建筑力学课件第七章详解.ppt

第七章 工程材料的力学性能 第一节 概述 第二节 常温静载下工程材料的拉伸与压缩试验 第三节 常温静载下金属材料的扭转试验 第四节 材料的屈服及断裂失效判据 总结与讨论 习题 7.1 概述 材料的力学性能，指的是在力作用下材料表现出的行为。表现为力和变形的关系、材料失效时的强度、弹性模量等内容。 我们都有经验常识，对于同样粗细同样长度的铁丝和橡胶条，在相同的拉力作用下它们的伸长量相差很大；并且知道，同样粗细铁丝和橡胶条，铁丝能承受的拉力比橡胶条大得多。这些都说明变形体的受力变形、承载能力等都与材料的力学性能有关。 在构件设计中选用合适的材料，在工程施工中确定恰当的加工工艺以及保证采购的材料质量合格等方面，都需要了解材料的力学性能。 在本书内容中更重要的是，构件的静力分析及静力设计是通过对力系平衡、变形协调及材料的本构关系的研究来解决问题的。而材料的本构关系的得来必须对材料力学性能进行研究。 7.1 概述 如何进行材料的力学性能研究？ 在材料的力学性能研究中主要依靠试验的方式。通过在实验室进行材料的各种力学试验获取有关材料力学性能的基本信息——应力应变曲线图，对此图进行分析，得出表征材料力学性能的特征量。 试验条件（温度、湿度、环境）、试件几何（形状和尺寸）、试验装置（试验机、夹具、测量装置等）、加载方式（拉、压、扭转、弯曲；加载速率、加载持续时间、重复加载等）、试验结果的分析和描述等，都应按照规定的标准规范进行，以保证试验结果的正确性、通用性和可比性。 本章主要介绍低碳钢等几种材料在常温、静载荷下的力学性能。具体的实验方法可参阅材料力学实验书籍。 7.2常温静载下工程材料的拉伸与压缩试验 7.2.1 低碳钢常温静载拉伸试验 1. 试样及试验方法 低碳钢是含碳量低于0.3%的金属材料，工程中有着广泛的应用。 按照国家标准的规定，低碳钢拉伸试样可以是机加工或不经机加工的试样，对于机加工试件可以制成圆形截面或矩形截面，如图7-1所示。 如图7-2示，试样两头部或夹持部分（不带头试样）之间平行部分长度，称为平行长度，用符号表示；试样中段用于测量伸长用的试样圆柱或棱柱部分的长度称为标距，试样未受力前的标距称为原始标距，用符号表示。表征试样断裂后的标距称为断后标距，用表示。用引伸计测量试样延伸时所使用试样平行长度部分的长度，称为引伸计标距，用符号表示，一般情况下取。表示试样变形前标距内横截面面积，表示断裂后试样断裂处横截面面积。 7.2常温静载下工程材料的拉伸与压缩试验 具体实验中，对于试样具体尺寸的选取及试验时的加载速度、试样表面的光洁度、试验温度及标距部分尺寸偏差参见GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》规定。图7-3 拉伸图 试验时，将试样装入试验机夹头内，对试样施加轴向拉力F，F由零缓慢平稳增加，同时从引伸计上读出延伸（试验期间任一给定时刻引伸计标距的增量），将拉断前拉伸过程中的拉力和对应的延伸记录下来。就可以画出如图7-3所示的曲线图，称为拉伸图。它描写了从开始加载到破坏为止，试件承受的荷载和变形发展的全过程。 将整个过程记录的F除以试样受力前的横截面积A0，得 （7-1） 7.2常温静载下工程材料的拉伸与压缩试验 被称为名义应力，即横截面上的平均应力。同时将延伸除以引伸计标距，得 （7-2） 被称为引伸计测量段内的工程应变，实际是引伸计测量段内的平均线应变，也是延伸率。 以为横坐标，为纵坐标，就可由拉伸图画出如图7-4所示的曲线，此曲线称为应力—应变图，又称工程应力—应变曲线。 2. 低碳钢拉伸时的力学性能 从图7-4上可以看出，低碳钢拉伸时的变形可以分为四个不同的阶段。 （1）弹性阶段，即图上Oa段。 这一阶段可以分为两部分：斜直线段和微弯曲线。斜直线段表示应力与应变成正比，亦即变形与载荷成正比，这就是1678年英国物理学家虎克在大量试验的基础上归纳出来的拉压虎克定律 （7-3） 7.2常温静载下工程材料的拉伸与压缩试验 式中，比例系数称为（拉压）弹性模量或杨氏模量，代表材料对使其产生变形的载荷的抵抗能力——刚度，E的单位与应力单位相同，一般采用GPa，（ ），在应力—应变图上E就是斜直线Oa段的斜率。 对应于a点的应力称为比例极限，用 表示。认为应力和应变间服从线弹性关系。 当试样中的应力小于点应力时，试样的变形是弹性变形，即若在这一段上将载荷全部卸去，变形将完全消失，应力为零时应变也为零。在间，应力和应变的关系不再服从正比例关系，是非线弹性的关系。对应于点的应力称为弹性极限，用表示。 由于大部分固体材料的和很接近，工程应用中并不加以严格区分，故可以近似认为材料在整个弹性变形阶段