劉鴻文材料力學課件
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劉鴻文材料力學課件
鑄鐵比低碳鋼脆性高。低碳鋼的屈服強度高于鑄鐵。（鑄鐵很脆，幾乎不存在屈服強度），但是鑄鐵的拉伸強度大于低碳鋼，因為鑄鐵含碳量高于低碳鋼。 沖擊強度低碳鋼明顯要優于鑄鐵。
低碳鋼由于含碳量低，它的延展性、韌性和可塑性都是高于鑄鐵的，拉伸開始時，低碳鋼試棒受力大，先發生變形，隨著變形的增大，受力逐漸減小，當試棒斷開的瞬間，受力為“0”，其受力曲線是呈正弦波＞0的形狀。
鑄鐵由于軔性差，拉伸開始時，受力是逐步加大的，當達到并超過它的拉伸極限時，試棒斷開，受力瞬間為“0”，其受力曲線是隨受力時間延長，一條直線向斜上方發展，試棒斷開，直線垂直向下歸“0”。
同樣的道理：低碳鋼抗壓縮的能力比鑄鐵要低，當對低碳鋼試塊進行壓縮實驗時，受力逐漸加大，試塊隨外力變形，當試塊變形達到極限時，其受力也達到最大值，其受力曲線是一條向斜上方的直線。鑄鐵則不然，開始時與低碳鋼受力情況基本相同，只是當鑄鐵試塊受力達到本身的破壞極限時，受力逐漸減小，直到試塊在外力下被破壞（裂開），受力為“0”其受力曲線與低碳鋼拉伸時的受力曲線相同。 以上就是低碳鋼和鑄鐵在拉伸和壓縮時力學性質的異同點。贊同4| 評論
低碳鋼： 低碳鋼為塑性材料.開始時遵守胡克定律沿直線上升，比例極限以后變形加快，但無明顯屈服階段。相反地，圖形逐漸向上彎曲。這是因為在過了比例極限后，隨著塑性變形的迅速增長，而試件的橫截面積逐漸增大，因而承受的載荷也隨之增大。 從實驗我們知道，低碳鋼試件可以被壓成極簿的平板而一般不破壞。因此，其強度極限一般是不能確定的。我們只能確定的是壓縮的屈服極限應力。 2．鑄鐵： 鑄鐵為脆性材料，其壓縮圖在開始時接近于直線，與縱軸之夾角很小，以后曲率逐漸增大，最后至破壞，因此只確定其強度極限。 ζbc＝Fbc/S 鑄鐵試件受壓力作用而縮短，表明有很少的塑性變形的存在。當載荷達到最大值時，試件即破壞，并在其表面上出現了傾斜的裂縫（裂縫一般大致在與橫截面成45°的平面上發生）鑄鐵受壓后的破壞是突然發生的，這是脆性材料的特征。 從試驗結果與以前的拉伸試驗結果作一比較，可以看出，鑄鐵承受壓縮的能力遠遠大于承受拉伸的能力�？箟簭姸冗h遠超過抗拉強度，這是脆性材料的一般屬性。
鑄鐵的拉伸實驗方法與低碳鋼的拉伸實驗相同,但是柔性鑄鐵在拉伸時的力學性能明顯不同于低碳鋼,其應力應變曲線.球墨鑄鐵從開始受力直至斷裂,變形始終很小,既不存在屈服階段,也無頸縮現象.斷口垂直于試樣軸線,這說明引起試樣破壞的原因是最大拉應力.
低碳鋼試件在壓縮過程中,在加載開始段,從應力應變曲線圖可以看出,應力與應變成正比,即滿足胡克定理.當載荷達到一定程度時,低碳鋼試件發生明顯的屈服現象.過了屈服階段后,試件越壓越扁,最終被壓成腰鼓形,而不會發生斷裂破壞.
鑄鐵試件在壓縮過程中,沒有明顯的線性階段,也沒有明顯的屈服階段.柔性鑄鐵的壓縮
強度極限約為拉伸強度極限的3-4倍.球墨鑄鐵試件斷裂時,斷口方向與試件軸線約成550.一般認為是切應力和摩擦力共同作用的結果.
一、彈性階段OB
在這一階段如果卸去“荷載”，變形即隨之消失，也就是說，在“荷載”作用下所產生的變形是彈性的。彈性階段所對應的最高應力稱為彈性極限（elastic limit），常以ζe表示。精密的量測表明，低碳鋼在彈性階段內工作時，只有當應力不超過另一個稱為比例極限（proportional limit）ζp的值時，應力與應變才呈線性關系（ b中的斜直線OA），即材料才服從胡克定律，而有ζ= Eε。Q235鋼的比例極限約為：ζp≈200 MPa。彈性極限ζe與比例極限ζp雖然意義不同，但它們的數值非常接近，工程上通常不加區別。
二、屈服階段DC
應力超過彈性極限后，材料便開始產生不能消除的永久變形（塑性變形），隨后在ζ-ε圖線上便呈現一條大體水平的鋸齒形線段DC，即應力幾乎保持不變而應變卻大量增長，它標志著材料暫時失去了對變形的抵抗能力。這種現象稱為屈服（yield）。材料在屈服階段所產生的變形為不能消失的塑性變形。
若試件表面非常光滑，屈服時可看到一系列跡線，它們是由于材料沿最大切應力面（與試件軸線成45°）發生滑移所致。這些跡線稱為滑移線（slip-lines）。
在屈服階段里，應力ζ有幅度不大的波動。試驗結果指出，很多因素對屈服應力的高限有影響，屈服應力的低限則較為穩定。通常將屈服應力的第一個低限取為材料的屈服極限（yield limit）ζs。對于Q235鋼，ζs≈240 MPa。
值得注意的是，如圖7-23 b所示的ζ-ε曲線，無論縱坐標ζ= F/A，還是橫坐標ε= Δl/l，都是名義值。因為到了屈服階段，試件的橫截面面積和標距均已發生較顯著的改變，
此時，仍用原面積A去求應力和用原標距l 去求應變，所得結果顯然不是真實的值。盡管如此，由于在對拉桿作計算時所用的也是橫截面面積和長度的初始值，所以材料的上述名義值仍不失為判別桿件是否會發生破壞的依據。
三、強化階段CG
在試件內的晶粒滑移終了時，屈服現象便告終止，試件恢復了繼續抵抗變形的能力，即發生強化。圖7-23 b中的曲線線段CG所顯示的便是材料的強化階段。
ζ- 曲線上的最高點G所對應的名義應力，即試件在拉伸過程中所產生的最大抗力Fb除以初始橫截面面積A所得的值，稱為材料的強度極限（ultimate strength）ζb。對于Q235鋼，ζb≈400 MPa。
四、局部變形階段GH
名義應力達到強度極限后，試件便發生局部變形，即在某一橫截面及其附近出現局部收縮即所謂縮頸的現象。在試件繼續伸長的過程中，由于“縮頸”部分的橫截面面積急劇縮小，試件對于變形的抗力因而減小，于是按初始橫截面面積計算的名義應力隨之減小。當“縮頸”處的橫截面收縮到某一程度時，試件便斷裂。
屈服極限ζs和強度極限ζb是低碳鋼重要的強度指標。
為了比較全面地衡量材料的力學性能，除了強度指標，還需要知道材料在拉斷前產生塑性變形（永久變形）的能力。
工程上常用的.塑性指標有伸長率（percentage elongation）δ和斷面收縮率（percentage reduction of area）ψ。前者表示試件拉斷后標距范圍內平均的塑性變形百分率，即δ= l 1 l l ×100%(7-14)式中，l 為試件拉伸前的標距，l1 為試件拉斷后標點之間的距離。容易看出，由于計算伸長率δ時所用的l1 包括了“縮頸”部分的局部伸長在內，因此當采用不同的標距l 時，
即使在同一試件上，所得的δ亦不相同，例如采用l = 10d所得的δ10必小于采用l = 5d
所得的δ5。這在比較材料的塑料指標時是必須注意的。對于伸長率δ，如果未加說明，通常是指δ10。
材料另一個塑性指標——斷面收縮率ψ，是指試件斷口處橫截面面積的塑性收縮百分率，即ψ= AA 1 A ×100%(7-15)式中，A是拉伸前試件的橫截面面積，A1是拉斷后斷口處的橫截面面積。
對于Q235鋼，δ= 25~30%，ψ≈60 %。
δ和ψ愈大，說明材料的塑性愈好。這種δ和ψ的數值較大的材料（例如δ≥ 5%），通常稱為塑性材料（ductile material）。
對于塑性材料，還有一個值得注意的力學性能，即卸載和再加載規律。如圖7-23 b所示，當材料進入強化階段而應力達到例如圖中點F所對應的值時，若進行卸載，則在卸載過程中應力與應變將按線性關系減小，圖線沿著與OA平行的直線FO1下降，當卸載完畢后只有如圖中線段O1O2所代表的那部分應變消失，而線段OO1所代表的那部分應變并不消失，
即它是殘余應變。這就是說，當加載而應力達到圖中點F所對應的值時，相應的應變包括了彈性應變εe和塑性應變εp兩部分，即ε=εe+εp。
卸載后有了殘余變形的試件如果立即重新加載，則應力—應變圖線將沿著卸載直線O1F上升，直到點F后才變為曲線，當應力達到原來的屈服極限ζs時不再發生屈服。倘若卸載后經過一段時間再加載，則應力—應變圖線甚至會在超過卸載應力一定值后才變為曲線。工程實踐中有時就利用卸載再加載規律將碳鋼進行預張拉以提高材料的比例極限。當然，經過預張拉的鋼材，比例極限是提高了，但塑性卻降低了。材料在室溫下經受塑性變形后強度提高而塑性降低的現象，叫做冷作硬化（cold hardening）。
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