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1、材料力学第二章轴向拉伸与压缩第1页，本讲稿共53页本章主要内容本章主要内容 轴向拉压举例轴向拉压举例 截面法与轴力截面法与轴力 拉压杆横截面上的应力拉压杆横截面上的应力 拉压杆斜截面上的应力拉压杆斜截面上的应力 轴向拉压的变形分析轴向拉压的变形分析 拉伸和压缩时材料的力学性能拉伸和压缩时材料的力学性能 轴向拉压的强度计算轴向拉压的强度计算第2页，本讲稿共53页2-1 2-1 轴向拉压杆举例轴向拉压杆举例曲柄连杆机构曲柄连杆机构连杆连杆P特点：特点：连杆为直杆连杆为直杆外力大小相等外力大小相等方向相反沿杆方向相反沿杆轴线轴线杆的变形为轴向伸杆的变形为轴向伸长或缩短长或缩短等直杆沿轴线受到一对大小
2、相等方向相反的力作用，称为轴向拉压。等直杆沿轴线受到一对大小相等方向相反的力作用，称为轴向拉压。第3页，本讲稿共53页2-2 2-2 截面法与轴力截面法与轴力 为了分析拉压杆的强度和变形，首先需为了分析拉压杆的强度和变形，首先需要了解杆的内力情况要了解杆的内力情况 材料力学中，采用截面法研究杆的内力材料力学中，采用截面法研究杆的内力1、截面法、截面法 将杆件假想地沿某一横截面切开，去掉一部分，保留将杆件假想地沿某一横截面切开，去掉一部分，保留另一部分，同时在该截面上用另一部分，同时在该截面上用内力内力表示去掉部分对保留表示去掉部分对保留部分的作用，建立保留部分的部分的作用，建立保留部分的静力平
3、衡方程静力平衡方程求出内力。求出内力。第4页，本讲稿共53页PIPPIIIPIINS SX=0：+N-P=0 N=PS SX=0：-N+P=0 N=PN截面法的步骤：截面法的步骤：注意：注意：外力的正负号取决于坐标，与外力的正负号取决于坐标，与坐标轴同向为正，坐标轴同向为正，反之为负。反之为负。第5页，本讲稿共53页截面法求内力举例：截面法求内力举例：求杆求杆AB段和段和BC段的内力段的内力ABC2PPP11222PN1N22PP第6页，本讲稿共53页2、轴力与轴力图、轴力与轴力图拉压杆的内力称为轴力，用拉压杆的内力称为轴力，用 N 表示表示轴力沿横截面的分布图称为轴力图轴力沿横截面的分布图称
4、为轴力图第7页，本讲稿共53页N|N|max=100kN+-150kN100kN50kNNII=-100kN100kNIIIINIIIIIIII50kN100kNNI=50kNINII50kN第8页，本讲稿共53页2-3 2-3 应力的概念应力的概念 拉压杆横截面上的应力拉压杆横截面上的应力1、应力的概念、应力的概念为了描写内力的分布规律，我们将为了描写内力的分布规律，我们将单位面积的内力称为应力单位面积的内力称为应力。在某个截面上，在某个截面上，与该截面垂直的应力称为与该截面垂直的应力称为正应力正应力。与该截面平行的应力称为与该截面平行的应力称为剪应力剪应力。应力的单位：应力的单位：Pa工程
5、上经常采用兆帕（工程上经常采用兆帕（MPa）作单位）作单位第9页，本讲稿共53页2、拉压杆横截面上的应力、拉压杆横截面上的应力杆件在外力作用下不但产生内力，还使杆件发生变形杆件在外力作用下不但产生内力，还使杆件发生变形所以讨论横截面的应力时需要知道变形的规律所以讨论横截面的应力时需要知道变形的规律我们可以做一个实验我们可以做一个实验PPPP说明杆内纵向纤维的伸长量是相同的，或者说横说明杆内纵向纤维的伸长量是相同的，或者说横截面上每一点的伸长量是相同的截面上每一点的伸长量是相同的第10页，本讲稿共53页PN如果杆的横截面积为：如果杆的横截面积为：A根据前面的实验，我么可以得出结论，即横截面上根据
6、前面的实验，我么可以得出结论，即横截面上每一点存在相同的拉力每一点存在相同的拉力第11页，本讲稿共53页5kN|N|max=5kNN2kN1kN1kN+-f f20f f10f f302kN4kN6kN3kN113322做轴力图并求各个截面应力做轴力图并求各个截面应力第12页，本讲稿共53页f f20f f10f f302kN4kN6kN3kN第13页，本讲稿共53页例例1-1 图示矩形截面（图示矩形截面（b h）杆，已知）杆，已知b=2cm，h=4cm，P1=20 KN，P2=40 KN，P3=60 KN，求，求AB段和段和BC 段的应力段的应力ABCP1P2 P3P1N1压应力压应力 P3
7、N2压应力压应力第14页，本讲稿共53页例例1-2 图示为一悬臂吊车，图示为一悬臂吊车，BC为为实心圆管，横截面积实心圆管，横截面积A1=100mm2，AB为矩形截面，横截面积为矩形截面，横截面积A2=200mm2，假设起吊物重为，假设起吊物重为Q=10KN，求各杆的应力。，求各杆的应力。ABC首先计算各杆的内力：首先计算各杆的内力：需要分析需要分析B点的受力点的受力QF1F2第15页，本讲稿共53页ABCQF1F2BC杆的受力为拉力，大小等于杆的受力为拉力，大小等于F1AB杆的受力为压力，大杆的受力为压力，大小等于小等于F2由作用力和反作用力可知：由作用力和反作用力可知：最后可以计算的应力：
8、最后可以计算的应力：BC杆：杆：AB杆：杆：第16页，本讲稿共53页2-4 2-4 拉压杆斜截面上的应力拉压杆斜截面上的应力PPmm 为了考察斜截面上的应力，我们仍然利用截面法，即假想地为了考察斜截面上的应力，我们仍然利用截面法，即假想地用截面用截面 m-m 将杆分成两部分。并将右半部分去掉。将杆分成两部分。并将右半部分去掉。该截面的外法线用该截面的外法线用 n 表示，表示，n法线与轴线的夹角为：法线与轴线的夹角为：根据变形规律，杆内各纵向纤维变形相同，因此，斜截面上各点根据变形规律，杆内各纵向纤维变形相同，因此，斜截面上各点受力也相同。受力也相同。p设杆的横截面面积为设杆的横截面面积为A，A
9、则斜截面面积为：则斜截面面积为：由杆左段的平衡方程由杆左段的平衡方程这是斜截面上与轴这是斜截面上与轴线平行的应力线平行的应力第17页，本讲稿共53页npP下面我们将该斜截面上的应力分解为正应力和剪应力下面我们将该斜截面上的应力分解为正应力和剪应力斜截面的外法线仍然为斜截面的外法线仍然为 n，斜截面的切线设为斜截面的切线设为 t。t根据定义，根据定义，沿法线方向的应力为正应力沿法线方向的应力为正应力沿切线方向的应力为剪应力沿切线方向的应力为剪应力利用投影关系，利用投影关系，为横截面正应力为横截面正应力第18页，本讲稿共53页2-5 轴向拉压的变形分析轴向拉压的变形分析细长杆受拉会变长变细，细长杆
10、受拉会变长变细，受压会变短变粗受压会变短变粗dLPPd-D DdL+D DL长短的变化，沿轴线方向，称为纵长短的变化，沿轴线方向，称为纵向变形向变形粗细的变化，与轴线垂直，称为横向粗细的变化，与轴线垂直，称为横向变形变形第19页，本讲稿共53页PPPP1、纵向变形、纵向变形实验表明实验表明变形和拉力成正比变形和拉力成正比引入比例系数引入比例系数E，又拉压杆的轴力等于拉力，又拉压杆的轴力等于拉力第20页，本讲稿共53页E 体现了材料的性质，体现了材料的性质，称为材料的称为材料的拉伸弹性模量拉伸弹性模量，单位与应，单位与应力相同力相同称为胡克（虎克）定律称为胡克（虎克）定律显然，纵向变形与显然，纵
11、向变形与E 成反比，也与横截面积成反比，也与横截面积A 成反比成反比EA 称为抗拉刚度称为抗拉刚度为了说明变形的程度，令为了说明变形的程度，令称为纵向线应变，显然，伸长为正号，缩短称为纵向线应变，显然，伸长为正号，缩短为负号为负号第21页，本讲稿共53页也称为胡克定律也称为胡克定律称为胡克（虎克）定律称为胡克（虎克）定律第22页，本讲稿共53页2、横向变形、横向变形PPPP同理，令同理，令为横向线应变为横向线应变实验表明，对于同一种材料，存在如下关系：实验表明，对于同一种材料，存在如下关系：第23页，本讲稿共53页称为泊松比，是一个材料常数称为泊松比，是一个材料常数负号表示纵向与横向变负号表示
12、纵向与横向变形的方向相反形的方向相反最重要的两个材料弹性常数，可查表最重要的两个材料弹性常数，可查表第24页，本讲稿共53页2-6 2-6 拉伸压缩时材料的力学性能拉伸压缩时材料的力学性能由前面的讨论可知，杆件的应力与外力和构件的几何形状由前面的讨论可知，杆件的应力与外力和构件的几何形状有关，而杆件的变形却与材料的性质有关。有关，而杆件的变形却与材料的性质有关。因此，有必要研究材料的力学性能。这种研究可以通因此，有必要研究材料的力学性能。这种研究可以通过实验进行。过实验进行。1、低碳钢和铸铁、低碳钢和铸铁拉伸拉伸压缩压缩时的力学性能时的力学性能在工程上使用最广泛，力学性能最典型在工程上使用最广
13、泛，力学性能最典型第25页，本讲稿共53页#实验用试件实验用试件标点标点L0标距标距d0（1）材料类型材料类型：低碳钢低碳钢：灰铸铁灰铸铁：2标准试件标准试件：塑性材料的典型代表；塑性材料的典型代表；脆性材料的典型代表；脆性材料的典型代表；（2）标准试件标准试件：标距标距：用于测试的等截面部分长度；用于测试的等截面部分长度；尺寸符合国标的试件尺寸符合国标的试件；圆截面试件标距：圆截面试件标距：L0=10d0或或5d0第26页，本讲稿共53页#低碳钢拉伸实验曲线低碳钢拉伸实验曲线OPD D LPePpPsPb线弹性阶段线弹性阶段屈服阶段屈服阶段强化阶段强化阶段颈缩阶段颈缩阶段屈服极限屈服极限：强
14、度极限强度极限：冷作硬化冷作硬化延伸率延伸率：断面断面收缩率收缩率：弹性极限和比例极限弹性极限和比例极限PP,Pe第27页，本讲稿共53页a aE=tga aO1O2f1(f)低碳钢拉伸低碳钢拉伸应力应变曲线应力应变曲线D(s ss下下)(s se)BC(s ss上上)A(s sp)E(s sb)ga aEy=tga as s(MPa)200400e e0.10.2O低碳钢压缩低碳钢压缩应力应变曲线应力应变曲线第28页，本讲稿共53页s se eOs s bL灰铸铁的灰铸铁的拉伸曲线拉伸曲线s s by灰铸铁的灰铸铁的压缩曲线压缩曲线a aa a=45o55o剪应力引起断裂剪应力引起断裂第29
15、页，本讲稿共53页123Os se eA0.2%Ss s0.20.24102030e e(%)0100200300400500600700800900s s(MPa)其它塑性材料拉伸应力应变曲线其它塑性材料拉伸应力应变曲线第30页，本讲稿共53页塑性材料和脆性材料力学性能比较塑性材料和脆性材料力学性能比较塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料断裂前有很大塑性变形断裂前有很大塑性变形断裂前变形很小断裂前变形很小抗压能力与抗拉能力相近抗压能力与抗拉能力相近抗压能力远大于抗拉能力抗压能力远大于抗拉能力延伸率延伸率 5%延伸率延伸率 5%可承受冲击载荷，适合于锻压可承受冲击载荷，适合于锻压和冷加工和冷加工适
16、合于做基础构件或外壳适合于做基础构件或外壳材料的塑性和脆性会因为制造方法工艺条件的改材料的塑性和脆性会因为制造方法工艺条件的改变而改变变而改变第31页，本讲稿共53页2-7 2-7 轴向拉伸压缩时的强度计算轴向拉伸压缩时的强度计算1、材料的极限应力、材料的极限应力塑性材料为屈服极限塑性材料为屈服极限 脆性材料为强度极限脆性材料为强度极限 材料的极限应力是指保证正常工作条件下，该材料所能承受材料的极限应力是指保证正常工作条件下，该材料所能承受的最大应力值。的最大应力值。所谓正常工作，一是不变形，二是不破坏。所谓正常工作，一是不变形，二是不破坏。第32页，本讲稿共53页屈服极限屈服极限强度极限强度
17、极限A3 钢：钢：235 MPa372-392 MPa 35 钢：钢：31452945 钢：钢：353598 16Mn：343510第33页，本讲稿共53页2、工作应力、工作应力？工程实际中是否允许工程实际中是否允许不允许！不允许！前面讨论杆件轴向拉压时截面的应力是构件的实际前面讨论杆件轴向拉压时截面的应力是构件的实际应力应力工作应力。工作应力。工作应力仅取决于外力和构件的几何尺寸。只工作应力仅取决于外力和构件的几何尺寸。只要外力和构件几何尺寸相同，不同材料做成的构要外力和构件几何尺寸相同，不同材料做成的构件的工作应力是相同的。件的工作应力是相同的。对于同样的工作应力，为什麽有的构件破坏、对于
18、同样的工作应力，为什麽有的构件破坏、有的不破坏？显然这与材料的性质有关。有的不破坏？显然这与材料的性质有关。第34页，本讲稿共53页原因：原因：#实际与理想不相符实际与理想不相符生产过程、工艺不可能完全符合要求生产过程、工艺不可能完全符合要求对外部条件估计不足对外部条件估计不足数学模型经过简化数学模型经过简化某些不可预测的因素某些不可预测的因素#构件必须适应工作条件的变化，要有强度储备构件必须适应工作条件的变化，要有强度储备#考虑安全因素考虑安全因素许用应力许用应力第35页，本讲稿共53页一般来讲一般来讲因为断裂破坏比屈服破坏因为断裂破坏比屈服破坏更危险更危险3 3、许用应力、许用应力第36页
19、，本讲稿共53页4 4、强度条件、强度条件工作应力工作应力轴力轴力横截面积横截面积材料的许用应力材料的许用应力第37页，本讲稿共53页5 5、强度条件的工程应用、强度条件的工程应用#已知已知 N 和和 A，可以校核强度，即考察是否，可以校核强度，即考察是否#已知已知 N 和和，可以设计构件的，可以设计构件的 截面截面A（几何形状）（几何形状）#已知已知A和和，可以确定许可载荷，可以确定许可载荷 （N P）三个方面的应用三个方面的应用第38页，本讲稿共53页举例举例例1 上料小车，每根钢丝绳的拉力Q=105kN，拉杆的面积A=60100mm2 材 料为Q235钢，安全系数n=4。试校核拉杆的强度
20、。由于钢丝绳的作用，拉由于钢丝绳的作用，拉杆轴向受拉，每根拉杆杆轴向受拉，每根拉杆的轴力的轴力横截面积横截面积NN第39页，本讲稿共53页根据强度条件，有根据强度条件，有查表，查表，Q235号钢的屈服极限为号钢的屈服极限为许用应力许用应力拉杆符合强度要求拉杆符合强度要求第40页，本讲稿共53页这是一个设计拉杆截面的问题，根据这是一个设计拉杆截面的问题，根据首先需要计算拉杆的轴力首先需要计算拉杆的轴力第41页，本讲稿共53页对结构作受力分析，利用静力平衡条件求出最大轴力对结构作受力分析，利用静力平衡条件求出最大轴力G+QNBCNBA最大轴力出现在点葫芦最大轴力出现在点葫芦位于位于B第42页，本讲
21、稿共53页求圆钢杆求圆钢杆BC 的直径的直径可以选取可以选取第43页，本讲稿共53页 例例3 一起重用吊环，侧臂一起重用吊环，侧臂AC和和AB有两个横截面为矩形的锻钢杆构有两个横截面为矩形的锻钢杆构成。成。h=120mm,b=36mm,许用应力为许用应力为80MPa。求吊环的最大起重。求吊环的最大起重量量。问题是确定载荷问题是确定载荷先求出侧臂所能承先求出侧臂所能承受的最大内力，再受的最大内力，再通过静力平衡条件通过静力平衡条件确定吊环的载荷确定吊环的载荷第44页，本讲稿共53页NN静力平衡条件静力平衡条件第45页，本讲稿共53页2-8 2-8 应力集中的概念应力集中的概念构件内局部区域应力突
22、然增大的构件内局部区域应力突然增大的现象称为应力集中现象称为应力集中由于结构的需要，构件的截面尺寸由于结构的需要，构件的截面尺寸往往会突然变化，例如开孔、沟槽、往往会突然变化，例如开孔、沟槽、肩台和螺纹等，局部的应力不再均肩台和螺纹等，局部的应力不再均匀分布而急剧增大匀分布而急剧增大第46页，本讲稿共53页应力集中系数应力集中系数平均应力平均应力第47页，本讲稿共53页课堂练习课堂练习第48页，本讲稿共53页1、拉伸试验机原理如图所示，假设试验机的、拉伸试验机原理如图所示，假设试验机的CD杆与试件杆与试件AB的材料同为低碳钢，且的材料同为低碳钢，且 ，试验机最大拉力为试验机最大拉力为 100
23、kN，（1）利用该试验机做拉断试验时，）利用该试验机做拉断试验时，试件直径最大可达多少？试件直径最大可达多少？（2）若试验机的安全系数为）若试验机的安全系数为 n=2，则则CD杆的横截面积为多大？杆的横截面积为多大？（3）若试件直径为）若试件直径为 d=10 mm，现，现测量其弹性模量测量其弹性模量E，则所加载荷最大，则所加载荷最大值为多少？值为多少？ABCD第49页，本讲稿共53页ABCD1、拉断：、拉断：采用强度极限采用强度极限2、CD杆不变形：杆不变形：采用屈服极限采用屈服极限第50页，本讲稿共53页3、在线弹性范围在线弹性范围：采用比例极限采用比例极限ABCD载荷不能超过载荷不能超过 15.7 kN第51页，本讲稿共53页BCDFP2、设横梁、设横梁CF为刚性，为刚性，BC为铜杆，为铜杆，DF为钢杆，两杆长度分别为为钢杆，两杆长度分别为l1、l2，横截面积为，横截面积为A1、A2，弹性模量为，弹性模量为E1、E2，如果要求，如果要求CF始终保持始终保持水平，试确定水平，试确定x。保持水平的含义是两根拉保持水平的含义是两根拉杆的变形量、即伸长量相杆的变形量、即伸长量相同同第52页，本讲稿共53页BCDPPF对横梁做受力分析对横梁做受力分析两根拉杆均为二力杆两根拉杆均为二力杆O第53页，本讲稿共53页