材料力学课件

材料力学材料力学是研究材料在各种外力作用下的力学行为的学科。它涵盖了应力、应变、强度、刚度、韧性等概念，以及材料在弯曲、扭转、拉伸、压缩等载荷下的变形和失效行为。课程简介11.课程目标帮助学生掌握材料力学基本理论知识和分析方法。22.课程内容包含应力应变，材料的力学性能，以及结构的强度和刚度分析。33.学习方法课本学习，课堂练习，以及课后习题。44.课程考核平时作业，期中考试，期末考试综合评分。基本概念力学材料力学是力学的一个分支，研究材料在各种外力作用下的力学性能和变形规律。应力应变应力是材料内部抵抗外力作用的内力，应变是材料在外力作用下的变形程度。材料特性材料的力学性能取决于材料的种类、形状、尺寸、温度等因素。工程应用材料力学在机械设计、土木工程、航空航天等领域得到广泛应用。应力和应变应力物体内部抵抗变形的能力，单位为帕斯卡（Pa）。应变物体在受力后形状和尺寸的变化程度，是无量纲量。杨氏模量杨氏模量（Young'smodulus），也称为弹性模量，是材料在弹性范围内的一种力学性质。它反映了材料抵抗形变的能力。杨氏模量可以通过拉伸试验测量，在试验中，材料被拉伸至其弹性极限，测量其应力与应变之间的关系，从而计算出杨氏模量。普饵松比定义横向应变与轴向应变之比符号ν单位无量纲影响因素材料性质典型值0.2-0.4普饵松比是材料力学中的重要参数，反映了材料在受拉伸或压缩时，横向尺寸变化与轴向尺寸变化的比例关系。几何相似原理1比例关系形状相同，尺寸比例一致2对应角相等对应角大小完全相同3形状相似几何形状完全相同几何相似原理在材料力学中被广泛应用，它可以通过研究小比例模型的力学行为来推断实际结构的力学特性。应力分量正应力正应力是指垂直于截面的力，它会导致物体拉伸或压缩。剪应力剪应力是指平行于截面的力，它会导致物体发生剪切变形。扭转应力扭转应力是指作用于圆形截面的力，它会导致物体发生扭转变形。弯曲应力弯曲应力是指作用于梁上的力，它会导致梁发生弯曲变形。平面应力状态平面应力状态是指物体内部只有两个方向上的应力分量不为零，而第三个方向上的应力分量为零。平面应力状态是材料力学中重要的概念，它简化了问题的分析，并为我们提供了一种有效的方法来计算物体在平面应力状态下的变形和强度。平面应变状态平面应变状态是材料力学中的一种重要概念，它描述了材料在特定情况下所受到的应变。在这种情况下，材料的变形只发生在两个平面上，而第三个方向上的应变可以忽略。了解平面应变状态对于理解材料的变形行为和预测材料的强度和稳定性至关重要。它是结构设计和分析中的一个关键因素，尤其在设计桥梁、建筑物和其他大型结构时。主应力和主应变主应力材料内部最大和最小的正应力。它们作用在垂直于应力方向的平面上，并具有最大剪应力。主应变材料内部最大和最小的正应变。它们对应于主应力方向上的最大和最小拉伸或压缩。莫尔应力圈图形表示莫尔应力圆是一种图形工具，用于可视化材料内部不同方向的应力状态。应力分析该圆形图形表示材料内任意方向的正应力和剪应力，方便进行应力分析。计算工具莫尔应力圆可以用于确定主应力、主应变以及最大剪应力，方便工程计算。扭转应力11.扭转应力定义扭转应力是指作用在圆形截面物体上的切向应力，由扭矩引起。22.扭转应力计算扭转应力可以通过扭矩、极惯性矩和半径计算得出。33.扭转应力分布扭转应力在截面上的分布是不均匀的，最大值出现在截面的外缘。44.扭转应力影响因素扭转应力的影响因素包括扭矩、材料的剪切模量和截面的形状和尺寸。应力-应变关系1线性弹性阶段材料在受力时，应力和应变之间成正比关系，去除载荷后材料完全恢复原状。2屈服阶段当应力超过弹性极限时，材料发生塑性变形，即使去除载荷，材料也不能完全恢复原状。3强化阶段在屈服点之后，应力继续增加，应变也随之增加，材料硬度提高，抵抗变形的能力增强。4颈缩阶段当应力达到材料的强度极限时，材料开始发生颈缩现象，截面积开始减小，最终断裂。弹性变形恢复能力弹性变形是指材料在外力作用下发生变形，当外力移除后，材料能够恢复到原始形状。应力-应变关系在弹性变形范围内，应力与应变成正比关系，符合胡克定律。能量存储弹性变形过程中，材料储存了弹性势能，当外力移除时，这些能量会释放出来。应用领域弹性变形在许多工程应用中发挥着重要作用，例如弹簧、橡胶、纤维等。塑性变形永久变形加载结束后，材料不会恢复到原始形状。金属材料金属材料常发生塑性变形。应力-应变关系应力和应变之间是非线性关系。屈服准则屈服的概念材料在受到外力作用时，发生永久变形。屈服点指材料开始发生永久变形的应力值。常见的屈服准则最大正应力准则最大剪应力准则形状改变能理论屈服强度理论瑞利准则失效原因瑞利准则是评估材料失效的一种方法。它指出当材料内部的应力集中达到材料的极限强度时，材料就会发生断裂。应力集中应力集中是指在材料内部的某个部位，由于几何形状或外力作用导致应力明显增大的现象。材料强度材料的极限强度是材料所能承受的最大应力。当应力超过极限强度，材料就会发生断裂。极限承载能力极限承载能力是指材料在达到极限应力时能够承受的最大载荷。它是在材料承受载荷时发生断裂或永久变形之前的最大载荷。100%强度材料所能承受的最大应力，以MPa为单位。50%屈服强度材料开始发生永久变形时的应力。10%抗拉强度材料在拉伸试验中所能承受的最大应力。20%抗压强度材料在压缩试验中所能承受的最大应力。材料的极限承载能力是材料力学中的一个重要概念，它决定了结构的安全性。在设计结构时，需要考虑材料的极限承载能力，并根据安全系数选择合适的材料和结构形式。安全因子安全因子是用来衡量结构或构件在实际载荷下抵抗失效的能力的指标。它是材料或结构的屈服强度或极限强度与实际工作应力之间的比值。安全因子通常大于1，意味着结构或构件在实际工作应力下可以承受大于实际载荷的负载。例如，如果材料的屈服强度为200MPa，而实际工作应力为100MPa，则安全因子为2。这意味着该结构或构件可以承受实际载荷的两倍，而不会发生失效。安全因子的选择取决于许多因素，包括材料的性质、结构的类型、工作条件以及风险承受能力等。对于高风险应用，例如桥梁、飞机和核电站，需要更高的安全因子，以确保结构的可靠性和安全性。压缩件的分析定义压缩件是指在轴向载荷作用下，发生缩短的构件。类型常见的压缩件包括柱子、梁、板等结构部件。分析方法压缩件的分析通常包括应力、应变、稳定性等方面的计算。应用压缩件的分析在建筑、机械、航空航天等领域中广泛应用。弯曲梁分析1外力分析弯曲梁的受力状态和位移2应力分布计算弯曲应力，确定最大应力位置3强度分析判断梁是否能够承受外力4变形分析计算梁的挠度和转角弯曲梁分析是材料力学中的重要内容，它帮助我们理解和计算承受弯曲载荷的梁的受力状态，从而保证结构的安全性。连接件分析连接件分类连接件是用于连接不同结构构件的元件。它们可以是螺栓、铆钉、焊接或其他连接方式。连接件受力分析连接件在结构中承受各种力，例如拉力、剪切力、弯曲力、扭转力等。连接件强度计算根据连接件的材料、形状和尺寸，可以使用相应的公式计算连接件的强度，确保其能够承受预期的载荷。连接件疲劳分析对于承受重复载荷的连接件，需要进行疲劳分析，以评估其抗疲劳性能。应力集中几何形状不规则孔洞、缺口或其他几何形状的突然变化会导致应力集中。裂缝材料中的裂缝或裂纹会显著增加局部应力。焊接焊接接头处由于材料性质和加工过程的变化，会发生应力集中。表面粗糙表面粗糙度和表面缺陷会增加局部应力。疲劳强度循环载荷材料在反复荷载作用下，会发生疲劳破坏。疲劳破坏通常发生在应力集中区域。疲劳强度是指材料在循环载荷作用下抵抗破坏的能力。应力腐蚀11.应力与腐蚀应力腐蚀是指在腐蚀环境中，材料因拉伸应力而发生断裂的一种现象。22.腐蚀环境某些环境会加速应力腐蚀，例如：盐溶液，酸性溶液和高温。33.裂纹扩展应力腐蚀通常会导致微观裂纹的产生，这些裂纹会随着时间的推移逐渐扩展。44.影响因素影响应力腐蚀的因素包括材料类型，应力水平，环境条件和温度。热应力温度变化材料受热膨胀，冷却收缩，不同温度下的应力。热传递热传导、对流和辐射导致材料内部温度分布不均匀。热应力计算基于材料的热膨胀系数、温度变化和约束条件进行计算。试验方法拉伸试验测量材料的抗拉强度、弹性模量等参数。压缩试验测量材料的抗压强度、弹性模量等参数。弯曲试验测量材料的抗弯强度、抗弯刚度等参数。扭转试验