工程力学-材料力学

工程力学-材料力学汇报人：AA2024-01-31CONTENTS引言材料的基本力学性质材料的强度与刚度杆件的应力与应变分析材料的失效与防止措施材料力学的实验方法与测试技术引言01

工程力学与材料力学概述工程力学是研究物质宏观运动规律及其在工程实际中应用的科学，包括静力学、材料力学、结构力学等多个分支。材料力学是工程力学的一个重要分支，主要研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度和稳定性等方面的问题。工程力学与材料力学密切相关，材料力学为工程设计提供理论基础和计算方法，是工程力学的重要组成部分。材料力学主要研究固体材料，特别是工程材料中的力学性能和行为，如金属、非金属、复合材料等。揭示材料在外部载荷作用下的力学响应和变形规律，建立材料的本构关系和破坏准则，为工程设计和优化提供理论支撑。材料力学的研究对象与任务研究任务研究对象材料力学为结构设计提供基本的理论依据，帮助工程师确定结构的合理形状和尺寸，以满足强度和刚度要求。结构设计根据材料的力学性能和工程需求，选择合适的材料以降低成本、提高工程质量和可靠性。材料选择对已有结构进行强度校核，评估其安全性和剩余寿命，为结构维修和加固提供依据。强度校核运用材料力学的理论和方法，对结构进行优化设计，实现结构轻量化、高性能化和节能减排等目标。优化设计材料力学在工程中的应用材料的基本力学性质02123拉伸是指材料受到轴向拉力作用而产生沿轴向的伸长变形；压缩则是指材料受到轴向压力作用而产生沿轴向的缩短变形。拉伸与压缩的定义在拉伸或压缩过程中，材料内部会产生应力和应变，其中应力是指单位面积上的内力，而应变则是指材料的相对变形量。拉伸与压缩时的应力与应变材料的力学性能指标包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度等，这些指标可以通过拉伸和压缩试验得到。拉伸与压缩时的力学性能指标材料的拉伸与压缩剪切与扭转的定义剪切是指材料在受到一对相距很近、方向相反的横向外力作用时，材料的横截面沿该外力作用方向发生的相对错动变形；扭转则是指材料在受到扭矩作用时，其横截面绕轴线的相对转动变形。剪切与扭转时的应力与应变在剪切或扭转过程中，材料内部同样会产生应力和应变，其中剪切应力是指单位面积上的剪切力，而剪切应变则是指材料的相对错动量；扭转应力是指单位长度的扭矩，而扭转应变则是指材料的相对转动角度。剪切与扭转时的力学性能指标材料的剪切力学性能指标包括剪切模量、剪切强度等，而扭转力学性能指标则包括扭转刚度、扭转强度等。材料的剪切与扭转弯曲变形的定义01弯曲变形是指材料在受到垂直于轴线方向的外力作用时，其轴线将弯曲成一条曲线，同时横截面也发生相应的转动。弯曲变形时的应力与应变02在弯曲变形过程中，材料内部会产生弯曲应力和弯曲应变，其中弯曲应力是指横截面上各点处的内力矩与该点处到中性轴距离的比值；弯曲应变则是指横截面上各点处的相对挠度。弯曲变形时的力学性能指标03材料的弯曲力学性能指标包括抗弯刚度、抗弯强度等，这些指标可以通过弯曲试验得到。材料的弯曲变形组合变形是指材料同时受到两种或两种以上基本变形形式的复杂变形情况。组合变形的定义在组合变形过程中，材料内部会产生复杂的应力和应变状态，这些应力和应变状态可以通过叠加原理进行简化计算。组合变形时的应力与应变对于组合变形问题，需要综合考虑各种基本变形形式对材料力学性能的影响，以及它们之间的相互作用关系，从而得出准确的力学性能分析结果。组合变形时的力学性能分析材料的组合变形材料的强度与刚度03认为材料在单向拉伸或压缩时，最大拉应力是引起材料破坏的主要因素。认为材料在单向拉伸或压缩时，最大伸长线应变是引起材料破坏的主要因素。认为材料在剪切或扭转时，最大切应力是引起材料破坏的主要因素。认为材料在复杂应力状态下，畸变能密度是引起材料破坏的主要因素。最大拉应力理论最大伸长线应变理论最大切应力理论畸变能密度理论材料的强度理论材料在交变应力作用下，经过无限次循环而不发生破坏的最大应力值。描述材料疲劳强度与循环次数之间关系的曲线。材料在交变应力作用下，裂纹逐渐扩展直至断裂的过程。材料在交变应力作用下，从开始使用到发生疲劳破坏所经历的时间或循环次数。疲劳极限疲劳曲线疲劳裂纹扩展疲劳寿命材料的疲劳强度材料在受外力作用时保持其原有平衡状态的能力。材料在受外力作用时，由于刚度不足而发生失稳的现象。材料在受力时抵抗弹性变形的能力。材料在受外力作用时，由于塑性变形过大而发生失稳的现象。刚度稳定性弹性失稳塑性失稳材料的刚度与稳定性020401材料抵抗裂纹扩展的能力。材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。材料在断裂前发生较大的塑性变形，断裂时吸收的能量较多。03材料在断裂前几乎不发生塑性变形，断裂时吸收的能量很少。断裂韧性脆性断裂韧性断裂冲击韧性材料的断裂韧性与冲击韧性杆件的应力与应变分析04由外力作用引起的杆件内部相互作用的力，主要包括轴力、剪力和弯矩。单位面积上的内力，表示杆件内部某一点处的力学状态，分为正应力和切应力。根据杆件受力情况和截面几何特性，通过力学平衡方程和物理方程求解应力分布。内力应力应力计算杆件的内力与应力杆件在应力作用下产生的相对变形，分为线应变和角应变。杆件整体或局部的尺寸和形状变化，包括拉伸、压缩、弯曲和扭转等。通过胡克定律等物理方程描述应力与应变之间的线性关系，进而分析杆件的变形情况。应变变形应变与变形关系杆件的应变与变形杆件内部同时存在多种应力分量（如正应力和切应力）的情况。复杂应力状态主应力和主方向广义胡克定律通过应力变换和应力圆（或应力椭圆）确定最大（或最小）正应力和其方向。描述复杂应力状态下各应力分量与应变分量之间的关系，是分析复杂应力问题的基础。030201复杂应力状态下的应力与应变03应力集中对杆件强度的影响应力集中会降低杆件的疲劳强度和静强度，是设计和制造中需要特别注意的问题。01应力集中因截面尺寸突变、裂纹、缺口等因素引起的局部应力急剧增大的现象。02应力集中系数表示应力集中程度的无量纲参数，与截面形状、尺寸和加载方式等因素有关。应力集中与应力集中系数材料的失效与防止措施05材料在循环应力作用下，经过一定次数的循环后发生疲劳断裂。01020304材料在受到外力作用时，因强度不足或存在内部缺陷而发生断裂。材料在腐蚀性环境中，因化学反应或电化学反应而导致性能下降或破坏。材料在相互接触并相对运动时，因摩擦而导致表面磨损，影响使用性能。断裂失效腐蚀失效疲劳失效磨损失效材料的失效形式及原因材料的防止失效措施根据工程要求和使用环境，选择具有适当力学性能和化学稳定性的材料。通过改进结构设计，降低应力集中，提高材料的承载能力。通过热处理改变材料的内部组织，提高其力学性能和抗腐蚀性能。采用喷丸、滚压、渗碳渗氮等表面强化技术，提高材料表面的硬度和耐磨性。合理选材优化设计热处理强化表面强化处理表面涂层技术表面改性技术薄膜技术复合表面处理技术材料的表面处理与强化01020304采用电镀、喷涂、化学转化膜等方法，在材料表面形成一层具有保护或特殊功能的涂层。通过激光束、电子束、离子束等高能束流对材料表面进行改性处理，改善其表面性能。利用物理气相沉积、化学气相沉积等方法在材料表面制备具有特殊功能的薄膜。综合运用多种表面处理技术，以获得更优异的表面性能。满足使用要求考虑制造工艺性经济性原则可持续发展原则材料的选用与设计原则根据工程要求和使用环境，选择具有适当力学性能和化学稳定性的材料。在满足使用要求的前提下，应尽可能选择价格低廉、来源广泛的材料。材料的选用应考虑到其制造工艺性，以便于加工和降低成本。在材料选用和设计中，应考虑到环境保护和资源的合理利用，促进可持续发展。材料力学的实验方法与测试技术06通过拉伸试验机对试样施加拉伸力，测定材料的拉伸强度、屈服点、延伸率等指标。拉伸试验压缩试验弯曲试验扭转试验利用压缩试验机对试样进行压缩，测定材料的压缩强度和变形特性。将试样放在弯曲试验机上，施加弯曲力矩，测定材料的抗弯强度和弯曲模量。通过扭转试验机对试样施加扭矩，测定材料的扭转强度和剪切模量。材料力学的实验方法ABCD应力与应变的测量技术电阻应变片法利用应变片测量试样表面的应变，通过应变仪将应变信号转换为电信号进行记录和分析。X射线衍射法通过X射线衍射技术测量试样内部的晶格应变，推算出宏观应力。光弹性法利用偏振光通过受载试样产生的双折射现象，测量试样内部的应力分布。超声检测法利用超声波在试样中的传播速度与应力之间的关系，测量试样内部的应力。通过循环加载的方式，测定材料在交变应力作用下的疲劳寿命和疲劳强度。疲劳试验通过预制裂纹的试样在静态或动态加载下的断裂行为，测定材料的断裂韧性和裂纹扩展速率。断裂韧性测试在循环加载条件下，观察裂纹的扩展情况，测定材料的疲劳裂纹扩展速率和门槛