建筑力学中材料拉伸力学性能详解

(1)低碳钢在拉伸时的力学性质

低碳钢是建筑工程中应用很广泛的一种材料,而且它在拉伸时表现出的力学现象比较全面,它的力学性质比较典型。因此,本节重点研究低碳钢的拉伸试验。

为了便于比较不同材料的试验结果,必须将试验材料按照国家标准制成标准试件。试验时采用国家规定的标准试件。常用的试件有圆截面和矩形截面两种。

金属材料常用的拉伸试件如图5.15所示,试件的中间部分是工作段,直径为d0,工作段的长度为l0,称为标距,且l0=10d0或l0=5d0。

图5.15

•拉伸图和应力-应变图

试验时将试件的两端装在试验机的夹头中,缓慢平稳地加载直至拉断。通过试验,可以看到随着拉力F的逐渐增加,试件的伸长量Δl也在增加。如取一直角坐标系,横坐标表示变形Δl,纵坐标表示拉力F,则在试验机的自动绘图装置上可以画出Δl与F之间的关系曲线,这条曲线称为拉伸曲线或F-Δl曲线,通常称它为拉伸图。图5.16为Q235钢的拉伸曲线图。

图5.16

图5.17

拉伸曲线受试件几何尺寸的影响,不能直接反映材料的力学性能。如果试件做得粗细不同,产生相同的伸长,则所需的拉力就不同;如果试件的标距长短不同,则在同样的拉力作用下,伸长量也会不同。为了消除上述试件尺寸的影响,将拉力F除以试件的原横截面积A0,得到应力σ=F/A0作为纵坐标,将标距的伸长量Δl除以标距的原有长度l0,得到应变ε=Δl/l0作为横坐标,这样就得到一条应力σ与应变ε之间的关系曲线(图5.17),这种试验结果不受试件几何尺寸的影响,更能反映材料的性能,称为应力-应变曲线或σ-ε曲线。

•低碳钢拉伸过程的4个阶段

根据应力-应变曲线,低碳钢的拉伸过程可分为以下4个阶段:

①弹性阶段。σ-ε曲线上OB段为弹性阶段。在此阶段内,如果卸除荷载,杆件能由变形状态完全恢复至未变形时的状态,即发生的是弹性变形,故称为弹性阶段。弹性阶段的应力最高点称为弹性极限,用σe表示,即B点处的应力值。

在此阶段内,除AB这一小段外,OA段为直线,应力与应变呈线性关系,材料服从胡克定律,由σ=Eε,可得E=σ/ε,即E=tanα,因此图中直线OA的斜率即为材料的弹性模量E。σ-ε曲线上对应于点A的应力,是应力与应变呈比例关系的最高点,称为比例极限,用σp表示。Q235钢的比例极限σp=200MPa。由于比例极限与弹性极限非常接近而难以区分,所以工程上并不严格区分它们。

②屈服阶段。BC段称为屈服阶段,在此阶段,应力增加到某一数值后会突然下降,然后在一个很小的范围内波动,也可认为基本不变,而应变却迅速增加,σ-ε曲线出现了水平方向的微小锯齿形曲线。这种应力基本保持不变而应变显著增加的现象称为材料屈服或流动,材料暂时失去了抵抗变形的能力。屈服阶段的最高应力和最低应力(不包括首次下降时的最低应力,因为它受初始效应的影响)分别称为材料的上屈服点和下屈服点。上屈服点的大小与试件形状、加载速度等因素有关,一般是不稳定的;下屈服点则比较稳定,能够反映材料的基本特性。因此,通常将下屈服点称为材料的屈服极限,用σs表示。Q235钢的屈服极限σs=235MPa。材料屈服时产生显著的塑性变形,这是构件正常工作所不允许的,因此屈服极限σs是衡量材料强度的重要指标。

经表面抛光处理的试件,在屈服阶段其表面会出现一些与试件轴线成45°的条纹(图5.18),这是由于试件在轴向拉伸时,在与杆轴成45°角的斜截面上产生了较大切应力,从而使材料内部原子晶格沿该斜截面产生剪切滑移,使试件表面形成一组剪切滑移面。这些斜纹又称为滑移线。

③强化阶段。试样受拉在经历屈服阶段后,钢材内部原子晶格因剪切变形而重新排列,又具有了较强的抵抗剪切变形的能力。此时,要使试件继续伸长,必须增加外力,直到曲线的顶点,这种现象称为材料的强化,这一阶段称为强化阶段。强化阶段的曲线最高点D所对应的应力值称为强度极限或抗拉强度,用σb表示,是杆件材料从受力开始到拉断为止全过程中所承受的最大应力,反映了材料抵抗破坏的能力。Q235钢的强度极限σb=400MPa。

图5.18

图5.19

在强化阶段,试件的变形主要是塑性变形且比前两个阶段的变形大得多,还可以明显看到试样的横截面尺寸在缩小。(www.xing528.com)

④颈缩阶段。在应力达到抗拉强度之前,沿试件的长度变形是均匀的。当应力达到强度极限σb后,试件工作段的变形开始集中于某一局部区域内,横截面面积出现局部迅速收缩,形成“细颈”,这种现象称为颈缩现象(图5.19)。此过程中,由于局部截面的收缩,试件继续变形所需拉力逐渐减小,拉力或应力之值逐渐下降,变形或应变却不断增大,直至在曲线的E点,试件在细颈处被拉断,这说明Q235钢抗拉强度比抗剪强度高(因试件没沿斜截面破坏)。这一阶段称为局部变形阶段,又称为颈缩阶段。

试件拉断后,弹性应变(O3O4)恢复,塑性应变(OO3)永远残留(图5.20)。将试件断口密合对接起来测量此时工作段的长度,试件工作段的长度由l0伸长到l,断口处的横截面面积由原来的A0缩减到现在的A。通常用它们的相对残余变形来表征材料的塑性性能。工程中反映材料塑性性能的两个指标分别为:

图5.20

延伸率:

断面收缩率:

Q235钢的延伸率δ=20%~30%,断面收缩率ψ=60%~70%。

工程中常把δ≥5%的材料称为塑性材料,如碳钢、黄铜、铝合金等;而把δ<5%的材料称为脆性材料,如铸铁、陶瓷、玻璃、混凝土等。

•冷作硬化

在Q235钢的拉伸试验中,如果在某一点停止拉伸,并缓慢释放应力或缓慢撤除拉力,则变形或应变将随之慢慢减小,并且在应力释放过程中应力与应变保持线性关系,且应力释放斜线平行于比例阶段的直线,即斜率为弹性模量E。在卸载过程中,应力应变呈正比且比例系数等于材料弹性模量的规律称为卸载规律。完全卸载后,应力已释放完,应变中弹性部分消失了,塑性部分则残留下来。

当应力达到强化阶段任一点G时,逐渐卸除荷载,则应力与应变之间的关系将沿着与OA近乎平行的直线GO1回到O1点。O1O2这部分弹性应变消失,而OO1这部分塑性应变则永远残留。如果卸载后重新加载,则应力与应变曲线将大致沿着O1GDE的曲线变化,直至断裂。

由此可以看出,重新加载后材料的比例极限和屈服极限提高了,强度极限不变,而断裂后的塑性应变减少了OO1。这种在常温下将钢材拉伸超过屈服阶段,卸载再重新加载时,比例极限σp和屈服极限σs提高而塑性变形降低的现象称为材料的冷作硬化。

在实际工程中常利用冷作硬化提高材料的强度。例如冷拉后的钢筋比例极限提高了,可以节约钢材的用量,降低结构造价。但是冷作硬化后材料的塑性降低,有些时候则要避免或设法消除冷作硬化。

如果拉到强化阶段的某一时刻卸载至零后不立即再拉,而是放置一段时间后再拉,则其比例极限、屈服极限还会进一步提高,强度极限也提高了,塑性则进一步降低。这种现象称为时效硬化。时效硬化与卸载后放置时间长短有关,也可通过人工加热来加速“时效”缩短时间(称为人工时效)。

利用时效硬化现象对钢筋、钢缆等进行冷拉加工,可以提高屈服极限从而增大承载力,但也使材料塑性降低而不利于抗震。机械工程中则经常利用变形硬化与时效硬化现象对一些钢零件表面进行处理(比如喷丸处理),使其形成冷硬层,以提高零件表面层的强度。当然利用硬化现象对钢材进行冷加工时,也会降低钢材塑性使之变脆,容易断裂,再加工困难等,这在工程中应予高度重视,以避免出现事故。

(2)铸铁在拉伸时的力学性质

铸铁是工程中广泛应用的一种典型脆性材料。铸铁拉伸试验的标准试件与低碳钢拉伸试验的标准试件相同。将铸铁标准拉伸试件,按低碳钢拉伸试验同样的方法进行试验,得到铸铁拉伸时的应力-应变曲线如图5.21所示。由应力-应变曲线可以看出,它没有明显的直线段,应力与应变不成正比关系。但在工程计算中,为简化计算,通常以产生0.1%的总应变所对应的曲线的割线来代替这段曲线,则割线斜率表示材料的弹性模量,E=tanα,称为割线弹性模量。

铸铁在拉伸过程中,没有屈服阶段,也没有颈缩现象。拉断时应变很小,为0.4%~0.5%,是典型的脆性材料。试验还表明,铸铁受拉直到拉断为止,其变形都基本上属于弹性变形,残余变形很小。拉断时的应力称为强度极限或抗拉强度,用σb表示。强度极限σb是衡量脆性材料强度的唯一指标。常用灰铸铁的抗拉强度很低,为120~180MPa。由于铸铁等脆性材料拉伸时的强度极限很低,因此不宜用于制作受拉构件。

图5.21

图5.22