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1、授课教师：孟昭强授课教师：孟昭强教师给学生的永教师给学生的永远是希望远是希望!机械基础机械基础2第三章第三章 直杆的基本变形直杆的基本变形 直杆轴向变形与应力分析直杆轴向变形与应力分析3-13-1金属材料的力学性能金属材料的力学性能3-23-2 连接件的剪切与挤压连接件的剪切与挤压3-43-4 圆轴的扭转圆轴的扭转3-53-54拉伸与压缩变形特点一一二二内力与应力3-1 直杆轴向变形与应力分析直杆轴向变形与应力分析一一、拉伸与压缩的变形特点、拉伸与压缩的变形特点1 1.实例实例座椅支撑杆（受压）衣架杆（受拉）液压机构活塞杆（受拉）一一、拉伸与压缩的变形特点、拉伸与压缩的变形特点1 1.实例实例
2、内燃机活塞杆（受压）FN1FN1FN2FN2ABCF一一、拉伸与压缩的变形特点、拉伸与压缩的变形特点2.2.受力特点受力特点（2）变形特点：杆沿轴线方向伸长或缩短。（1）受力特点：杆受到的外力与杆轴线重合。杆件杆件1 1，拉力，拉力=1N,=1N,截面积截面积=0.1 cm=0.1 cm2 2 杆件杆件2 2，拉力，拉力=100N,=100N,截面积截面积=100 cm=100 cm2 2 哪个杆工作哪个杆工作“累累”？不能只看拉力，要看杆单位面积上的力不能只看拉力，要看杆单位面积上的力应力应力二、内力与应力二、内力与应力FN1FN1 思考：思考：二、内力与应力二、内力与应力1.1.内力内力F
3、N1FN1 定义：在外力作用下，杆件材料内部产生阻碍变形的力。特点：外力大变形大内力大。内外力同生死，共存亡！二、内力与应力二、内力与应力F1F1FFFNF2.2.截面法截面法 将受外力杆件假想切开，以显示内力大小；F=FN 用平衡条件确定合力；二、内力与应力二、内力与应力F FNFFFFN3.3.应力应力 定义：单位面积上的内力。单位：帕或兆帕，1MPa=106Pa=1N/mm2。正应力：应力方向截面的应力。（轴向拉伸和压缩）正负规定：拉伸应力为正，压缩应力为负。FN横截面内力,NA横截面面积,mm212力学性能概述一一二二常见的力学性能三三 冷作硬化3-2 金属材料的力学性能一、力学性能概
4、述一、力学性能概述 力学性能：金属材料在外力作用下表现出的性能。一般通过实验测定。分类：强度，塑性，硬度和韧性。二、常见的力学性能二、常见的力学性能1.强度 测量方法：拉伸实验 强度指标：抗拉强度 屈服极限 定义：材料抵抗破坏的能力。材料抵抗外力作用,开始产生明显塑性变形时的最低应力。材料在拉断前所能承受的最大应力。二、常见的力学性能二、常见的力学性能弹性阶段弹性阶段弹性极限弹性极限 P屈服阶段屈服阶段屈服极限屈服极限 S强化阶段强化阶段强度极限强度极限 b颈缩阶段颈缩阶段二、常见的力学性能二、常见的力学性能1.强度低碳钢拉伸曲线 铸铁拉伸曲线碳钢拉压线相同，铸铁抗压不抗拉。二、常见的力学性能
5、二、常见的力学性能2.塑形 定义：材料在拉断前产生永久变形的能力。测量方法：拉伸试验 塑性指标：伸长率 断面收缩率5%塑性材料二、常见的力学性能二、常见的力学性能3.硬度 定义：材料抵抗局部塑性变形的能力。布氏硬度(HB)洛氏硬度(HR)维氏硬度(HV)分类：二、常见的力学性能二、常见的力学性能特点：被测面积大，精度高。不适于太薄、太硬物体，及成品件。1.布氏硬度试验原理图2.布氏硬度试验机不二、常见的力学性能二、常见的力学性能特点：简单、迅速、适用范围广（软硬材料均适用）。）。1.洛氏硬度试验原理图2.洛氏硬度试验机二、常见的力学性能二、常见的力学性能 特点：压痕浅、适用范围广。1.维氏硬度
6、试验原理图2.维氏硬度试验机二、常见的力学性能二、常见的力学性能4.冲击韧性 定义：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。测量方法：冲击试验（一次摆锤冲击弯曲试验）冲击韧性指标：冲击吸收功 冲击韧度二、常见的力学性能二、常见的力学性能1.冲击韧性试验的示意图2.冲击韧性试验机三、冷作硬化三、冷作硬化1.定义：随着变形增加，材料强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象。2.作用：提高材料的承载能力。冷轧钢板25剪切一一二二挤压三三 剪切与挤压的应用3-4 连接件的剪切与挤压一、剪切一、剪切 螺栓、销钉、键、铆钉等。一、剪切一、剪切 螺栓、销钉、键、铆钉等。一、剪切一、剪切轴轴键键M齿轮齿轮 螺栓、销钉
7、、键、铆钉等。一、剪切一、剪切1.剪切：2.变形特点：截面沿外力方向产生相对错动。FFS剪切面剪切面FFmm 外力大小相等 方向相反 作用线平行且相距很近受力现象一、剪切一、剪切3.剪力Fs：发生剪切变形时，在材料内部产生的抵抗变形的力。特点：与外力相等，平行于剪切面。单位：牛（N）或千牛（KN）FFS剪切面剪切面FFmm一、剪切一、剪切4.切应力：单位面积上受到的剪力。大小：FFS剪切面剪切面FFmm 方向：与剪力相同。单位：帕（Pa）或兆帕（PMa）。二、挤压二、挤压1.挤压：连接件和被连接件接触面相互压紧的受力现象。挤压面挤压面2.变形特点：引起螺栓压扁 钢板在孔缘压皱或成椭圆 导致连接
8、松动而失效3.挤压力：作用于挤压面上的力，用Fbs表示，4.挤压应力：单位面积上受到的挤压力。大小：F 方向：与挤压力相同。二、挤压二、挤压dF Fbsbs(a)dH max(b)bs(c)Abs=Hd计算挤压面积计算挤压面积挤压面挤压面33挤压面挤压面用直径截面代替挤压面 单位：帕（Pa）或兆帕（PMa）。三、剪切与挤压应用三、剪切与挤压应用(1)剪切破坏:构件两部分沿剪切面发生滑移、错动。螺栓两侧在钢板接触力 F 作用下，将沿m-m截面被剪断；(2)挤压破坏：在接触区的局部范围内，产生显著塑性变形。螺栓与钢板 在相互接触面上因挤压而使连接松动；(3)钢板拉断:钢板在受螺栓孔削弱的截面处被拉
9、断。三、剪切与挤压应用三、剪切与挤压应用例例 销钉连接如图。已知销钉连接如图。已知F=18kN,t=8mm,t1=5mm,d=15mm,材料许用切材料许用切应力应力t t =60MPa,许用挤压应力许用挤压应力 bs=200MPa,试校核销钉的强度。试校核销钉的强度。解解（1 1）剪切强度）剪切强度（2 2）挤压强度）挤压强度故销钉满足强度要求。故销钉满足强度要求。36圆轴扭转变形与应力分布一一二二圆周扭转时的应力三三 提高抗扭能力采取的措施3-5 圆轴的扭转一、圆轴扭转的变形与应力分布一、圆轴扭转的变形与应力分布一、圆轴扭转的变形与应力分布一、圆轴扭转的变形与应力分布1.受力特点：杆两端作用
10、着大小相等、方向相反的力偶，且力偶作用面垂直于杆的轴线。2.变形特点：杆任意两截面绕轴线发生相对转动。Me主动力偶主动力偶阻抗力偶阻抗力偶带轮电动机M一、圆轴扭转的变形与应力分布一、圆轴扭转的变形与应力分布3.圆轴扭转外力力偶矩：P圆轴传递的功率 KW n圆轴的转速 r/min M外力偶矩NmP,n一、圆轴扭转的变形与应力分布一、圆轴扭转的变形与应力分布4.圆轴扭转变形一、圆轴扭转的变形与应力分布一、圆轴扭转的变形与应力分布4.圆轴扭转变形 圆周线 形状、大小、间距不变 各圆周线只是绕轴线转动了一个角度。纵向线 倾斜了同一个角度 小方格变成了平行四边形扭转变形时，各截面仍垂直于轴线，只是绕轴线
11、做相对转动，故在截面上没有正应力，只有垂直于半径的切应力。一、圆轴扭转的变形与应力分布一、圆轴扭转的变形与应力分布5.切应力分布规律 切应力大小：圆周处圆心处（逐渐减小）。切应力方向：与半径垂直。二、圆轴扭转的应力二、圆轴扭转的应力1.应力的大小 扭矩MT：圆周扭转时，横截面产生的一个内力偶矩。切应力：横截面最边缘处的切应力，MPaMT扭矩，NmWt抗扭截面系数，mm3 实心轴Wt=0.2D3 空心轴Wt=0.2D3(1-4)二、圆轴扭转的应力二、圆轴扭转的应力2.应力的分布实心轴空心轴三、提高抗扭能力采取的措施三、提高抗扭能力采取的措施1.选用合理的截面故多采用空心轴！重量相同时，空心轴比实心轴抗扭能力大！2.合理改善受力情况，降低最大扭矩。（b）（a）46