件,标距l与截面直径d的关系有两种：

对于矩形截面试件,标距与截面面积A之间的关系为

当试件装上实验机后,试件受到由零逐渐增加的拉力F,直至试件破坏。实验过程中,记录各个时刻拉力F与绝对纵向变形Δl的数据,并以纵坐标表示拉力F,横坐标表示绝对纵向变形Δl,便可绘出F与Δl的关系曲线(图4-11),称为拉伸图或F-Δl曲线。实验机上的自动绘图装置,在试件拉伸过程中可自动绘出拉伸图。

F-Δl曲线与试件的尺寸有关。为了消除试件尺寸的影响,直接反映材料本身的力学性能,通常是将拉伸图的拉力F除以试件的原横截面面积A,即得正应力；将绝对纵向变形Δl除以标距l,即得轴向线应变。以σ为纵坐标、ε为横坐标,即可绘出σ-ε曲线(图4-12),称为应力-应变图。下面根据σ-ε曲线来讨论低碳钢拉伸时的力学性能。

(一)弹性阶段

从开始拉伸到曲线微弯的oa'段,这个阶段的应变很小。如将荷载卸去,曲线将按oa'线返回到原点,变形全部消失,说明试件在这阶段只产生弹性变形。因此,称这一阶段为弹性阶段。a'点所对应的应力,即只产生弹性变形的最大应力,称为材料的弹性极限,常以σe表示。

在弹性阶段内,曲线有一段直线oa,它表示应力和应变成正比,材料服从胡克定律。过a点后曲线开始弯曲,表示应力和应变不再成正比。a点所对应的应力,称为比例极限,用σp表示。Q235钢的比例极限σp＝200MPa,oa直线的斜率,其值即等于材料的弹性模量E。在σ-ε图上,由于a、a'两点非常接近,所以在工程上对两个极限并无严格的区分。

(二)屈服阶段

当应力超过σe后,将出现应变增加很快,而应力在小范围内波动的现象。在σ-ε图上出现一段接近水平的锯齿形线段bc。这种应力变化不大而应变明显增加的现象称为屈服或流动。屈服阶段bc内的最低应力称为屈服极限σs(不包括首次应力最低点)。当材料屈服时,在光滑的试件表面会出现与轴线约成45°倾角的斜纹[图4-13(a)]。这种条纹是由材料的微小晶粒之间产生相对滑移而形成的,称为滑移线。考虑到轴向拉伸时,在与杆轴线成45°的斜截面上,剪应力为最大值,由此可见屈服现象的出现,与最大剪应力有关。

当应力达到屈服极限时,材料会出现明显的塑性变形,构件将不能正常工作,所以屈服极限是衡量材料强度的一个重要指标,Q235钢的屈服极限σs＝235MPa。

(三)强化阶段

经过屈服阶段后,在σ-ε图上为上凸的曲线cd,这说明材料又恢复了抵抗变形的能力,要使它继续变形必须增加应力,这种现象称为材料的强化。强化阶段中最高点d所对应的应力,是材料所能承受的最大应力,称为强度极限σb,Q235钢的强度极限σb＝400MPa。

(四)颈缩阶段

当应力达到后,变形将集中在试件的某一薄弱处局部范围内,横向尺寸急剧收缩,形成颈缩现象[图4-13(b)],由于颈缩处的截面面积迅速减小,试件继续伸长所需的拉力也相应减小,曲线下降到e点,试件在颈缩处拉断。

(五)延伸率和截面收缩率

试件拉断后,弹性变形完全消失,而塑性变形依然保留下来。试件标距的原始长度l变成l1。用百分比表示的比值为

称为延伸率。延伸率δ是衡量材料塑性的一个指标,Q235钢的δ＝25%～27%。

工程上按δ的大小把材料分为两大类：δ＞5%的材料称为塑性材料,如钢、铜、铝等；而δ＜5%的材料称为脆性材料,如铸铁、玻璃等。

试件拉断后,若断处的截面面积为A1,原截面面积为A。用百分比表示的比值为

称为截面收缩率。Ψ是衡量材料塑性的另一指标,低碳钢Ψ值为60%～70%。

(六)冷作硬化

在低碳钢的拉伸过程中,若把试件拉到强化阶段的某点f,然后逐渐卸去荷载,应力与应变将沿oa与平行的斜直线fg回到g点[图4-14(a)]。图中gh表示消失了的弹性变形,og表示残留下来的塑性变形。卸载后,若在短期内再次加载,则应力与应变的关系将大致沿卸载时的斜直线gf变化,直到f点后,又沿着曲线fe变化[图4-14(b)],这表示再次加载过程中,在到达f点以前,材料变形是弹性变形,过f点后才开始出现塑性变形。

比较图4-14(a)、(b)可见,在第二次加载时,材料的比例极限、屈服极限得到了提高,而塑性变形却降低了,这种现象称为冷作硬化。工程中常利用冷作硬化来提高钢材的强度,工程中常用的冷拉钢筋就是冷作硬化的具体应用。

二、铸铁拉伸时的力学性能

铸铁是一种典型的脆性材料,它受拉时从开始到断裂,变形都不显著,没有屈服阶段和颈缩现象,图4-15是铸铁拉伸时的σ-ε曲线。在曲线上没有明显的直线部分,这说明铸铁不符合胡克定律。但由于铸铁构件总是在较小应力范围内工作,因此可以用产生0.1%应变对应的割线oa来代替曲线oa,即认为在较小应力时是符合胡克定律的,其斜率作为弹性模量E。由σ-ε曲线可以看出,脆性材料只有一个强度指标,即拉断时的最大应力——强度极限σb。

在土木建筑工程中,常用的混凝土和砖石等材料也是脆性材料,它们的σ-ε曲线与铸铁相似,但是各具有不同的强度极限σb值。

三、材料压缩时的力学性能

钢材和铸铁的压缩试件一般采用圆柱形,它不能做得太高,高了容易压弯,试件的高度l与直径d的比一般为1～3[图4-16(a)]。

低碳钢受压时的σ-ε曲线,如图4-16(b)中实线所示,把它和受拉时的σ-ε曲线[图4-16(b)中虚线所示]进行比较可以看出：

(1)在应力未超过屈服阶段前,两个图形是重合的。因此,受压时的弹性模量E、比例极限σp和屈服极限σs与受拉时相同。

(2)当应力超过屈服极限后,受压的曲线不断上升,其原因是试件的截面不断增加,由鼓形最后变成了薄饼形,如图4-16(a)中虚线所示。因此,压缩时的强度极限σb不能测出。由于钢材受拉和受压时的主要力学性能(E、σp、σs)相同,所以钢材的力学性能都由拉伸试验来测定,不必进行压缩实验。

对于脆性材料,压缩实验是很重要的。脆性材料如铸铁、混凝土和砖石等,受压的特征也和受拉一样,在很小的变形下就发生破坏；但是抗压的能力远远大于抗拉的能力。所以,脆性材料常用于受压的构件,以充分利用其抗压性能。

铸铁的压缩实验表明：在应力-应变的关系曲线上,没有明显的直线部分,也没有屈服阶段。强度极限σb可以测得,其值一般为受拉时的4～5倍。试件破坏时,沿着接近于45°的斜面上断裂[图4-17(a)],这说明铸铁的抗剪强度低于抗压强度。

混凝土的压缩试件通常做成立方体形,在压缩实验中,由于两端受有实验机平板的摩擦阻力,横向变形受到阻碍,随着荷载的增加,试件中部四周逐渐剥落掉下,最后剩下两个锥形体而破坏[图4-17(b)]。若用润滑剂减小两端的摩擦力,则在破坏荷载下,沿受力方向分裂成数块[图4-17(c)]。

表4-2列出了几种常用材料在常温、静载下的力学性能。