材 料 力 学
第二章 轴向拉伸和压缩
(Ch2,Axial Tension and Compression)
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Mechanical Property of Materials
? 材料在外力作用下所呈现的有关强度和变形方面的
特性, 称为 材料的力学性能 。
? 材料力学性能是构件强度, 刚度和稳定计算的重要组成部分,
也是合理选用材料和从事新材料研究的重要依据 。
? 材料的力学性能都要通过试验来测定 。
? 本节主要介绍工程中常用材料在拉伸和压缩时的力学性能 。
? 材料的力学性能除因材料不同而不同以外, 还受试验条件,
加力方式等很多因素的影响 。 同一材料在 常温, 高温和低温 的不
同条件下测得的力学性能各不相同；在 快速加载下 测得的力学性
能与 缓慢加载条件下 测得的力学性能也有显著差别；同一材料在
拉, 压, 扭转和弯曲不同变形形式下表现出不同的力学性能 。 因此
应针对不同情况, 分别试验, 以确定不同情况下的力学性能 。 为了
使测得的材料力学性能可以互相对比, 应严格按照有关试验规范的
要求进行测定 。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Mechanical Property of Materials
? Ⅰ, 材料的拉伸和压缩试验
? (Tensile Test and Compression Test of Materials)
? Ⅱ, 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能
? (Load —— deflection diagram in tension about mild steel)
? Ⅲ, 其它金属材料在拉伸时的力学性能
? (Mechanical property of others metal materials in tension )
? Ⅳ, 金属材料在压缩时的力学性能
? (Mechanical property of metal materials in Compression)
? Ⅴ, 几种非金属材料的力学性能
? (Mechanical property of some nonmetal materials)
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅰ, 材料的拉伸和压缩试验
试验条件,常温,静载 (under gradually
applied lood at room temperature)
试验标准,GB228－ 87。
标准 试件 (Standard specimen),
如图，圆形试件，板形试件
使用 Standard specimen 便于相互比较
圆形试件又分 长试件 (l＝ 10d)和 短试件 (l＝ 5d)两种
标距 (Gage Length)l 压缩试件, 短圆柱体，短棱柱体
试验 设备,
万能试验机
变形仪
mild steel（ 软钢）＝低碳钢
(low-carbon steel)
如 Q235号钢
Characteristic:
1,弹性阶段 Elastic range;
2,屈服阶段 Yield range;
3,强化阶段 Hardening range;
4,颈缩阶段 Necking range
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅱ, 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能
l
l
A
P
D=
=
e
s
1,Load —— deflection diagram in tension about mild steel:
tensile diagram(P—— △ L)
diagram:es ??
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅱ, 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能
P∝ Δ l σ ∝ ε σ = Eε ( )pss?
1,弹性阶段 Elastic range
sp:比例极限 proportional limit
se:弹性极限 elastic limit
ess?ep = 0 ( )
?? ep ss? 工程上常认为为同一点
2,屈服阶段 Yield range
(流动阶段 Slip range)
P基本不变,Δ L却不断增加,
对抛光的试件,可以看到与杆轴
线约成 45度方向上的条纹 (滑移
线 slip lines),表明材料此时的塑性变形由剪应力 (tmax =s/2)引起。
Yieldpoint (以下屈服点为准 )
ss:屈服极限 Yielding limit 或 流动 极限 Silde limit
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅱ, 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能
4,颈缩阶段 Necking range
(局部变形阶段
Localized deformation range)
此时在某一较弱的横截面
及其附近横向尺寸显著缩小,出
现所谓“颈缩”现象。
breaking point(f),在 F点拉断后,
弹性变形 ee 部分恢复，剩下 塑
性变形 ep (plastic strain)
物体进入塑性阶段后，总变形 e＝ ee ＋ ep
3,强化阶段 Hardening range
sb,强度极限 (抗拉强度）
Ultimate strength
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅱ, 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能
? 在强化阶段后期和颈缩阶段,由于变形较大,故 б ＝ P/A
? 和 e = Δ l / l 并不能表示试件的真实应力（ true stress） 和
? 真实应变（ true strain) 故：
? б ＝ Ｐ／Ａ常称为 名义应力
? Nominal stress
? (Conventional stress)
? e = Δ l / l 常称为 名义应变
? Nominal strain
? (Conventional strain)
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅱ, 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能
? 卸载规律,
? 卸载时荷载与 试样
? 伸长量之间遵循直
? 线关系的规律称为
? 材料的卸载规律,
? 在卸载过程中,
? 弹性变形逐渐消失,
? 只留下塑性变形 。 如果卸载后立即再加荷载, 则荷载与伸长
量间基本上仍遵循 着卸载时的同一直线关系, 一直到开始卸载时
的荷载为止,
? 冷作硬化 cold hardening 实质,strain hardening
? 冷作 时效 age hardening
材料分类：
塑性材料 Ductile materials,d＞ ５ ％
脆性材料 Brittle materials,d＜ ５ ％
对 Q235钢,ss≈240 MPa,sb≈390 MPa,d≈20 ～ 30%,ψ ≈60%
材料的强度指标 (The strength index of materials):
sp,比例极限 se:弹性极限 ss:屈服极限
sb,强度极限 （ sp≈se≈ss）
材料的塑性指标 (The plastic index of materials):
1,伸长率 (Percentage Elongation):
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅱ, 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能
%100%1001 ?=??= pl ll ed
%1 0 01 ?D D?D=?
psi
2,断面收缩率 (Percentage of Cross-section ):
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅲ, 其它金属材料在拉伸时的力学性能
常用 塑性金属 材料
在拉伸时的力学性能
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅲ, 其它金属材料在拉伸时的力学性能
? 有些材料例如铝合金和退火球墨铸铁
? 没有屈服阶段, 而其它三个阶段却很
? 明显；另外一些材料例如锰钢则仅有
? 弹性阶段和强化阶段, 而 没有屈服阶
? 段 和 局部变形阶段 。 这些材料的共同
? 特点是伸长率 d均较大,
? 它们和低碳钢一样都属
? 于塑性材料 。
? 对 没有屈服阶段 的 塑性
? 材料, 通常以塑性应变 ep＝ es ＝ 0.2%所对应的应力
? 确定为 屈服极限 强度, 并称之为 名义 屈服极限,
? 标记为 s0.2
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅲ, 其它金属材料在拉伸时的力学性能
? 典型脆性金属材料
? — 铸铁 (Cast Iron)在拉伸时的力学性能,
? δ值很小, 无屈服和, 颈缩, 现象 。
? 无直线段, 断裂时变形很小
? 强度指标只有 强度极限 sb；
? 通常用规定某一总
? 应变时 s－ e曲线的
? 割线 （ 图 2-21中的
? 虚线 ） 来代替此曲
? 线在开始部分的直线, 从而确定其弹性
? 模量, 并称之为 割线弹性模量 。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅳ, 金属材料在压缩时的力学性能
? 低碳钢在压缩时的力学性能,
? 弹性,屈服初期与拉伸时相同，
? Ec=Et spc=spt ssc=sst
? 压 拉
? mc = mt
? 因 A↗ (P↗ )故测不出 sbc
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅳ, 金属材料在压缩时的力学性能
铸铁在压缩时的
力学性能,
变形很小就突然
破坏，无 sSc
sbc>> sbt
为经济的抗压材料。
破坏面与试件轴线
成大约 35o～ 39o角,表
明是因为抗剪能力不
够而断裂。
? 铸铁在压缩时的力学性能,
? 为了对比，图中示出了灰口铸
? 铁受压 (实线 )和受拉 (虚线 )的 s－ e
? 曲线。从图可知，铸铁压缩 s－ e 曲
? 线也无严格的直线部分，破坏时的
? 应变较拉伸大,约为 5％。破坏面与
? 试件轴线大约成 35o～ 39o,表明试
? 件主要是剪断的。由于斜面上同时
? 存在正压力引起的摩擦力的影响，
? 所以破坏面并不在最大剪应力方向 (45o)。 铸铁的抗压强度比抗拉强
? 度高得多,约为 3～ 5倍，加之价格较低廉、便于成型，因此广泛用于
? 制造机座、机床床身、轴承座等承压构件。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅳ, 金属材料在压缩时的力学性能
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅴ, 几种非金属材料的力学性能
? 混凝土
? 和
? 天 然
? 石 料
? 压缩：
试件的破坏
形式与两端
面受到的摩擦力的大小有关。 (a),(b)分别表示试件两端面不加润滑剂和加润滑剂
的破坏形式。前者由于两端面横向变形受到摩擦力的阻碍,使试件中部逐渐剥落,
形成两个相连的截锥体。后者由于润滑使摩擦力减小,产生纵向开裂破坏,其抗压
强度也较前者小。在规范中,取立方体的边长为 150mm,按前者测出的抗压强度称
为标准立方体抗压强度,并用以确定混凝土或石料的等级。 sbc ≈ 10 sbt
? 混凝土的弹性模量规定以 s＝ 0.4sb时的割线斜率来确定。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅴ, 几种非金属材料的力学性能
? 混凝土压缩,混凝土是一种多相材料,内部细小裂缝多,随着受力增大,裂缝经历
稳定阶段、稳定扩展阶段和裂缝贯通非稳定扩展阶段,表现出加载曲线有明显的非
线性。由于内部硬骨料使沿裂缝滑移受阻,故其破坏也有一个渐变过程。
混凝土加载到某一点 a(即使应力不大 )卸载,将有塑性应变 eap(图 (b)),但多次重复加载
和卸载后,塑性变形逐步减小。因此,工程上常以割线 oa(虚线 )的斜率来定义弹性模量
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅴ, 几种非金属材料的力学性能
? 木材的力学性能,
? 木材的顺纹抗拉强度很高, 但因受木节等缺陷的影响, 其强度极
限值波动很大 。 木材的横纹抗拉强度很低 。 工程中应避免横纹受
拉 。 木材的顺纹抗压强度虽稍低于顺纹抗拉强 度, 但受木节等缺
陷的影响较小 。
? 木材为各向异性材料，顺纹与横纹的力学性质相差较大 。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅴ, 几种非金属材料的力学性能
? 玻璃钢
? 等复合
? 材料,
? 由两种或两
? 种以上不同
? 性能的材料
? 在宏观尺度
? 上复合而成的新材料，称为复合材料．这种材料不仅具有组成材料相互取长补短
的综合性能，而且具有组成材料没有的良好性能．
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅴ, 几种非金属材料的力学性能? 复合材料,
复合材料一般
由基体材料和
增强材料所组
成。基体材料
可以是塑料、
金属和陶瓷等 ;
增强材料可以
是纤维、颗粒
和微珠。目前
在结构材料中
应用最广泛的
现代复合材料
是纤维增强塑料。其中纤维主要是玻璃纤维、碳纤维、硼纤维和芳纶纤维,基体主
要是不饱和聚脂树脂、环氧树脂和酚醛树脂等。 玻璃钢 等复合材料 的 主要优
点 是 重量轻, 比强 度（抗拉强度／密度）高，成型工艺简单，且耐
腐蚀、抗振性能好 。 玻璃钢的力学性能与所用的玻璃纤维（或玻璃
布）和树脂的性 能，以及 两者的相对用量和相互结合的方式有关 。
塑料的典型拉伸图,
塑料是一类品种繁多的高分子合成材料,它除了具有一定的强度、刚度和塑
性以外,还具有重量轻 (比重为 0.9～ 2.2)、耐化学腐蚀、电绝缘性能好和易于成
型加工等优点 。 塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两类。 热塑性塑料,
这类塑料加热软化、冷却硬化,反复加热和冷却仍具有可塑性。如聚乙烯、聚丙
烯、聚酰胺等。 热固性塑料,这类塑料化学反应成型后,受热和冷却不再明显
改变状态,如酚醛塑料、环氧塑料、氨基塑料等。 不同品种的塑料,由于成分、
分子结构的不同,其力学性质差别很大。 有些属于塑性材料,有些属于脆性材料 。
抗拉强度值从几 MPa变到上百 MPa;断后伸长率从几乎为零变到百分之几百。 塑料还
是一种粘弹性材料,具有强烈的粘弹性性质。 塑料的 主要缺点 是 不耐热,一般
只能在 100℃ 以下长期使用,少数塑料可耐 200℃ 的高温 ;塑料 在光、热、氧作用下
易老化变质 。为了满足使用要求,克服主要缺点,在塑料制品中常有各种 添加剂 ;特
别是 通过高性能纤维增强,便制造出了性能特别优良的现代 复合材料 。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅴ, 几种非金属材料的力学性能
塑料的典型拉伸应力一应变曲线如图所示。由图可知,它也有弹性阶段、屈
服阶段和强化阶段。图中ａ点对应的应力称为比例极限 (或弹性极限 )sp;ｂ点为屈
服点,该点应力称为屈服强度 ss;ｂ点以后的应力略有下降,变形显著增长 ;试件最
后在 c点断裂,相应应力 sb为断裂强度 (又称拉伸强度 )。若在 c’点断裂,规范规定
以屈服强度 ss 作为断裂强度。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅵ 温度对材料力学性能的影响
钢材在高, 低温下的力学性质,
高、低温下材料力学性质测定方法和常温下测定相同,但试件要
处于相应的温度环境之中。
图 4.21为某种碳钢
在不同温度水平下测得
的 s－ e 曲线。
图 4.22为低碳钢
(合碳 0.15%)的
力学性能随温度
变化的曲线。
图 4.23为一
种中碳钢在不
同低温条件下
所得拉伸图。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅵ 温度对材料力学性能的影响
? 钢材在高、低温下的力学性质,
? 由以上各图显示的材料力学性能,可归纳出如下 结论,
? 1,从室温升温,总的规律是材料的强度指标 (ss,sb)随温
度升高而降低,塑性指标 (d,?)随温度升高而提高,弹性
模量Ｅ随温度升高而减小,泊松比 m随温度升高而增大 。
? 2,从室温降温,强度极限提高,但断后伸长率 d降低,当温
度降到 -253℃ 时,材料已由塑性材料转变为脆性材料 。
? 3,在特定的温度区间,某些指标有一些特定规律 。 如低
碳钢的抗拉强度 sb,在温度低于 250℃ 时,随温度升高而增
加；在 250℃ ～ 300℃ 之间 sb最大,但断后伸长率 d在此温
度范围却有较大下降, 表现出性能脆化, 称为 蓝脆性 。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅵ 温度对材料力学性能的影响
温度对塑料力学性能的影响,
塑料是一种不耐热的材料,其力学性能随温度变化很大。
图 4.24为塑料的应变一温度曲线。当温度低于玻璃化温度 Tg时,
塑料处于玻璃态,具有一定的强度和刚度,应力 ----应变基本成线性
关系,是塑料的使用状态。当温度高于 Tg 时,塑料将转变为高弹态而
成为橡胶；温度进一步升高到 Tf时,又由高弹态变成粘流态。温度达
到 Td塑料分解。
从玻璃态到高弹
态,塑料的强度、刚度
性能将有大幅度降低,
例如弹性模量将下降
3～ 4个数量级,如图
4.25。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅶ 粘弹性和蠕变、松弛、弹性后效的概念
? 1,粘弹性的概念,
? 理想弹性 Ideal Elasticity表现为应力与应变成线
性关系,服从虎克定律 ； 理想粘性 Ideal Viscosity表现
为应力与应变速度成线性关系,服从牛顿粘性定律 。
粘弹性 Viscoelasticity是介于上述两种性质之间的, 既
有弹性又有粘性的性质 。 沥青, 混凝土, 塑料和低熔点金
属 (铅及其合金等 )在较低温度下就有强烈的粘弹性态 。 但对于
碳钢要在 300℃ ～ 350℃ 以上, 合金钢要在 350℃ ～ 400℃ 以上才
显示明显的粘弹性态 。
? 粘弹性的 特点 是 应力, 应变和时间的相关性 。 主
要表现在产生 蠕变 Creep,应力松弛 Slackness of Strss和
弹性后效 Elastic Aftereffect等现象上,
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅶ 粘弹性和蠕变、松弛、弹性后效的概念
? 2,蠕变, 松弛和弹性后效的概念,
? 蠕变 Creep是指 在恒定温度和应力作用下,材料的变形
随时间增加而增加的现象 。 图 4.26表示一条典型的蠕变曲线 。
图中初始应变 e0是加载产生的应变,ｔ为时间 。 曲线 (斜率代表蠕变
速度 )可分成三个阶段,
? *初始蠕变阶段,蠕变速率
? 由快逐渐降低；
? *稳定蠕变阶段,蠕变速率
? 为定值；
? *破坏蠕变阶段,蠕变速率
? 逐渐加大,直至破坏,
? 同一材料,当应力恒定,
? 温度提高,或温度恒定, 应力提高,都会使蠕变速率加快 。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅶ 粘弹性和蠕变、松弛、弹性后效的概念
2,蠕变, 松弛和弹性后效的概念,
*应力松弛 Slackness of Strss是指 在恒定温度和应变的条件下,
材料的应力随时间的增加而减小的现象 。这种现象 主要由
于材料的 弹性变形随时间逐渐转变为塑性变形 而致。
图 4.27为一条典型的应力松弛曲线,s0为初始应力。
*弹性后效 Elastic Aftereffect
或 弹性滞后 是 指材料在弹性
阶段加载和卸载时,应变的
变化滞后于应力变化的现象 。
因此,即使在弹性阶段卸除荷载,
变形也不能全部立即恢复,而要经
历一定时间后才能全部恢复 。
蠕变, 应力松弛 和 弹性后效 等现象,对于
处于粘弹性状态工作的材料必须加以考虑 。 例
如,汽轮机叶轮上的叶片工作中受到离心力作用,又处于
高温环境中,其蠕变变形必须要严格控制在一定限度内,
否则将导致叶片变形过大而与机壳相碰的事故。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅶ 粘弹性和蠕变、松弛、弹性后效的概念
§ 2－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能 (小结 )
? 材料主要力学性能指标,
? 1,弹性抗力指标 有 比例极限 sp和 弹性极限 se 。 应用上两者
常不作区分 。
? 2,材料刚度指标 反映材料对弹性变形的抗力 。 有 弹性模量
Ｅ, 泊松比 m和 剪切模量 Ｇ 。 对于各向同性材料,三者为
常数,存在关系,Ｇ＝ E/2(1+m) 对于正交各向异性材料,每
一个主方向有３个弹性常数,共有９个独立的弹性常数 。
对于极端各向异性材料,则共有２１个独立的弹性常数 (参
见各向异性弹性力学 )。
? 3,材料强度指标 有 屈服点 ss(或 名义屈服极限 s0.2),强度
极限 sb和 疲劳极限 sr.。
? 4,材料塑性指标 有 延伸率 (断后伸长率 )d和 截面收缩率 ψ
? 5,材料韧性指标 有 冲击韧性 ak和 断裂韧性 K1c.
§ 2－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能 (小结 )
? 两类材料力学性能比较,从前面几节介绍可知, 塑性材料和脆性材料的力学性能
有显著的不同, 为了给构件选定适宜的材料, 应对它们的力学性能特点有明确的认识 。
? (1)塑性材料的塑性好 (d≥ 5%),韧性高,脆性材料塑性差 (d≤ 5%),韧性低 。 因此,
需要锻压加工的构件, 承受动应力作用的构件, 易于产生低应力脆断的构件等宜选用塑性
好, 韧性高的塑性材料制作 。
? (2)通常塑性材料的抗拉强度比脆性材料高,而脆性材料抗压强度比抗拉强度高
得多 。 因此,受拉构件应选用塑性材料,脆性材料适于制作基础, 机座等承压构件 。
? (3)塑性材料因存在屈服阶段,当构件存在应力集中使局部最大应力达到屈服极限
时,该应力不再增大而变形迅速增加 ;当外力继续增大时,增加的力就由截面上尚未
屈服的材料来承担,这样就使截面上的应力趋于均匀,因此对于 塑性材料在静载荷
作用时,可以 不考虑应力集中的影响,但 动应力下仍需考虑,对于 组织均匀的脆性材
料,应力集中将 显著降低构件的强度,不仅动应力作用下要考虑,就是在静载荷作
用下也要考虑 。 而对于 组织粗糙的脆性材料 (如铸铁 ),材料本身就有许多杂质,
孔隙,即有严重的应力集中,外形改变所引起的应力集中 则处于次要地位,可以不
考虑 。 因此,从对应力集中的敏感性考虑,对于有严重应力集中的构件应选用塑性
好的材料 。
(4)金属材料往往强度越高,韧性越低 。 图 4.16示出了某种高强度钢 s0.2与Ｋ 1c的关
系。从强度的观点来看,s0.2值越高越好,但随着 s0.2值的增高,Ｋ 1c值严重降低,这将
导致产生低应力脆断。因此,不能只强调材料的强度指标,而忽略了材料的韧性指
标。应二者兼顾。
§ 2－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能 (小结 )
材料的力学性质是构件强度、刚度和稳定计算的重要组成部分,也是合理选用材
料和改进材料的主要依据。
? 主要内容,1,材料的力学性能是通过试验确定的。 影响材料力学性能的
因素很多,因此,试验必须严格按规范条件进行。材料的应力一应变曲线是反映材
料力学性能的基本资料,应掌握常用工程材料的应力一应变曲线。低碳钢拉伸应
力一应变曲线具有典型性和基础性,它全面地显示出材料的力学性能,如 E,m,sp,
se,ss,sb,d,?等。对于其它材料的力学性能可与低碳钢对比,并注意其特点。
? 2,工程材料的主要力学性能指标有,①强度指标 ss (或 s0.2),
sb等；②塑性指标 d,?等；③刚度指标 E,G,m等；④韧性指标 ak,K1c等。对各项性
能指标的物理意义、测定原理应清晰理解,并注意我国规范 GB228－ 87关于对抗力
指标和塑性指标的定义。
? 3,工程材料可分成两类,塑性材料 (de???和脆性材料 (dd???。 两
类材料的力学性能有很大的差异。塑性材料抗拉压性能基本一致,强度高,塑性和
韧性好,一般常用作拉杆、动荷载作用的构件、应力集中严重的构件和易发生低
应力脆断的构件。脆性材料的显著特点是抗压性能好,但抗拉、塑性和韧性均差,
一般用作受压构件。有些指标是矛盾的,如强度高往往韧性就低。因此,选用材料
时应全面考虑。假若片面追求高强度,忽视了必要的断裂韧度要求,构件就会发生
裂纹失稳扩展而脆断；又若只重视强度、韧度指标,不注意刚度指标,构件也可能
会因变形过量而不能正常工作。
§ 2－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能 (小结 )
4,各向同性材料的力学性能与方向无关,正交, 各向异性材料的力学性
能是方向的函数,试验和选用材料都更复杂 。 正交各向异性材料要分别测定三个
主方向的性能,且不同主方向性能差别很大 。 在选材 (或设计材料 )时,除了注意主
要受力以外,次要受力方向也要注意,否则可能因次要受力方向材料性能太差而导
致破坏 。
5,材料的力学性质对温度是敏感的,在高温或低温工作的构件,不能用
常温测得的材料力学性能指标,必须在相应的温度中测定 。 一般而论,材料的强度
指标 (ss,sb),刚度指标Ｅ随温度升高而下降；塑性指标 d,?随温度升高而增加 。
但对有些材料,特殊温度区间例外 。
6,材料的弹性, 塑性和粘性是三种理想性质 。 在一定条件下表现为
一个或多个方面的性质 。 如塑料, 混凝土, 沥青在常温和不大的应力下表现出弹
性和粘性 。 而碳钢在高温 (300℃ 以上 )和一定的应力下才表现出粘弹性；在常温
下,受力小 (弹性范围 )表现为弹性,受力大 (屈服 )表现为塑性或弹塑性,根据材料
弹性, 塑性和粘性的表现特征,突出主要性能,略去次要性能,提出了众多的本构
模型 。 基本的有,理想弹性模型, 理想弹塑性模型, 理想刚塑性模型, 线性强化
弹塑性模型, 幂强化模型, 麦克斯威尔模型, 沃埃特一凯尔文模型 。
本章重点,1,常用材料的 s－ e 曲线及特点,特别是低碳钢拉伸
s－ e曲线及特点 ;2,材料主要力学性能指标的物理意义和测定 ;
基本概念,线弹性,屈服,强化,冷作硬化,粘弹性,蠕变,应力松弛等 。
第二章 轴向拉伸和压缩
(Ch2,Axial Tension and Compression)
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Mechanical Property of Materials
? 材料在外力作用下所呈现的有关强度和变形方面的
特性, 称为 材料的力学性能 。
? 材料力学性能是构件强度, 刚度和稳定计算的重要组成部分,
也是合理选用材料和从事新材料研究的重要依据 。
? 材料的力学性能都要通过试验来测定 。
? 本节主要介绍工程中常用材料在拉伸和压缩时的力学性能 。
? 材料的力学性能除因材料不同而不同以外, 还受试验条件,
加力方式等很多因素的影响 。 同一材料在 常温, 高温和低温 的不
同条件下测得的力学性能各不相同；在 快速加载下 测得的力学性
能与 缓慢加载条件下 测得的力学性能也有显著差别；同一材料在
拉, 压, 扭转和弯曲不同变形形式下表现出不同的力学性能 。 因此
应针对不同情况, 分别试验, 以确定不同情况下的力学性能 。 为了
使测得的材料力学性能可以互相对比, 应严格按照有关试验规范的
要求进行测定 。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Mechanical Property of Materials
? Ⅰ, 材料的拉伸和压缩试验
? (Tensile Test and Compression Test of Materials)
? Ⅱ, 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能
? (Load —— deflection diagram in tension about mild steel)
? Ⅲ, 其它金属材料在拉伸时的力学性能
? (Mechanical property of others metal materials in tension )
? Ⅳ, 金属材料在压缩时的力学性能
? (Mechanical property of metal materials in Compression)
? Ⅴ, 几种非金属材料的力学性能
? (Mechanical property of some nonmetal materials)
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅰ, 材料的拉伸和压缩试验
试验条件,常温,静载 (under gradually
applied lood at room temperature)
试验标准,GB228－ 87。
标准 试件 (Standard specimen),
如图，圆形试件，板形试件
使用 Standard specimen 便于相互比较
圆形试件又分 长试件 (l＝ 10d)和 短试件 (l＝ 5d)两种
标距 (Gage Length)l 压缩试件, 短圆柱体，短棱柱体
试验 设备,
万能试验机
变形仪
mild steel（ 软钢）＝低碳钢
(low-carbon steel)
如 Q235号钢
Characteristic:
1,弹性阶段 Elastic range;
2,屈服阶段 Yield range;
3,强化阶段 Hardening range;
4,颈缩阶段 Necking range
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅱ, 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能
l
l
A
P
D=
=
e
s
1,Load —— deflection diagram in tension about mild steel:
tensile diagram(P—— △ L)
diagram:es ??
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅱ, 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能
P∝ Δ l σ ∝ ε σ = Eε ( )pss?
1,弹性阶段 Elastic range
sp:比例极限 proportional limit
se:弹性极限 elastic limit
ess?ep = 0 ( )
?? ep ss? 工程上常认为为同一点
2,屈服阶段 Yield range
(流动阶段 Slip range)
P基本不变,Δ L却不断增加,
对抛光的试件,可以看到与杆轴
线约成 45度方向上的条纹 (滑移
线 slip lines),表明材料此时的塑性变形由剪应力 (tmax =s/2)引起。
Yieldpoint (以下屈服点为准 )
ss:屈服极限 Yielding limit 或 流动 极限 Silde limit
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅱ, 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能
4,颈缩阶段 Necking range
(局部变形阶段
Localized deformation range)
此时在某一较弱的横截面
及其附近横向尺寸显著缩小,出
现所谓“颈缩”现象。
breaking point(f),在 F点拉断后,
弹性变形 ee 部分恢复，剩下 塑
性变形 ep (plastic strain)
物体进入塑性阶段后，总变形 e＝ ee ＋ ep
3,强化阶段 Hardening range
sb,强度极限 (抗拉强度）
Ultimate strength
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅱ, 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能
? 在强化阶段后期和颈缩阶段,由于变形较大,故 б ＝ P/A
? 和 e = Δ l / l 并不能表示试件的真实应力（ true stress） 和
? 真实应变（ true strain) 故：
? б ＝ Ｐ／Ａ常称为 名义应力
? Nominal stress
? (Conventional stress)
? e = Δ l / l 常称为 名义应变
? Nominal strain
? (Conventional strain)
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅱ, 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能
? 卸载规律,
? 卸载时荷载与 试样
? 伸长量之间遵循直
? 线关系的规律称为
? 材料的卸载规律,
? 在卸载过程中,
? 弹性变形逐渐消失,
? 只留下塑性变形 。 如果卸载后立即再加荷载, 则荷载与伸长
量间基本上仍遵循 着卸载时的同一直线关系, 一直到开始卸载时
的荷载为止,
? 冷作硬化 cold hardening 实质,strain hardening
? 冷作 时效 age hardening
材料分类：
塑性材料 Ductile materials,d＞ ５ ％
脆性材料 Brittle materials,d＜ ５ ％
对 Q235钢,ss≈240 MPa,sb≈390 MPa,d≈20 ～ 30%,ψ ≈60%
材料的强度指标 (The strength index of materials):
sp,比例极限 se:弹性极限 ss:屈服极限
sb,强度极限 （ sp≈se≈ss）
材料的塑性指标 (The plastic index of materials):
1,伸长率 (Percentage Elongation):
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅱ, 低碳钢试样的拉伸图及其力学性能
%100%1001 ?=??= pl ll ed
%1 0 01 ?D D?D=?
psi
2,断面收缩率 (Percentage of Cross-section ):
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅲ, 其它金属材料在拉伸时的力学性能
常用 塑性金属 材料
在拉伸时的力学性能
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅲ, 其它金属材料在拉伸时的力学性能
? 有些材料例如铝合金和退火球墨铸铁
? 没有屈服阶段, 而其它三个阶段却很
? 明显；另外一些材料例如锰钢则仅有
? 弹性阶段和强化阶段, 而 没有屈服阶
? 段 和 局部变形阶段 。 这些材料的共同
? 特点是伸长率 d均较大,
? 它们和低碳钢一样都属
? 于塑性材料 。
? 对 没有屈服阶段 的 塑性
? 材料, 通常以塑性应变 ep＝ es ＝ 0.2%所对应的应力
? 确定为 屈服极限 强度, 并称之为 名义 屈服极限,
? 标记为 s0.2
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅲ, 其它金属材料在拉伸时的力学性能
? 典型脆性金属材料
? — 铸铁 (Cast Iron)在拉伸时的力学性能,
? δ值很小, 无屈服和, 颈缩, 现象 。
? 无直线段, 断裂时变形很小
? 强度指标只有 强度极限 sb；
? 通常用规定某一总
? 应变时 s－ e曲线的
? 割线 （ 图 2-21中的
? 虚线 ） 来代替此曲
? 线在开始部分的直线, 从而确定其弹性
? 模量, 并称之为 割线弹性模量 。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅳ, 金属材料在压缩时的力学性能
? 低碳钢在压缩时的力学性能,
? 弹性,屈服初期与拉伸时相同，
? Ec=Et spc=spt ssc=sst
? 压 拉
? mc = mt
? 因 A↗ (P↗ )故测不出 sbc
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅳ, 金属材料在压缩时的力学性能
铸铁在压缩时的
力学性能,
变形很小就突然
破坏，无 sSc
sbc>> sbt
为经济的抗压材料。
破坏面与试件轴线
成大约 35o～ 39o角,表
明是因为抗剪能力不
够而断裂。
? 铸铁在压缩时的力学性能,
? 为了对比，图中示出了灰口铸
? 铁受压 (实线 )和受拉 (虚线 )的 s－ e
? 曲线。从图可知，铸铁压缩 s－ e 曲
? 线也无严格的直线部分，破坏时的
? 应变较拉伸大,约为 5％。破坏面与
? 试件轴线大约成 35o～ 39o,表明试
? 件主要是剪断的。由于斜面上同时
? 存在正压力引起的摩擦力的影响，
? 所以破坏面并不在最大剪应力方向 (45o)。 铸铁的抗压强度比抗拉强
? 度高得多,约为 3～ 5倍，加之价格较低廉、便于成型，因此广泛用于
? 制造机座、机床床身、轴承座等承压构件。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅳ, 金属材料在压缩时的力学性能
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅴ, 几种非金属材料的力学性能
? 混凝土
? 和
? 天 然
? 石 料
? 压缩：
试件的破坏
形式与两端
面受到的摩擦力的大小有关。 (a),(b)分别表示试件两端面不加润滑剂和加润滑剂
的破坏形式。前者由于两端面横向变形受到摩擦力的阻碍,使试件中部逐渐剥落,
形成两个相连的截锥体。后者由于润滑使摩擦力减小,产生纵向开裂破坏,其抗压
强度也较前者小。在规范中,取立方体的边长为 150mm,按前者测出的抗压强度称
为标准立方体抗压强度,并用以确定混凝土或石料的等级。 sbc ≈ 10 sbt
? 混凝土的弹性模量规定以 s＝ 0.4sb时的割线斜率来确定。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅴ, 几种非金属材料的力学性能
? 混凝土压缩,混凝土是一种多相材料,内部细小裂缝多,随着受力增大,裂缝经历
稳定阶段、稳定扩展阶段和裂缝贯通非稳定扩展阶段,表现出加载曲线有明显的非
线性。由于内部硬骨料使沿裂缝滑移受阻,故其破坏也有一个渐变过程。
混凝土加载到某一点 a(即使应力不大 )卸载,将有塑性应变 eap(图 (b)),但多次重复加载
和卸载后,塑性变形逐步减小。因此,工程上常以割线 oa(虚线 )的斜率来定义弹性模量
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅴ, 几种非金属材料的力学性能
? 木材的力学性能,
? 木材的顺纹抗拉强度很高, 但因受木节等缺陷的影响, 其强度极
限值波动很大 。 木材的横纹抗拉强度很低 。 工程中应避免横纹受
拉 。 木材的顺纹抗压强度虽稍低于顺纹抗拉强 度, 但受木节等缺
陷的影响较小 。
? 木材为各向异性材料，顺纹与横纹的力学性质相差较大 。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅴ, 几种非金属材料的力学性能
? 玻璃钢
? 等复合
? 材料,
? 由两种或两
? 种以上不同
? 性能的材料
? 在宏观尺度
? 上复合而成的新材料，称为复合材料．这种材料不仅具有组成材料相互取长补短
的综合性能，而且具有组成材料没有的良好性能．
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅴ, 几种非金属材料的力学性能? 复合材料,
复合材料一般
由基体材料和
增强材料所组
成。基体材料
可以是塑料、
金属和陶瓷等 ;
增强材料可以
是纤维、颗粒
和微珠。目前
在结构材料中
应用最广泛的
现代复合材料
是纤维增强塑料。其中纤维主要是玻璃纤维、碳纤维、硼纤维和芳纶纤维,基体主
要是不饱和聚脂树脂、环氧树脂和酚醛树脂等。 玻璃钢 等复合材料 的 主要优
点 是 重量轻, 比强 度（抗拉强度／密度）高，成型工艺简单，且耐
腐蚀、抗振性能好 。 玻璃钢的力学性能与所用的玻璃纤维（或玻璃
布）和树脂的性 能，以及 两者的相对用量和相互结合的方式有关 。
塑料的典型拉伸图,
塑料是一类品种繁多的高分子合成材料,它除了具有一定的强度、刚度和塑
性以外,还具有重量轻 (比重为 0.9～ 2.2)、耐化学腐蚀、电绝缘性能好和易于成
型加工等优点 。 塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两类。 热塑性塑料,
这类塑料加热软化、冷却硬化,反复加热和冷却仍具有可塑性。如聚乙烯、聚丙
烯、聚酰胺等。 热固性塑料,这类塑料化学反应成型后,受热和冷却不再明显
改变状态,如酚醛塑料、环氧塑料、氨基塑料等。 不同品种的塑料,由于成分、
分子结构的不同,其力学性质差别很大。 有些属于塑性材料,有些属于脆性材料 。
抗拉强度值从几 MPa变到上百 MPa;断后伸长率从几乎为零变到百分之几百。 塑料还
是一种粘弹性材料,具有强烈的粘弹性性质。 塑料的 主要缺点 是 不耐热,一般
只能在 100℃ 以下长期使用,少数塑料可耐 200℃ 的高温 ;塑料 在光、热、氧作用下
易老化变质 。为了满足使用要求,克服主要缺点,在塑料制品中常有各种 添加剂 ;特
别是 通过高性能纤维增强,便制造出了性能特别优良的现代 复合材料 。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅴ, 几种非金属材料的力学性能
塑料的典型拉伸应力一应变曲线如图所示。由图可知,它也有弹性阶段、屈
服阶段和强化阶段。图中ａ点对应的应力称为比例极限 (或弹性极限 )sp;ｂ点为屈
服点,该点应力称为屈服强度 ss;ｂ点以后的应力略有下降,变形显著增长 ;试件最
后在 c点断裂,相应应力 sb为断裂强度 (又称拉伸强度 )。若在 c’点断裂,规范规定
以屈服强度 ss 作为断裂强度。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅵ 温度对材料力学性能的影响
钢材在高, 低温下的力学性质,
高、低温下材料力学性质测定方法和常温下测定相同,但试件要
处于相应的温度环境之中。
图 4.21为某种碳钢
在不同温度水平下测得
的 s－ e 曲线。
图 4.22为低碳钢
(合碳 0.15%)的
力学性能随温度
变化的曲线。
图 4.23为一
种中碳钢在不
同低温条件下
所得拉伸图。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅵ 温度对材料力学性能的影响
? 钢材在高、低温下的力学性质,
? 由以上各图显示的材料力学性能,可归纳出如下 结论,
? 1,从室温升温,总的规律是材料的强度指标 (ss,sb)随温
度升高而降低,塑性指标 (d,?)随温度升高而提高,弹性
模量Ｅ随温度升高而减小,泊松比 m随温度升高而增大 。
? 2,从室温降温,强度极限提高,但断后伸长率 d降低,当温
度降到 -253℃ 时,材料已由塑性材料转变为脆性材料 。
? 3,在特定的温度区间,某些指标有一些特定规律 。 如低
碳钢的抗拉强度 sb,在温度低于 250℃ 时,随温度升高而增
加；在 250℃ ～ 300℃ 之间 sb最大,但断后伸长率 d在此温
度范围却有较大下降, 表现出性能脆化, 称为 蓝脆性 。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅵ 温度对材料力学性能的影响
温度对塑料力学性能的影响,
塑料是一种不耐热的材料,其力学性能随温度变化很大。
图 4.24为塑料的应变一温度曲线。当温度低于玻璃化温度 Tg时,
塑料处于玻璃态,具有一定的强度和刚度,应力 ----应变基本成线性
关系,是塑料的使用状态。当温度高于 Tg 时,塑料将转变为高弹态而
成为橡胶；温度进一步升高到 Tf时,又由高弹态变成粘流态。温度达
到 Td塑料分解。
从玻璃态到高弹
态,塑料的强度、刚度
性能将有大幅度降低,
例如弹性模量将下降
3～ 4个数量级,如图
4.25。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅶ 粘弹性和蠕变、松弛、弹性后效的概念
? 1,粘弹性的概念,
? 理想弹性 Ideal Elasticity表现为应力与应变成线
性关系,服从虎克定律 ； 理想粘性 Ideal Viscosity表现
为应力与应变速度成线性关系,服从牛顿粘性定律 。
粘弹性 Viscoelasticity是介于上述两种性质之间的, 既
有弹性又有粘性的性质 。 沥青, 混凝土, 塑料和低熔点金
属 (铅及其合金等 )在较低温度下就有强烈的粘弹性态 。 但对于
碳钢要在 300℃ ～ 350℃ 以上, 合金钢要在 350℃ ～ 400℃ 以上才
显示明显的粘弹性态 。
? 粘弹性的 特点 是 应力, 应变和时间的相关性 。 主
要表现在产生 蠕变 Creep,应力松弛 Slackness of Strss和
弹性后效 Elastic Aftereffect等现象上,
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅶ 粘弹性和蠕变、松弛、弹性后效的概念
? 2,蠕变, 松弛和弹性后效的概念,
? 蠕变 Creep是指 在恒定温度和应力作用下,材料的变形
随时间增加而增加的现象 。 图 4.26表示一条典型的蠕变曲线 。
图中初始应变 e0是加载产生的应变,ｔ为时间 。 曲线 (斜率代表蠕变
速度 )可分成三个阶段,
? *初始蠕变阶段,蠕变速率
? 由快逐渐降低；
? *稳定蠕变阶段,蠕变速率
? 为定值；
? *破坏蠕变阶段,蠕变速率
? 逐渐加大,直至破坏,
? 同一材料,当应力恒定,
? 温度提高,或温度恒定, 应力提高,都会使蠕变速率加快 。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅶ 粘弹性和蠕变、松弛、弹性后效的概念
2,蠕变, 松弛和弹性后效的概念,
*应力松弛 Slackness of Strss是指 在恒定温度和应变的条件下,
材料的应力随时间的增加而减小的现象 。这种现象 主要由
于材料的 弹性变形随时间逐渐转变为塑性变形 而致。
图 4.27为一条典型的应力松弛曲线,s0为初始应力。
*弹性后效 Elastic Aftereffect
或 弹性滞后 是 指材料在弹性
阶段加载和卸载时,应变的
变化滞后于应力变化的现象 。
因此,即使在弹性阶段卸除荷载,
变形也不能全部立即恢复,而要经
历一定时间后才能全部恢复 。
蠕变, 应力松弛 和 弹性后效 等现象,对于
处于粘弹性状态工作的材料必须加以考虑 。 例
如,汽轮机叶轮上的叶片工作中受到离心力作用,又处于
高温环境中,其蠕变变形必须要严格控制在一定限度内,
否则将导致叶片变形过大而与机壳相碰的事故。
§ ２－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能
Ⅶ 粘弹性和蠕变、松弛、弹性后效的概念
§ 2－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能 (小结 )
? 材料主要力学性能指标,
? 1,弹性抗力指标 有 比例极限 sp和 弹性极限 se 。 应用上两者
常不作区分 。
? 2,材料刚度指标 反映材料对弹性变形的抗力 。 有 弹性模量
Ｅ, 泊松比 m和 剪切模量 Ｇ 。 对于各向同性材料,三者为
常数,存在关系,Ｇ＝ E/2(1+m) 对于正交各向异性材料,每
一个主方向有３个弹性常数,共有９个独立的弹性常数 。
对于极端各向异性材料,则共有２１个独立的弹性常数 (参
见各向异性弹性力学 )。
? 3,材料强度指标 有 屈服点 ss(或 名义屈服极限 s0.2),强度
极限 sb和 疲劳极限 sr.。
? 4,材料塑性指标 有 延伸率 (断后伸长率 )d和 截面收缩率 ψ
? 5,材料韧性指标 有 冲击韧性 ak和 断裂韧性 K1c.
§ 2－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能 (小结 )
? 两类材料力学性能比较,从前面几节介绍可知, 塑性材料和脆性材料的力学性能
有显著的不同, 为了给构件选定适宜的材料, 应对它们的力学性能特点有明确的认识 。
? (1)塑性材料的塑性好 (d≥ 5%),韧性高,脆性材料塑性差 (d≤ 5%),韧性低 。 因此,
需要锻压加工的构件, 承受动应力作用的构件, 易于产生低应力脆断的构件等宜选用塑性
好, 韧性高的塑性材料制作 。
? (2)通常塑性材料的抗拉强度比脆性材料高,而脆性材料抗压强度比抗拉强度高
得多 。 因此,受拉构件应选用塑性材料,脆性材料适于制作基础, 机座等承压构件 。
? (3)塑性材料因存在屈服阶段,当构件存在应力集中使局部最大应力达到屈服极限
时,该应力不再增大而变形迅速增加 ;当外力继续增大时,增加的力就由截面上尚未
屈服的材料来承担,这样就使截面上的应力趋于均匀,因此对于 塑性材料在静载荷
作用时,可以 不考虑应力集中的影响,但 动应力下仍需考虑,对于 组织均匀的脆性材
料,应力集中将 显著降低构件的强度,不仅动应力作用下要考虑,就是在静载荷作
用下也要考虑 。 而对于 组织粗糙的脆性材料 (如铸铁 ),材料本身就有许多杂质,
孔隙,即有严重的应力集中,外形改变所引起的应力集中 则处于次要地位,可以不
考虑 。 因此,从对应力集中的敏感性考虑,对于有严重应力集中的构件应选用塑性
好的材料 。
(4)金属材料往往强度越高,韧性越低 。 图 4.16示出了某种高强度钢 s0.2与Ｋ 1c的关
系。从强度的观点来看,s0.2值越高越好,但随着 s0.2值的增高,Ｋ 1c值严重降低,这将
导致产生低应力脆断。因此,不能只强调材料的强度指标,而忽略了材料的韧性指
标。应二者兼顾。
§ 2－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能 (小结 )
材料的力学性质是构件强度、刚度和稳定计算的重要组成部分,也是合理选用材
料和改进材料的主要依据。
? 主要内容,1,材料的力学性能是通过试验确定的。 影响材料力学性能的
因素很多,因此,试验必须严格按规范条件进行。材料的应力一应变曲线是反映材
料力学性能的基本资料,应掌握常用工程材料的应力一应变曲线。低碳钢拉伸应
力一应变曲线具有典型性和基础性,它全面地显示出材料的力学性能,如 E,m,sp,
se,ss,sb,d,?等。对于其它材料的力学性能可与低碳钢对比,并注意其特点。
? 2,工程材料的主要力学性能指标有,①强度指标 ss (或 s0.2),
sb等；②塑性指标 d,?等；③刚度指标 E,G,m等；④韧性指标 ak,K1c等。对各项性
能指标的物理意义、测定原理应清晰理解,并注意我国规范 GB228－ 87关于对抗力
指标和塑性指标的定义。
? 3,工程材料可分成两类,塑性材料 (de???和脆性材料 (dd???。 两
类材料的力学性能有很大的差异。塑性材料抗拉压性能基本一致,强度高,塑性和
韧性好,一般常用作拉杆、动荷载作用的构件、应力集中严重的构件和易发生低
应力脆断的构件。脆性材料的显著特点是抗压性能好,但抗拉、塑性和韧性均差,
一般用作受压构件。有些指标是矛盾的,如强度高往往韧性就低。因此,选用材料
时应全面考虑。假若片面追求高强度,忽视了必要的断裂韧度要求,构件就会发生
裂纹失稳扩展而脆断；又若只重视强度、韧度指标,不注意刚度指标,构件也可能
会因变形过量而不能正常工作。
§ 2－ 6材料在拉伸和压缩时的力学性能 (小结 )
4,各向同性材料的力学性能与方向无关,正交, 各向异性材料的力学性
能是方向的函数,试验和选用材料都更复杂 。 正交各向异性材料要分别测定三个
主方向的性能,且不同主方向性能差别很大 。 在选材 (或设计材料 )时,除了注意主
要受力以外,次要受力方向也要注意,否则可能因次要受力方向材料性能太差而导
致破坏 。
5,材料的力学性质对温度是敏感的,在高温或低温工作的构件,不能用
常温测得的材料力学性能指标,必须在相应的温度中测定 。 一般而论,材料的强度
指标 (ss,sb),刚度指标Ｅ随温度升高而下降；塑性指标 d,?随温度升高而增加 。
但对有些材料,特殊温度区间例外 。
6,材料的弹性, 塑性和粘性是三种理想性质 。 在一定条件下表现为
一个或多个方面的性质 。 如塑料, 混凝土, 沥青在常温和不大的应力下表现出弹
性和粘性 。 而碳钢在高温 (300℃ 以上 )和一定的应力下才表现出粘弹性；在常温
下,受力小 (弹性范围 )表现为弹性,受力大 (屈服 )表现为塑性或弹塑性,根据材料
弹性, 塑性和粘性的表现特征,突出主要性能,略去次要性能,提出了众多的本构
模型 。 基本的有,理想弹性模型, 理想弹塑性模型, 理想刚塑性模型, 线性强化
弹塑性模型, 幂强化模型, 麦克斯威尔模型, 沃埃特一凯尔文模型 。
本章重点,1,常用材料的 s－ e 曲线及特点,特别是低碳钢拉伸
s－ e曲线及特点 ;2,材料主要力学性能指标的物理意义和测定 ;
基本概念,线弹性,屈服,强化,冷作硬化,粘弹性,蠕变,应力松弛等 。
