材料力学基础知识

演讲人：日期：材料力学基础知识目录CONTENTS材料力学概述材料的基本力学性能材料力学的基本原理材料的拉伸与压缩性能材料的弯曲性能材料的扭转性能材料力学的应用与发展趋势01材料力学概述定义材料力学是固体力学的一个分支，主要研究材料在各种外力作用下的应变、应力、强度、刚度、稳定和破坏极限。特点材料力学注重理论与实验的结合，通过力学实验验证理论假设，推动学科发展。定义与特点棒状材料材料力学的研究对象主要是棒状材料，如杆、梁、轴等。其他形状和材料除了棒状材料，材料力学也研究其他形状和材料，但需要进行适当的简化和假设。材料力学的研究对象01工程应用材料力学是机械工程、土木工程等工科专业的重要基础学科，为工程设计提供基本的力学原理和分析方法。材料力学的重要性02学科交叉材料力学与理论力学、结构力学等密切相关，相互交叉渗透，共同发展。03安全性评估材料力学是评估工程结构、设备安全性的重要工具，有助于预防机械故障和工程事故。02材料的基本力学性能指材料在受到外力作用时，能够发生可逆的形变，即当外力撤去后，材料能够恢复到原来的形状和尺寸。弹性变形是可逆的，不产生永久变形。弹性指材料在受到外力作用时，能够发生不可逆的形变，即当外力撤去后，材料不能恢复到原来的形状和尺寸，产生永久变形。塑性变形具有不可恢复性。塑性弹性与塑性强度指材料抵抗外力破坏的能力，即材料在受到外力作用时，能够保持其完整性和连续性的能力。强度是材料的重要力学性能之一，通常用抗拉强度、抗压强度等来表示。刚度指材料在受到外力作用时，抵抗变形的能力，即材料在受力时所产生的应力与应变的比值。刚度越大，材料抵抗变形的能力越强，变形越小。强度与刚度稳定性与耐久性耐久性指材料在长期使用过程中，能够抵抗各种物理、化学和生物等因素的侵蚀和破坏，延长使用寿命。耐久性主要取决于材料的组成、结构和制造工艺等因素。稳定性指材料在长期使用过程中，能够保持其性能的稳定性和可靠性，不发生明显的性能变化或失效。稳定性是材料的重要性能指标之一，对于长期使用和关键部件尤为重要。03材料力学的基本原理应力物体由于外因（受力、湿度、温度场变化等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，单位面积上的内力称为应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力。应变材料在外力作用下产生的变形与其原始尺寸的比值称为应变。它表示材料在受力过程中的变形程度，是材料力学中的一个重要物理量。应力与应变的概念胡克定律及其应用胡克定律的表述固体材料受力之后，材料中的应力与应变（单位变形量）之间成线性关系。满足胡克定律的材料称为线弹性或胡克型（英文Hookean）材料。胡克定律的数学表达式在弹性限度内，应力与应变成正比，即σ=Eε，其中σ表示应力，ε表示应变，E为弹性模量。胡克定律的应用胡克定律是材料力学中的基本定律之一，广泛应用于弹性材料的应力分析和应变测量。例如，通过拉伸试验可以测定材料的弹性模量，进而预测材料在受力过程中的变形和应力状态。材料的破坏准则最大正应力破坏准则当材料内某一点的最大正应力达到材料的极限强度时，材料即发生破坏。这一准则适用于脆性材料，如铸铁、玻璃等。最大剪应力破坏准则能量破坏准则当材料内某一点的最大剪应力达到材料的剪切强度时，材料即发生破坏。这一准则适用于塑性材料，如金属、塑料等。当材料在受力过程中吸收的能量达到某一临界值时，材料即发生破坏。这一准则适用于冲击载荷下的材料破坏分析。04材料的拉伸与压缩性能拉伸试验通过试样在拉伸过程中的表现，测定材料的抗拉强度、屈服强度、断裂强度等力学性能指标。压缩试验通过试样在压缩过程中的表现，测定材料的抗压强度、屈服强度、形变等力学性能指标。拉伸与压缩试验描述材料在拉伸过程中，应力与应变之间的关系，可分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和断裂阶段。拉伸应力-应变曲线描述材料在压缩过程中，应力与应变之间的关系，通常表现出弹性阶段和塑性阶段。压缩应力-应变曲线拉伸与压缩的应力-应变曲线拉伸强度指标包括抗拉强度、屈服强度、断裂强度等，用于描述材料在拉伸过程中的力学性能。压缩强度指标包括抗压强度、屈服强度等，用于描述材料在压缩过程中的力学性能。拉伸与压缩的强度指标05材料的弯曲性能梁的弯曲形状为圆弧，圆弧的曲率半径与梁的弯曲刚度有关。纯弯曲特点悬臂梁在固定端附近的小范围弯曲、均质材料的纯弯曲等。纯弯曲的实例01020304梁的各横截面上剪力均为零且弯矩为常量。纯弯曲定义在材料力学中，纯弯曲被用来分析材料的弯曲性能和强度。纯弯曲的应用纯弯曲的概念与特点弯曲正应力与切应力的计算σ=M/W，其中σ为正应力，M为弯矩，W为截面抗弯系数。弯曲正应力计算公式τ=VQ/It，其中τ为切应力，V为剪力，Q为截面上的剪应力合力，I为截面惯性矩，t为离中性轴最远的距离。材料的弹性模量、截面几何形状和尺寸、外力作用点和方向等。弯曲切应力计算公式在纯弯曲中，正应力是主要的应力成分，切应力为零；在剪切弯曲中，切应力是主要的应力成分，正应力不为零。弯曲正应力与切应力的关系01020403弯曲应力的影响因素弯曲强度条件根据材料的力学性能参数和截面几何参数，计算出材料在受弯条件下的最大正应力和最大切应力，与材料的许用应力进行比较。弯曲强度计算弯曲强度应用材料在弯曲过程中，最大正应力或最大切应力不超过材料的许用应力。当弯曲应力超过材料的许用应力时，材料会发生塑性变形或脆性断裂等破坏形式。在工程设计中，根据弯曲强度条件选择合适的材料和截面形状，以保证结构在受弯条件下具有足够的强度和稳定性。弯曲强度条件及其应用弯曲破坏形式06材料的扭转性能扭转是指物体在受到外力作用后，沿着其轴线方向发生的旋转变形。扭转的定义扭转时，物体的横截面通常保持平面并绕轴线旋转，同时产生剪切应力。扭转的特点扭转时，物体受到的是垂直于轴线的外力偶矩，导致物体内部产生切应力。扭转的受力情况扭转的概念与特点010203扭转应力的计算与分布01切应力τ=T/W，其中T为扭矩，W为抗扭截面系数。在圆形截面中，最大切应力出现在截面边缘，且切应力沿半径方向线性分布；在矩形截面中，切应力分布更为复杂，但最大切应力仍出现在截面边缘。材料的抗扭性能、截面的几何形状和尺寸以及扭矩的大小等都会影响扭转应力的分布。0203扭转应力的计算公式扭转应力的分布规律扭转应力的影响因素提高扭转强度的措施可以通过优化材料的成分和热处理工艺、改变截面形状和尺寸以及采用复合材料等方法来提高材料的扭转强度。扭转强度的定义扭转强度是指材料在扭转力作用下抵抗破坏的能力，是材料的重要力学性能之一。扭转强度的应用在机械设计中，为了保证零件在扭转力作用下安全可靠地工作，需要根据材料的扭转强度进行强度计算和设计。扭转强度条件及其应用07材料力学的应用与发展趋势土木工程材料力学在土木工程领域的应用非常广泛，如桥梁、建筑、道路等结构的设计和施工都需要用到材料力学的知识。机械工程在机械工程中，材料力学用于设计和分析机械部件的强度和稳定性，如轴、梁、杆等。航空航天航空航天领域需要用到轻质高强的材料，材料力学的研究对于飞行器的设计和安全至关重要。材料力学在工程中的应用随着科技的不断发展，新型材料不断涌现，如复合材料、智能材料等，材料力学的研究也随之不断更新。新型材料的研究计算机技术和数值方法的进步使得材料力学的计算更加精确和高效，如有限元分析等。计算材料力学实验技术的进步使得材料力学的实验更加精确和多样化，如材料疲劳试验、断裂力学试验等。实验技术材料力学的最新研究