桿件強(qiáng)度問(wèn)題

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1、第五章桿件的強(qiáng)度問(wèn)題§5-1材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性質(zhì)是指材料受外力作用后，在強(qiáng)度和變形方面所表現(xiàn)出來(lái)的特性，也可稱(chēng)為機(jī)械性質(zhì)。一、拉伸時(shí)材料的力學(xué)性質(zhì)1.　低碳鋼的拉伸試驗(yàn)（1）拉伸過(guò)程的各個(gè)階段及特性點(diǎn)應(yīng)力整個(gè)拉伸過(guò)程大致可分為四個(gè)階段。彈性階段：在這個(gè)階段內(nèi)，試樣的變形是彈性的，當(dāng)卸去荷載后，變形完全消失。彈性階段的應(yīng)力最高限，稱(chēng)為彈性極限，用σe表示。在彈性階段內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變成線(xiàn)性關(guān)系（線(xiàn)彈性階段）的應(yīng)力最高限，稱(chēng)為比例極限，用σp表示。試驗(yàn)結(jié)果表明，材料的彈性極限和比例極限數(shù)值上非常接近，故工程上對(duì)它們往往不加區(qū)分。即近似取。屈服階段：此階段亦稱(chēng)為流動(dòng)階段。當(dāng)增加荷載使應(yīng)

2、力超過(guò)彈性極限后，變形增加較快，而應(yīng)力不增加或產(chǎn)生波動(dòng)，在σ-ε曲線(xiàn)上或F-△l曲線(xiàn)上呈鋸齒形線(xiàn)段，這種現(xiàn)象稱(chēng)為材料的屈服或流動(dòng)。材料在屈服階段產(chǎn)生的變形絕大部分為塑性變形。材料在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力稱(chēng)為塑性。當(dāng)材料屈服時(shí)，在拋光的試樣表面能觀(guān)察到兩組與試樣軸線(xiàn)成45°的正交細(xì)條紋，這些條紋稱(chēng)為滑移線(xiàn)。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是由于拉伸試樣中與桿軸線(xiàn)成45°的斜面上，存在著數(shù)值最大的切應(yīng)力。由試驗(yàn)得知，屈服階段內(nèi)最高點(diǎn)（上屈服點(diǎn)）的應(yīng)力很不穩(wěn)定，而最低點(diǎn)c（下屈服點(diǎn)）所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力較為穩(wěn)定。故通常取最低點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為材料屈服時(shí)的應(yīng)力，稱(chēng)為屈服極限（屈服點(diǎn)）或流動(dòng)極限，用σs表示。強(qiáng)化階段

3、：試樣屈服以后，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了調(diào)整，重新獲得了進(jìn)一步承受外力的能力，因此要使試樣繼續(xù)增大變形，必須增加外力，這種現(xiàn)象稱(chēng)為材料的強(qiáng)化。在強(qiáng)化階段中，試樣主要產(chǎn)生塑性變形，而且隨著外力的增加，塑性變形量顯著地增加。這一階段的最大應(yīng)力稱(chēng)為強(qiáng)度極限，用σb表示。破壞階段：應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限以后，試樣在某一薄弱區(qū)域內(nèi)的伸長(zhǎng)急劇增加，試樣橫截面在這薄弱區(qū)域內(nèi)顯著縮小，形成了“頸縮”現(xiàn)象，最后試樣在最小截面處被拉斷。材料的比例極限σp(或彈性極限σe)、屈服極限σs及強(qiáng)度極限σb都是特性點(diǎn)應(yīng)力，它們?cè)诓牧狭W(xué)中有著重要意義。屈服極限σs和強(qiáng)度極限σb是材料的兩個(gè)重要強(qiáng)度指標(biāo)。（2）材料的塑性指標(biāo)

4、常用的塑性指標(biāo)有兩種即延伸率和斷面收縮率。工程中一般將δ≥5%的材料稱(chēng)為塑性材料，δ＜5%的材料稱(chēng)為脆性材料。低碳鋼的延伸率大約在25%左右，故為塑性材料。（3）冷作硬化現(xiàn)象在材料的強(qiáng)化階段中，如果卸去荷載，則卸載時(shí)拉力和變形之間仍為線(xiàn)性關(guān)系，如卸載后重新加載，則開(kāi)始時(shí)拉力和變形之間大致仍按直線(xiàn)變化，但材料的比例極限提高了，而且不再有屈服現(xiàn)象，拉斷后的塑性變形減少了，這一現(xiàn)象稱(chēng)為冷作硬化現(xiàn)象。2.　其它塑性材料拉伸時(shí)的力學(xué)性質(zhì)對(duì)于沒(méi)有明顯屈服階段的塑性材料，通常以產(chǎn)生0.2%的塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力作為屈服極限，稱(chēng)為條件屈服極限或稱(chēng)為規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力，用表示，也有用表示的。3．鑄鐵的拉伸

5、試驗(yàn)（1）應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上沒(méi)有明顯的直線(xiàn)段，即材料不服從胡克定律。但直至試樣拉斷為止，曲線(xiàn)的曲率都很小。因此，在工程上，曲線(xiàn)的絕大部分可用一割線(xiàn)(如圖中虛線(xiàn))代替，在這段范圍內(nèi)，認(rèn)為材料近似服從胡克定律。（2）變形很小，拉斷后的殘余變形只有0.5%～0.6%，故為脆性材料。（3）沒(méi)有屈服階段和“頸縮”現(xiàn)象。唯一的強(qiáng)度指標(biāo)是拉斷時(shí)的應(yīng)力，即強(qiáng)度極限σb，但強(qiáng)度極限很低，所以不宜用作為受拉構(gòu)件的材料。二、壓縮時(shí)材料的力學(xué)性質(zhì)1、低碳鋼的壓縮試驗(yàn)（1）低碳鋼壓縮時(shí)的比例極限σp、屈服極限σs及彈性模量E都與拉伸時(shí)基本相同。（2）當(dāng)應(yīng)力超過(guò)屈服極限之后，壓縮試樣產(chǎn)生很大的塑性變形，愈壓愈扁，

6、橫截面面積不斷增大。雖然名義應(yīng)力不斷增加，但實(shí)際應(yīng)力并不增加，故試樣不會(huì)斷裂，無(wú)法得到壓縮的強(qiáng)度極限。2．鑄鐵的壓縮試驗(yàn)（1）和拉伸試驗(yàn)相似，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上沒(méi)有直線(xiàn)段，材料只近似服從胡克定律。（2）沒(méi)有屈服階段。(3）和拉伸相比，破壞后的軸向應(yīng)變較大，約為5%～10%。（4）試樣沿著與橫截面大約成55°的斜截面剪斷。通常以試樣剪斷時(shí)橫截面上的正應(yīng)力作為強(qiáng)度極限σb。鑄鐵壓縮強(qiáng)度極限比拉伸強(qiáng)度極限高4～5倍。三、塑性材料和脆性材料的比較（1）塑性材料一般為拉壓等強(qiáng)度材料，且其抗拉強(qiáng)度通常比脆性材料的抗拉強(qiáng)度高，故塑性材料一般用來(lái)制成受拉桿件；脆性材料的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高，故一般用來(lái)

7、制成受壓構(gòu)件，而且成本較低。（2）塑性材料能產(chǎn)生較大的塑性變形，而脆性材料的變形較小。要使塑性材料破壞需消耗較大的能量，因此這種材料承受沖擊的能力較好；因?yàn)椴牧系挚箾_擊能力的大小決定于它能吸收多大的動(dòng)能。此外，在結(jié)構(gòu)安裝時(shí)，常常要校正構(gòu)件的不正確尺寸，塑性材料可以產(chǎn)生較大的變形而不破壞；脆性材料則往往會(huì)由此引起斷裂。（3）當(dāng)構(gòu)件中存在應(yīng)力集中時(shí)，塑性材料對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較小。必須指出，材料的塑性或脆性，實(shí)際上與工作溫度、變形速度、受力狀態(tài)等因素有關(guān)。例如