大三制药过程设备3拉伸与压缩

过程设备机械设计基础3拉伸与压缩主要内容材料力学的基本概念拉伸和压缩材料的力学性能力学性能测试交变应力下的强度问题应力集中1.材料力学的基本概念1.静态平衡下的刚体2.不改变几何形状3.外力作用下如何保持平衡状态1.不能无限制的承受外力2.发生形状和尺寸的改变3.弹性变形4.塑性变形静力学材料力学

静力学与材料力学的区别1.材料力学的基本概念材料在力学角度需满足的基本要求预测校核设计1.材料力学的基本概念Q：材料力学需要解决什么问题呢？构件的小变形变形固体1.材料力学的基本概念连续性假设：认为整个物体体积内毫无空隙地充满物质在外力作用下，一切固体都将发生变形，故称为变形固体，而构件一般均由固体材料制成，故构件一般都是变形固体。均匀性假设：认为物体内的任何部分，其力学性能相同各向同性假设：认为在物体内各个不同方向的力学性能相同1.材料力学的基本概念构件变形的基本形式：拉压、剪切、扭转、弯曲杆纵向尺寸远大于横向尺寸的构件板厚度比其长度和宽度小的多的平面构件壳厚度比其长度和宽度小的多，但其几何形状不是平面，而是曲面的构件1.材料力学的基本概念拉压变形剪切变形1.材料力学的基本概念扭转变形弯曲变形1.材料力学的基本概念外力:物体对构件的作用，如约束反力、主动力按外力作用的方式体积力:是连续分布于物体内部各点的力如物体的自重和惯性力面积力:如油缸内壁的压力，水坝受到的水压力等均为分布力若外力作用面积远小于物体表面的尺寸，可作为作用于一点的集中力。如火车轮对钢轨的压力等按时间分布力：集中力：静载：动载：缓慢加载（a≈0）快速加载（a≠0），或冲击加载1.材料力学的基本概念内力：构件一部分与相邻部分之间的相互作用力。求内力的方法－－截面法假想将杆件切开，使内力转化为外力，运用静力平衡条件求出截面上内力的方法。（拉力为正，压力为负）NmN’m

1.材料力学的基本概念例1：求直杆的轴力轴力图：拉力画在轴的上侧，压力画在轴的下测。1.材料力学的基本概念例2：实际生活中的拉伸和压缩实际生活中的拉伸和压缩实际生活中的拉伸和压缩实际生活中的拉伸和压缩上海东方明珠电视塔高468m球径45m主干是3根直径9米，高287米的空心擎天大柱实际生活中的拉伸和压缩2.拉伸和压缩承受轴向拉压载荷的构件：ABC

3mG+Q1.5mPPN外力大小并不能判断杆件的受力程度，单位面积上的内力大小才能衡量构件的受力强弱2023/9/19过程设备机械基础2.拉伸和压缩2.拉伸和压缩直杆轴向拉压时横截面上的应力FFmmFmmN单位面积上内力的大小，衡量杆件受力的强弱程度。什么是应力？2.拉伸和压缩规定：拉应力为正，压应力为负单位：帕，N/m2；教材P41：例3-2，计算搅拌釜轴的应力应力正应力和剪应力应力方向与截面垂直为正应力σ应力方向与截面平行为剪应力τ

2.拉伸和压缩2.拉伸和压缩直杆轴向拉压时斜面上的应力FFnk

knFf

横截面上的正应力：截面k-k的面积为A

：2.拉伸和压缩直杆受轴向拉（压）时的强度条件极限应力：许用应力：构件的实际工作应力2.拉伸和压缩1)强度校核：max<[

]2)截面设计：A>N/[

]3)确定许可工作载荷：N<[

]·A根据强度条件可完成三件工作：2.拉伸和压缩PPN圆整后取吊杆直径d=12mm。例

管道吊杆直径d=8mm，材料为Q235，[]=125MPa，管道重量P=10000N，校核杆件强度。2.拉伸和压缩G+QyNBCBxNBAABC3G+1.5mABC3mG+Q1.5m例

已知G=5KN，BC杆d=20mm，材料Q235，[]=120MPa，保证BC杆的强度，求[Q]解：以B铰为研究对象，受力如图。

列出平衡方程：

Fy=0,NBC•sin

(G+Q)=0

则NBC=(G+Q)/sin,

由强度条件

=NBC

/(d2/4)

[]，解得：

[Q]11.85KN例气缸盖用根径为20mm的8个螺栓与气缸体联接，如图所示。螺栓材料的许用应力[]=100Mpa，气缸体内径D=600mm，试求气缸内允许的最大压力p（不考虑螺栓的预紧力）2023/9/19过程设备机械基础292.拉伸和压缩解答2023/9/19过程设备机械基础30每个螺栓横截面积为：每个螺栓的许可轴力为：

因此，缸内最大允许的压力为：气缸盖的受力面积为：

2.拉伸和压缩2.拉伸和压缩直杆受轴向拉（压）时的变形绝对变形ΔlΔa相对变形泊松比：应变2.拉伸和压缩虎克定律：载荷和变形间的关系物理中

将上式两边除以截面积A，则：因为令

E称为材料的弹性模量，表示材料抵抗弹性变形的能力。3.材料拉伸时的力学性能及其测试力学性能（机械性能）：材料在外力作用下表现出来的各种性能金属拉伸试验二.试样圆截面试样:L=10d或L=5d一.标准：《金属材料室温拉伸试验方法》(GB228-2002)INSTRON电液服试验机3.材料的力学性能金属应力-应变曲线

3.材料的力学性能拉伸时应力与应变曲线延伸率断面收缩率3.材料的力学性能其他金属材料拉伸时的力学性能塑性材料拉伸应力应变曲线名义屈服极限0.8

%5004003002001000玻璃钢0.41.2

/MPa0.2灰口铸铁1.0脆性材料拉伸应力应变曲线3.材料的力学性能高分子材料的拉伸曲线2023/9/19过程设备机械基础38高分子材料种类很多，它们的力学性能有很大差异。主要分这样几类，一类为硬而脆的高分子材料，如聚苯乙烯、有机玻璃等；第二类为具有一定强度和塑性的结晶态高分子材料，如尼龙、聚碳酸脂等；第三类为高弹性材料，如橡胶等3.材料的力学性能3.材料的力学性能不同材料的应力应变曲线对比3.材料的力学性能压缩时的应力应变曲线塑性材料压缩时的应力-应变曲线拉伸压缩脆性材料压缩时的应力-应变曲线塑性材料不作压缩试验，屈服应力可直接引用拉伸试验结果脆性材料，抗压强度比抗拉强度高许多，常用于制造承受压力的构件3.材料的力学性能温度对材料力学性能的影响

但在260°以前随温度的升高，

b反而增大，同时

、

却减小。但象低碳钢这种在300°以前的特征，并非所有的钢材都具有。总趋势:温度升高,E、

S

、

b下降；

、

增大。0100200300400500(℃)400300200100100908070605040302010Ed3.材料的力学性能温度对铬锰合金力学性能的影响007505002500-200-1000100200300400500600700800d807060504030201003.材料的力学性能在服役温度（35-70%熔点）下，应力远低于屈服应力时结构/材料中长度（变形）随时间增长而增加，卸载后变形无回复；破坏时无明显颈缩。蠕变，一种不可恢复的塑性变形。试样重量材料的蠕变蠕变变形的三个阶段timeCreepstrainprimarysecondarytertiary第一阶段：蠕变速率逐渐降低第二阶段：蠕变速率近似为常数第三阶段：蠕变速率剧增，并导致最后断裂3.材料的力学性能4.材料的其它力学性能指标

拉伸：

屈服强度、抗拉强度、断面收缩率、延伸率……

冲击：

冲击韧度：金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。

以材料受冲击破坏时单位面积上所消耗的能量来表示，国标《GB/T229-2007夏比摆锤冲击试验方法》

单位：N·m（J）

硬度：

材料表面抵抗异物侵入的能力

常用的硬度测定法：压入法

硬度的表示方法：布氏硬度，洛氏硬度。布氏硬度：瑞典工程师T.A.Brinell于1900年提出适用于铸铁、非铁合金、各种退火及调质的钢材，不宜测定太硬、太小、太薄和表面不允许有较大压痕的试样或工件。布氏硬度越大，材料越硬单位压痕表面积A上所承受的平均压力4.材料的其它力学性能指标洛氏硬度：美国人Rockwell于1919年提出用120o金刚石圆锥体或硬度钢球做压头，根据压痕深度来表示硬度高低。当被测样品过小或者布氏硬度（HB）大于450时，就改用洛氏硬度计量。根据压头材料和主压力大小不同，常用的有HRA、HRB、HRC三个等级。洛氏硬度越大，材料越软。硬度是包含了材料的弹性、塑性、硬化特性、强度和韧性等的综合影响。4.材料的其它力学性能指标5.交变应力下的强度问题材料恒定载荷交变载荷拉伸（压缩）断裂疲劳破坏

在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为疲劳。循环扰动次数成为循环次数,材料发生疲劳破坏时的扰动次数为疲劳寿命。5.交变应力下的强度问题扰动应力（交变应力），是指随时间变化的应力。也可更一般地称为交变载荷（载荷可以是力、应力、应变、位移等）5.交变应力下的强度问题平均应力：Sm=(Smax+Smin)/2应力幅：Sa=(Smax-Smin)/2应力范围：

S=Smax-Smin应力比：R=Smin/Smax5.交变应力下的强度问题应力比R0StR=1静载Smax=Smin0StR=0脉冲循环Smin=00StR=-1对称循环Smax=-SminR=-2/0=∞R=-2/1=-25.交变应力下的强度问题加载波形5.交变应力下的强度问题应力应变曲线拉伸（压缩）疲劳5.交变应力下的强度问题疲劳极限：S-N曲线

-1

3

1N1N2N301SN

223456

0