材料力學(xué)A教學(xué)課件：第二章 軸向拉壓應(yīng)力與材料的力學(xué)性能1

1、Page1上一講回顧 構(gòu)件設(shè)計(jì)基本要求： 材料力學(xué)任務(wù)： 材料力學(xué)研究對(duì)象： 基本假設(shè)： 內(nèi)力計(jì)算： 應(yīng)力（ s, t），應(yīng)變（e, g ），胡克定律（剪切胡 克定律） 強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性 桿 ，簡(jiǎn)單板殼連續(xù)、均勻、各向同性截面法（截、取、代、平）Page2第二章 軸向拉壓應(yīng)力與材料的力學(xué)性能2-1 引言 2-2 拉壓桿的應(yīng)力與圣維南原理 2-3 材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能2-4 材料拉壓力學(xué)性能的進(jìn)一步研究2-5 應(yīng)力集中概念2-6 許用應(yīng)力與強(qiáng)度條件2-7 連接部分的強(qiáng)度計(jì)算2-9 結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 2-2 軸力與軸力圖 Page3 本章主要研究： 拉壓桿的內(nèi)力、應(yīng)力與強(qiáng)度計(jì)算 材料在拉伸與壓

2、縮時(shí)的力學(xué)性能 拉壓桿連接部分的強(qiáng)度計(jì)算 簡(jiǎn)要介紹結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)的概念Page4房屋支撐結(jié)構(gòu)橋梁2-1 引言 拉壓桿工程實(shí)例Page5連桿曲柄滑塊結(jié)構(gòu)飛機(jī)起落架高壓電線塔Page6受力特點(diǎn)?變形特點(diǎn)?Page7桿件受力特點(diǎn)：外力或其合力的作用線沿桿件軸線(axis)桿件變形特點(diǎn)：Deformation軸向伸長(zhǎng)或縮短軸向載荷軸向拉伸或壓縮以軸向拉壓為主要變形的桿件拉壓桿(axial loaded bar)Page8思考：下列桿件是不是拉壓桿？FFqq問(wèn)題：在工程實(shí)際中，如何選材以及如何設(shè)計(jì)拉壓桿的尺寸？Page92-2 軸 力 與 軸 力 圖 拉壓桿橫截面上內(nèi)力(軸力)分析：FFmm軸力的符號(hào)s

3、ign規(guī)定：拉為正，壓為負(fù)Tensile-positive, compressive-negativeFFNFFNPage10 軸力圖F2FFABC2FF-ABC軸力圖的兩要素：大小，符號(hào)Page11由平衡方程：AB段BC段CD段 設(shè)正法 軸力圖：表示軸力沿桿軸 變化的圖。例：畫(huà)軸力圖。解：Page12求任一截面上的軸力，并畫(huà)出軸力圖?？紤]自重，密度為，橫截面積為A,長(zhǎng)度為L(zhǎng)。xgAFNx+gAL例題：要點(diǎn)：逐段分析軸力；設(shè)正法求軸力Page13思考： 桿、 桿材料相同， 桿截面面積大于 桿，2. 若 ，哪根桿危險(xiǎn)？3. 什么量適合量度安全程度？ 橫截面應(yīng)力 ？1.若 ， 哪根桿危險(xiǎn)？問(wèn)題：在

4、工程實(shí)際中，如何選材以及如何設(shè)計(jì)拉壓桿的尺寸？Page14 回顧歷史：伽利略指出：1. 如果C的重量越來(lái)越大，桿件最后總會(huì)象繩索一樣斷開(kāi)；2. 同樣粗細(xì)的麻繩、木桿、石條、金屬棒的承載能力各不相同；直桿簡(jiǎn)單拉伸實(shí)驗(yàn)3. 相同材料制成的桿件，承載能力與橫截面積成正比，與其長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。伽利略像2-3 拉壓桿的應(yīng)力與圣維南原理Page15 觀察拉壓桿受力時(shí)的變形特點(diǎn)：假設(shè)： 1. 縱線與橫線仍為直線，橫線仍垂直于縱線； 觀察結(jié)果：橫截面仍保持為平面，且仍垂直于桿件軸線，僅沿桿軸相對(duì)平移拉壓平面假設(shè)2. 橫線沿軸線方向平移。3. 橫線間距增大Page16平面假設(shè)正應(yīng)變(normal strain)沿橫截

5、面均勻分布橫截面上沒(méi)有切應(yīng)變(shear strain)Page17 材料力學(xué)應(yīng)力分析的基本方法：內(nèi)力構(gòu)成關(guān)系靜力學(xué)方程變形關(guān)系幾何方程應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系物理方程試驗(yàn)觀察提出假設(shè)試驗(yàn)驗(yàn)證Page18 桿端作用均布力，橫截面應(yīng)力均勻分布。問(wèn)題： 桿端作用集中力，橫截面應(yīng)力均勻分布嗎？ 局部效應(yīng)原理（圣維南原理）Page19x=h/4x=h/2x=h圣維南原理：力作用于桿端的分布方式，只影響桿端局部范圍的應(yīng)力分布，影響區(qū)的軸向范圍約離桿端12個(gè)桿的橫向尺寸。x應(yīng)力均勻有限元結(jié)果圣維南原理為材料力學(xué)公式的適用性提供了依據(jù)Page20局部效應(yīng)原理（圣維南原理）： 圣維南原理指出： 力作用于桿端的分布方式，只

6、影響桿端局部范圍的應(yīng)力分布，影響區(qū)的軸向范圍約離桿端12個(gè)桿的橫向尺寸。圣維南像Page21圣維南( Saint-Venant, 17971886) ，圣維南生平1813年進(jìn)巴黎綜合工科學(xué)校求學(xué)，1814年因政治原因被除名，1834年發(fā)表兩篇力學(xué)論文而在科學(xué)界出名，1868年被選為法國(guó)科學(xué)院院士。 圣維南主要研究彈性力學(xué)。1855和1856年用半逆解法分別求解柱體扭轉(zhuǎn)和彎曲問(wèn)題時(shí)提出處理邊界條件的新思想; 1885年J.V.布森涅斯克把這個(gè)思想加以推廣，并稱之為圣維南原理。 圣維南在塑性力學(xué)與流體力學(xué)方面也有重要建樹(shù)。Page22問(wèn)題：斜截面上有何應(yīng)力？如何分析？ 拉壓桿(Axially lo

7、aded bar)斜截面(inclined section)上的應(yīng)力：Page23FFFFPage24橫截面上正應(yīng)力分布均勻橫截面間的纖維變形相同斜截面間的纖維變形相同斜截面上應(yīng)力均勻分布Page25np 討論：pFnPage26 最大正應(yīng)力發(fā)生在桿件橫截面上，其值為s0 最大切應(yīng)力發(fā)生在桿件45斜截面上, 其值為s0/2正負(fù)符號(hào)規(guī)定a ：以x 軸為始邊，逆時(shí)針轉(zhuǎn)向者為正 t ：斜截面外法線On沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)90，與 該方向同向之切應(yīng)力為正最大應(yīng)力分析Page27 思考：FF1、變形后兩直線的夾角是否改變2、如果改變，試定性解釋為什么改變3、如果改變，試定量分析角度的改變量Page282-4

8、 材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能標(biāo)距 l標(biāo)距 l1. 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣Tensile-test specimenGB/T 228-2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法一、拉伸試驗(yàn)Page292 試驗(yàn)裝置Page30微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)力伸長(zhǎng)曲線D lFTension diagramPage313 拉伸試驗(yàn)與拉伸圖 ( F-l曲線 )Page32二、材料拉伸力學(xué)性能o線彈性屈服縮頸硬化四個(gè)階段：Linear, yielding, hardening, necking低碳鋼Q235Page33線性階段低碳鋼Q235拉伸試驗(yàn)o規(guī)律： （OA段）變形：變形很小，彈性特征點(diǎn)： （比例極限）（彈性極限）Page34屈服階段低

9、碳鋼Q235拉伸試驗(yàn)oBC：水平線或鋸齒狀平臺(tái)現(xiàn)象：滑移線變形：應(yīng)力幾乎不變，變形急劇增大，含彈性、塑性變形特征點(diǎn)： （屈服極限）滑移線Page35硬化階段低碳鋼Q235拉伸試驗(yàn)o變形：使材料繼續(xù)變形需增大應(yīng)力特征點(diǎn)： （強(qiáng)度極限）Page36縮頸階段低碳鋼Q235拉伸試驗(yàn)o現(xiàn)象：縮頸，斷裂觀察與思考：觀察低碳鋼試件拉伸斷裂斷口，思考為什么是這種形貌？斷裂Page37 四個(gè)階段，三個(gè)特征點(diǎn)，兩個(gè)現(xiàn)象：四個(gè)階段：線性，屈服，硬化，縮頸Linear, yielding, hardening, necking三個(gè)特征點(diǎn)：比例極限，屈服極限， 強(qiáng)度極限兩個(gè)現(xiàn)象：滑移線，縮頸Slip-lines, ne

10、cking應(yīng)力應(yīng)變曲線（低碳鋼）p b s o思考：頸縮階段后，圖中應(yīng)力為什么會(huì)下降？Page38名義應(yīng)力與真實(shí)應(yīng)力頸縮階段載荷減小，截面積也減小，真實(shí)應(yīng)力繼續(xù)增加真實(shí)應(yīng)力曲線名義應(yīng)力曲線變形前截面積名義應(yīng)力Page39滑移線縮頸與斷裂斷口低碳鋼試件在拉伸過(guò)程中的力學(xué)現(xiàn)象Page40p e b p e o低碳鋼卸載與再加載時(shí)的力學(xué)性能 材料在卸載與再加載時(shí)的力學(xué)行為彈性極限(elastic limit)彈性應(yīng)變(elastic strain)塑性應(yīng)變(殘余應(yīng)變)(plastic strain)冷作硬化：預(yù)加塑性變形使材料的比例極限或彈性極限提高的現(xiàn)象。Page41材料的塑性 延伸率：l試驗(yàn)段原

11、長(zhǎng)（標(biāo)距）Dl0試驗(yàn)段殘余變形塑性：材料經(jīng)受較大塑性變形而不破壞的能力,亦稱延性。Page42斷面收縮率：A試驗(yàn)段橫截面原面積A1斷口的橫截面面積 塑性與脆性材料 塑性材料： d 5 % 例如結(jié)構(gòu)鋼與硬鋁等 脆性材料： d 5 % 例如灰口鑄鐵與陶瓷等Page43例：試在圖上標(biāo)出D點(diǎn)的 及材料的延伸率ooPage442-5 材料拉壓力學(xué)性能的進(jìn)一步研究一、一般金屬材料的拉伸力學(xué)性能不同材料的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線o硬鋁50鋼30鉻錳硅鋼s p0.2名義屈服極限0.2%Aop0.2有些材料不存在明顯屈服階段Page45 脆性材料（灰口鑄鐵拉伸）斷口與軸線垂直Page46復(fù)合材料高分子材料二、復(fù)合材料與高分子材料拉伸力學(xué)性能Page47三、材料在壓縮時(shí)的力學(xué)性能 低碳鋼愈壓愈扁（拉伸）（壓縮）Stress-strain diagram for low-carbon steel in compressionPage48 灰口鑄鐵壓縮斷口與軸線約成55o-60o 脆性材料壓縮強(qiáng)度極限遠(yuǎn)高于拉伸強(qiáng)度極限Page49 四、溫度對(duì)力學(xué)性能的影響中碳鋼硬鋁總體上，材料強(qiáng)度、彈性常數(shù)E與G隨溫度升高而降低Page50據(jù)分析，由于大量飛機(jī)燃油燃燒，溫度高達(dá)1200 C，組成大樓結(jié)構(gòu)的鋼材強(qiáng)度急劇降低，致使大廈鉛垂塌毀世貿(mào)中心塌毀大廈受撞擊后，為什麼沿鉛