工程力學I課件：工程材料的力學性能和電測法

*工程材料的力學性能和電測法7.1拉伸與壓縮試驗7.2低碳鋼拉伸和壓縮時的力學性能7.3灰口鑄鐵拉伸和壓縮時的力學性能7.4電測法簡介37.1拉伸與壓縮試驗

材料的強度、剛度、穩(wěn)定性與材料的力學性能有關。力學性能(機械性質):材料在外力作用下表現(xiàn)出的變形和破壞等方面的特性。材料力學性能需要通過常溫靜載(緩慢加載)試驗來確定。試驗儀器：萬能試驗機4

試樣的形狀，加工精度，加載速度以及試驗環(huán)境由國家標準GB228-87《金屬拉伸試驗方法》和GB/T314-2017《金屬材料室溫壓縮試驗方法》有統(tǒng)一規(guī)定。

標準拉伸試樣：試驗段的長度l

稱為標距對于試驗段直徑為d

的圓截面試樣，通常規(guī)定

標準壓縮試樣：粗短圓柱體：h0=1~3d0試驗過程試樣裝卡;開動試驗機，緩慢加載;隨著載荷F

的增大，試樣逐漸被拉長，直至拉斷;儀器繪出拉力F和變形Dl的關系曲線;關閉試驗機，整理試驗數(shù)據(jù)。原始橫截面面積AO標距原始長度lF~Dl關系曲線轉換為s

~e

曲線7.2低碳鋼拉伸和壓縮時的力學性能一、

低碳鋼拉伸時的力學性能四個階段彈性階段屈服階段強化階段局部變形（頸縮）階段彈性階段屈服階段強化階段頸縮階段1、低碳鋼拉伸時的力學性能-彈性階段Oa段應力與應變成正比Q235：E≈200GPa直線部分的最高點a所對應的應力：比例極限，spOa段材料處于線彈性階段ab段不再為直線，但仍為彈性變形，材料只出現(xiàn)彈性變形的極限值---彈性極限，se當應力大于彈性極限后，若再解除拉力，則試樣會留下一部分不能消失的變形---塑性變形。由于彈性極限和比例極限極為接近，因此工程上并不對此嚴格區(qū)分。2、低碳鋼拉伸時的力學性能-屈服階段應力基本保持不變，應變顯著增加

屈服/流動表面磨光的試樣屈服時，表面將出現(xiàn)與軸線大支成45°傾角的條紋，這是由于材料內部相對滑移形成的，稱為滑移線。2、低碳鋼拉伸時的力學性能-屈服階段下屈服極限則有比較穩(wěn)定的數(shù)值，能夠反映材料的性能通常把下屈服極限稱為屈服極限或屈服強度

材料屈服表現(xiàn)為顯著的塑性變形，而零件的塑性變形將影響機器的正常工作，所以屈服極限是衡量材料強度的重要指標。Q235ss≈235MPa3、低碳鋼拉伸時的力學性能-強化階段過屈服階段后，材料又恢復了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形，必須增加拉力，這種現(xiàn)象稱為材料的強化。最高點e所對應的應力：材料所能承受的最大應力，稱為強度極限或抗拉極限。在強化階段中，試樣的橫向尺寸有明顯的縮小。Q235sb≈380MPa4、低碳鋼拉伸時的力學性能-局部變形階段4、低碳鋼拉伸時的力學性能-局部變形階段材料經受較大塑性變形而不被拉斷的能力稱為延性或塑性。材料的塑性用延伸率或斷面收縮率度量。延伸率定義為：斷面收縮率定義為：材料的延伸率和斷面收縮率值越大，說明材料塑性越好。工程中:d≥5%為塑性材料d<5%為脆性材料4、低碳鋼拉伸時的力學性能-局部變形階段其他塑性材料拉伸的應力~應變關系圖有些材料明顯的四個階段有些材料沒有屈服、頸縮階段，但有彈性階段和強化階段對于沒有明顯屈服點的塑性材料，規(guī)定以產生0.2%的塑性應變時的應力作為屈服指標，稱為名義屈服極限。5、低碳鋼拉伸時的力學性能-卸載定律和冷作硬化現(xiàn)象如果把試件拉到超過屈服極限的d點:此時卸載應力應變關系沿dd’回到d’點dd’與Oa平行卸載過程中，應力和應變按照直線規(guī)律變化5、低碳鋼拉伸時的力學性能-卸載定律和冷作硬化現(xiàn)象卸載后短期內再次加載:可見在再次加載時，直到d點以前的材料的變形都是彈性的，過了d點才開始出現(xiàn)塑性變形。第二次加載時，其比例極限得到了提高，但是塑性變形和延伸率卻有所下降，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化。5、低碳鋼拉伸時的力學性能-卸載定律和冷作硬化現(xiàn)象

工程中經常利用冷作硬化來提高材料的彈性階段，如起重的鋼絲繩和建筑用的鋼筋，常以冷拔工藝提高強度。又如對某些零件進行噴丸處理，使其表面發(fā)生塑性變形，形成冷硬層，以提高零件表面層的強度。但另一方面，零件初加工后，由于冷作硬化使材料變硬變脆，給下一步加工造成困難，很容易產生裂紋，往往需要在工序之間安排退火，以消除冷作硬化的影響。二、

低碳鋼壓縮時的力學性能低碳鋼的壓縮曲線主要結論：⑴壓縮時的比例極限

p、屈服極限

s、彈性模量

E

與拉伸時大致相同。⑵

不存在強度極限

b。鑄鐵的拉伸應~應變關系圖如下：彈性模量E以總應變?yōu)?.1%時的割線斜率來度量~割線彈性模量。破壞時沿橫截面拉斷。

鑄鐵拉伸沒有屈服現(xiàn)象，強度極限b是衡量強度的唯一指標。

鑄鐵等脆性材料的抗拉強度很低，所以不宜作為抗拉構件的材料。7.3灰口鑄鐵拉伸和壓縮時的力學性能試驗一、灰口鑄鐵拉伸時的力學性能二、灰口鑄鐵壓縮時的力學性能灰口鑄鐵的壓縮曲線主要結論：（1）壓縮時的

高出拉伸時的4—5倍。（2）受壓后形成鼓形，具有明顯的塑性變形，破壞是500

左右斜斷口。

理論計算的結果是否正確，往往也必須經過實驗驗證，因此在工程實際中經常采用實驗的方法來研究和了解結構或構件的應力，這種方法稱為實驗應力分析。實驗應力分析的方法主要有:

電阻應變測量法；

光彈性法；云紋法；

X光衍射法等。7.4電測法簡介一、電阻應變片及應變電阻效應1、應變片工作原理

將金屬絲繞成柵狀以增大電阻值，這樣制成的元件稱為電阻應變片。常見的電阻應變片有絲繞式和箔式，并用康銅作為絲材。絲繞式應變片：用直徑為

0.02

mm

~

0.05

mm

的鎳銅合金

絲或鎳鉻合金絲繞成柵狀，粘貼在兩層絕緣薄膜中制作而成。箔式應變片：用厚度為

0.003

mm

~

0.01

mm

的康銅箔或鎳鉻合金箔腐蝕成柵狀，粘貼在兩層絕緣薄膜中制作而成。應變片中的柵狀金屬絲或金屬箔稱為敏感柵。1、應變片工作原理1、應變片工作原理式中，比例系數(shù)

K

稱為應變片的靈敏系數(shù)，其大小與敏感柵的材料以及應變片構造有關，可通過試驗測定。應變片敏感柵的電阻變化率

R

/

R與敏感柵沿長度方向的線應變成正比，即有常用應變片的靈敏系數(shù)

K

約為

1.7

～

3.6。2、電阻應變片儀及測試原理電阻應變儀，用來測量電阻應變片應變的專用電子儀器，其基本測試電路為惠斯登電橋（簡稱電橋）。電橋四個橋臂的電阻分別為R1、R2、R3與當橋臂電阻滿足

R1R3=

R2R4時，則電橋輸出電壓

U=

0，稱為電橋平衡。

R4

；A

與

C

為電橋的輸入端，接電源，輸入電壓為U

；B

與

D為電橋的輸出端，接儀表，其輸出電壓則為2、電阻應變片儀及測試原理2、電阻應變片儀及測試原理在進行電測實驗時，若將粘貼在構件上的電阻完全相同的四個應變片組成電橋的四個橋臂，則在構件受力變形前，電橋平衡，沒有輸出。當構件受力變形后，設四個應變片感受的應變分別為

1、

2、

3與

4，相應的電阻改變量分別為

R1、

R2、

R3

與

R4，則由上式可得，此時電橋的輸出電壓為2、電阻應變片儀及測試原理由于

KU

/4

為常數(shù)，故可以將電阻應變儀的輸出按照應變來標定，從而直接得到應變儀的讀數(shù)應變：3、電橋接法在用電測法進行實際測量時，需根據(jù)被測構件的受力變形情況、溫度變化情況以及具體測試要求，來確定測點位置、布片與電橋接線方案。電橋接線一般有兩種方式

——半橋接線：將測量電橋的兩個橋臂接上應變片，另兩個橋臂接上應變儀內部的固定電阻。例如R1、R2為應變片，R3、R4為固定電阻。全橋接線：將測量電橋的四個橋臂都接上應變片。

溫度補償：由于溫度對電阻值變化影響很大，利用電橋特性，可以采用適當?shù)姆椒ㄏ@種影響。采用半橋接法，R1為工作片，R2為溫度補償片。由于載荷作用以及溫度影響，工作片的應變值為

；溫度補充片只受溫度影響不受載荷作用，因此其應變值為

。3、電橋接法二、應變片的布置及電測法的應用1、測