材料拉伸力学性能分析

1.试件的制备

为了对不同材料的试验结果进行比较,便于进行结构的强度设计计算,国家标准(如GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》)对于试样的形状、加工精度、加载速度和试验环境都作了统一规定。在拉伸试件中部等截面区域内取长度为l的一段为试样的工作段,l称为标距,标距与试样的横向尺寸之间符合一定的比例关系(见图2.15)。d为试样直径。试件较粗的两端为夹紧部分。

对于金属材料,一般采用圆形截面试件:l=10d或l=5d。

对于混凝土、石料等,一般采用矩形截面试件:l=11.3 A 或l=5.65 A 。其中,A为原始截面面积。

压缩试样通常用圆形截面或正方形截面的短柱体(见图2.16),其长度l与横截面直径d或者边长b的比值一般规定为1~3。

图2.15　拉伸试件

图2.16　压缩试件

2.低碳钢拉伸时的力学性能

低碳钢是指碳含量在0.3%以下的碳素钢。低碳钢试样在拉伸试验过程中,标距范围内伸长量与拉力P之间的关系曲线称为拉伸图或P-△l曲线,如图2.17所示。为了消除试样尺寸的影响,把拉力P除以试件横截面的原始面积A,得到名义正应力:σ=P/A;同时,将伸长量Δl除以标距的原始长度l,得到应变:ε=Δl/l。以σ为纵坐标,ε为横坐标,作图表示σ与ε的关系称为应力-应变图或称σ-ε曲线,如图2.18所示。

图2.17　标距范围内拉伸图(P-△l曲线)

图2.18　应力-应变图(σ-ε曲线)

根据试验结果,低碳钢的拉伸力学性能(见图2.18)表现为4个不同的阶段。1)弹性阶段Ob

在拉伸的初始阶段,如果解除拉力后变形可以完全消失,即变形是弹性的。实验表明,低碳钢在弹性阶段内工作应力σ不超过比例极限σp时,σ与ε的关系为直线Oa,材料符合

胡克定律,即

式中,E为与材料有关的比例常数,称为弹性模量,对应于σ-ε曲线图上直线Oa的斜率,它的量纲和单位与正应力相同(Pa)。它是衡量材料抵抗弹性线变形能力的重要常数,称为弹性指标。弹性变形满足胡克定律的材料称为线弹性材料。某些材料(如某些高分子材料)称为非线弹性材料。Q235钢的比例极限σp=200 MPa。

当σ超过比例极限σp后,即从a点到b点之间,σ与ε的关系不再表现为直线,但变形仍然是弹性的,弹性阶段所对应的最高应力称为弹性极限,用σe表示。弹性极限σe和比例极限σp的数值非常接近,因此工程上并不严格区分。

2)屈服阶段bc

当σ超过弹性极限σe后,如果解除拉力,则试件的一部分变形消失(即弹性变形),而另一部分不能消失的变形称为塑性变形或残余变形。在σ-ε曲线图上便表现为一条大致水平的锯齿状线段。这种应力σ基本保持不变,而应变ε显著增加的现象称为屈服或流动,它标志着材料暂时失去了抵抗变形的能力。屈服阶段内的最高应力和最低应力分别称为上屈服极限和下屈服极限。试验结果表明:上屈服极限受很多因素影响,一般是不稳定的;而下屈服极限则较为稳定,通常把下屈服极限称为材料的屈服极限(或称屈服点),用σs表示。材料的屈服使零件产生显著的塑性变形,从而影响机器的正常工作,因此屈服极限σs是衡量材料强度的重要指标。Q235钢的屈服极限σs=240 MPa。

若试样表面足够光滑,则其屈服时可以看到表面上一系列与轴线成45°的斜条纹,通常称为滑移线,是由材料内部晶格产生滑移引起的。由式(2.7)知,在45°斜截面上存在最大切应力max,max超过一定极限值是造成晶格滑移的根本原因。由此可见,屈服现象与最大切应力有关。(www.xing528.com)

3)强化阶段ce

过了屈服阶段以后,试样内晶粒滑移终止,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。σ-ε曲线图中,强化阶段的最高点e所对应的应力σb是材料所能承受的最大应力,称为强度极限(或抗拉强度),是衡量材料强度的另一重要指标。Q235钢的屈服极限σb=400 MPa。

4)局部变形阶段ef

式中:l为试验前拉伸试样的标距长度;l1为拉伸试样断裂后两端试样拼接后的标距长度。

材料的另一个塑性指标是试样拉断后断口处最小截面面积的断面收缩率,用ψ表示,即

式中:A为试验前横截面积;A1为颈缩断口处最小截面面积。

δ和ψ越大,说明材料的塑性越好。工程上通常按延伸率的大小将材料分成两大类:δ＞5%的材料称为塑性材料,如碳钢、黄铜、铝合金等;δ＜5%的材料称为脆性材料,如灰铸铁、玻璃、陶瓷等。Q235钢的δ为20%~30%,ψ约为60%,这说明其塑性很好。

对于塑性材料,还有一个值得注意的力学性能,即卸载定律。如图2.19所示,将试件加载到超过屈服极限的d点,然后逐渐卸去载荷,则在卸载过程中应力与应变将按线性关系减小,即沿着斜直线dg回到g,斜直线dg近似地平行于Oa。这说明:在卸载过程中,应力和应变按直线规律变化,这就是卸载定律。卸载完毕后,只有图2.19中线段gh所代表的那部分应变消失,而线段Og所代表的那部分应变并不消失,这说明,当加载应力达到图中d点对应的值时,相应的应变包括了弹性应变εe和塑性应变εp两部分。

卸载后,如果在短期内再次加载,则应力和应变大致沿卸载时的斜直线gd上升,直到d点后又沿曲线def变化。当应力达到原来的屈服极限时不再发生屈服。可见,再次加载时,直到d点以前材料的变形都是弹性的,经过d点以后才开始出现塑性变形。倘若卸载后经过一段时间再加载,则σ-ε曲线会在超过卸载应力一定值后才变为曲线。工程实践中就是利用这种加载—卸载—再加载的方式将塑性材料(如低碳钢)进行预张拉以提高材料的比例极限。但是,经过这种处理的钢材,比例极限提高了,塑性变形和延伸率却有所降低。材料在室温下经受塑性变形后比例极限提高而塑性降低的现象称为冷作硬化。冷作硬化现象经退火后又可以消除。

3.铸铁拉伸时的力学性能

铸铁拉伸时的应力-应变关系是一段微弯曲线,如图2.20所示。它的特点是,没有明显的直线部分,在较小的拉力下就被拉断,没有屈服和紧缩现象,拉断前应变和延伸率很小,拉断后断口齐平。铸铁等脆性材料的强度指标只有抗拉强度极限σb ,且抗拉强度很低,因此不宜选为抗拉构件的材料。灰口铸铁是典型的脆性材料。

图2.19　韧性材料的加载—卸载—再加载曲线

图2.20　铸铁拉伸σ-ε曲线

从上述知,铸铁的σ-ε曲线没有明显的直线部分,弹性模量E是变值,因此工程上通常取铸铁σ-ε曲线的割线作为名义弹性模量,或称割线弹性模量。

4.其他塑性材料拉伸时的力学性能

低碳钢和铸铁是工程上常用的两种典型材料,除此之外,工程上还经常用到中碳钢、高碳钢、铝合金、青铜、黄铜等其他塑性材料,其拉伸曲线如图2.21(a)所示。试验表明,这些材料中有些材料没有明显的屈服阶段,有些甚至没有屈服阶段和紧缩阶段,只有弹性阶段和强化阶段。

对于没有明显屈服阶段的材料,工程上通常规定将产生0.2%塑性应变所对应的应力值作为屈服应力,称为名义屈服极限,用σ0.2表示,如图2.21(b)所示。确定σ0.2的方法是:在ε轴上取0.2%的点,对此点作平行于σ-ε曲线直线段的直线(斜率为E),与σ-ε曲线相交点对应的应力即为σ0.2。

图2.21　其他塑性材料拉伸σ-ε曲线