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1、材料力学材料力学 Mechanics of Materials 研究物体上的力、物研究物体上的力、物体在力作用下的力学体在力作用下的力学行为（响应）、行为（响应）、响应响应机理以及力与机理以及力与响应响应之之间的关系间的关系物物理理学学力力学学理论力学理论力学。多刚体力学多刚体力学分析力学分析力学一般力学一般力学材料力学材料力学弹性力学弹性力学。断裂力学断裂力学固体力学固体力学材料力学是固体力学材料力学是固体力学的重要分支之一。的重要分支之一。第四章第四章 材料力学概述材料力学概述4.1.1 材料力学研究内容材料力学研究内容。计算流体计算流体 动力学动力学流体力学流体力学流体力学流体力学材料力
2、学材料力学 Mechanics of Materials 第四章第四章 材料力学概述材料力学概述4.1.1 材料力学研究内容材料力学研究内容w 材料力学的研究分属两个学科。第一个是材料力学的研究分属两个学科。第一个是固体力学固体力学，研究物体在外力作用下的研究物体在外力作用下的应力、变形、能量应力、变形、能量，统称，统称应力应力分析分析；第二个学科是；第二个学科是材料科学材料科学，研究材料在外力和温度，研究材料在外力和温度作用下的作用下的力学性能力学性能和和失效行为失效行为。w 材料力学研究的是材料的材料力学研究的是材料的宏观力学行为宏观力学行为，不涉及材，不涉及材料的微观机理。料的微观机理。
3、w 以上两个方面的结合保证了设计的零部件具有足够以上两个方面的结合保证了设计的零部件具有足够的的强度、刚度、稳定性强度、刚度、稳定性。材料力学材料力学 Mechanics of Materials 第四章第四章 材料力学概述材料力学概述4.1.2 材料力学发展史材料力学发展史伽利略伽利略 (1564-1642)(1564-1642)意大利意大利天文学家天文学家、力学家力学家、哲学家哲学家。伽利略是第一个把实验引进力学的伽利略是第一个把实验引进力学的科学家科学家 。他他得到了摆的等时性定律，得到了摆的等时性定律，自由落体定律自由落体定律 ，提出加速度的概念提出加速度的概念。材料力学材料力学 Me
4、chanics of Materials 第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.1.2 材料力学发展史材料力学发展史罗伯特罗伯特胡克胡克（1635-1703）1717世纪世纪英国英国最杰出的科学家之一最杰出的科学家之一。他是英国著名的他是英国著名的物理学家和天文学家物理学家和天文学家，在光学在光学、天文学天文学、生物学等方生物学等方面都有重大成绩面都有重大成绩，在力学方面的贡献更是卓越在力学方面的贡献更是卓越，是早，是早期探索万有引力的科学家之一期探索万有引力的科学家之一，并发现了有名的并发现了有名的弹性弹性定律定律。他的他的显微图集显微图集首次显示首次显示了动植物了动植物和矿物的显和矿
5、物的显微结构微结构，并引入了并引入了“细胞细胞”一词一词。材料力学材料力学 Mechanics of Materials 我国我国东汉东汉的经学家的经学家郑玄郑玄（公元（公元127127200200），在注释考工记），在注释考工记 弓人弓人中中“量量其力，有三均其力，有三均”这句话时，写下了这句话时，写下了“假假令弓力胜三石，引之中三尺，弛其弦，令弓力胜三石，引之中三尺，弛其弦，以绳缓擐之，每加物一石，则张一尺以绳缓擐之，每加物一石，则张一尺”。比胡克早比胡克早15001500年提出力与变形成正比年提出力与变形成正比。第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.1.2 材料力学发展史材料力学发
6、展史材料力学材料力学 Mechanics of Materials 拉格朗日拉格朗日（17361813）意大利意大利他用纯分析的方法发展了欧拉所开他用纯分析的方法发展了欧拉所开他用纯分析的方法发展了欧拉所开他用纯分析的方法发展了欧拉所开创的变分法，为变分法奠定了理论基础。创的变分法，为变分法奠定了理论基础。创的变分法，为变分法奠定了理论基础。创的变分法，为变分法奠定了理论基础。把力学体系的运动方程从以力为基本概念把力学体系的运动方程从以力为基本概念把力学体系的运动方程从以力为基本概念把力学体系的运动方程从以力为基本概念的牛顿形式，改变为以能量为基本概念的的牛顿形式，改变为以能量为基本概念的的牛
7、顿形式，改变为以能量为基本概念的的牛顿形式，改变为以能量为基本概念的分析力学形式，分析力学形式，分析力学形式，分析力学形式，奠定了分析力学的基础奠定了分析力学的基础奠定了分析力学的基础奠定了分析力学的基础。第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.1.2 材料力学发展史材料力学发展史材料力学材料力学 Mechanics of Materials 铁摩辛柯铁摩辛柯(18781972)美籍俄罗斯美籍俄罗斯力学家。力学家。材料力学材料力学材料力学材料力学 第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.1.2 材料力学发展史材料力学发展史材料力学材料力学 Mechanics of Materials
8、生产的发展，新型建筑物、运生产的发展，新型建筑物、运输工具、机械的发明与使用，输工具、机械的发明与使用，冶金工业的发展、新材料的出冶金工业的发展、新材料的出现与应用，促使材料力学成为现与应用，促使材料力学成为一门科学。一门科学。十八世纪以后十八世纪以后第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.1.2 材料力学发展史材料力学发展史材料力学材料力学 Mechanics of Materials 第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.1.3 材料力学的任务材料力学的任务 利利用用力力学学原原理理来来分分析析构构件件或或简简单单结结构构的的内内力力、变变形形等等力力学学行行为为，根根据据失失效
9、效准准则则（failure criterion）对对杆杆，轴轴，梁梁等等构构件件进进行行设设计计，使使它它们们能能满满足足强强度度，刚刚度度和和稳定性稳定性要求，这就是材料力学的任务。要求，这就是材料力学的任务。强度强度：指构件在外力作用下，不发生断裂或过量塑性变形的能力：指构件在外力作用下，不发生断裂或过量塑性变形的能力刚度刚度：外力作用下，构件弹性变形或位移不超过工程允许范围的能力：外力作用下，构件弹性变形或位移不超过工程允许范围的能力稳定性稳定性：构件在某些受力形式下（如轴向压力）下，其平衡形式不发：构件在某些受力形式下（如轴向压力）下，其平衡形式不发 生转变的能力。生转变的能力。材料力
10、学材料力学 Mechanics of Materials 外荷载过大时可能导致构件丧失工作能力外荷载过大时可能导致构件丧失工作能力，称为称为失效失效。第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.1.3 材料力学的任务材料力学的任务失效的三种形式失效的三种形式：强度失效、刚度失效、稳定失效强度失效、刚度失效、稳定失效强度失效强度失效：构件在外力作用下，发生不可恢复的塑性变形或断裂：构件在外力作用下，发生不可恢复的塑性变形或断裂刚度失效刚度失效：构件在外力作用下，产生过量的弹性变形：构件在外力作用下，产生过量的弹性变形稳定失效稳定失效：构件在外力作用下，其平衡形式发生突然改变：构件在外力作用下，其
11、平衡形式发生突然改变材料力学材料力学 Mechanics of Materials 材料性质材料性质均匀化均匀化处理处理材料学中将晶粒、纤维和分子长链材料学中将晶粒、纤维和分子长链称为材料的称为材料的基本组织单元基本组织单元，其尺寸其尺寸远远小于相应宏观构件的尺寸远远小于相应宏观构件的尺寸。材。材料微观结构具有不均匀和不连续性，料微观结构具有不均匀和不连续性，基本组织单元也会表现出各向异性。基本组织单元也会表现出各向异性。第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.2 材料的基本假定材料的基本假定 由由于于宏宏观观结结构构由由无无数数个个随随机机排排列列的的基基本本组组织织单单元元组组成成，其
12、其性性能能可可采用采用统计平均值统计平均值作作均匀化均匀化处理。处理。材料力学材料力学 Mechanics of Materials 多数工程用金属和建筑材料符合上述假设。多数工程用金属和建筑材料符合上述假设。但明显的宏观但明显的宏观非均匀非均匀(如夹层材料如夹层材料)、非连续、非连续(如大空隙松散材料如大空隙松散材料)及各向及各向异性异性(如木材，复合材料如木材，复合材料)材料，大变形情况除外。材料，大变形情况除外。基本假设基本假设1 均质性均质性(Homogeneous)(Homogeneous)材料在其所占有空间内各处具有相同材料在其所占有空间内各处具有相同的物质和相同的物质结构特性；的
13、物质和相同的物质结构特性；2连续性连续性 (Continuity)(Continuity)材料在其所占有空间内充满物质，即材料在其所占有空间内充满物质，即内部结构密实；内部结构密实；3各向同性各向同性(Isotropic)(Isotropic)材料在其所占有空间内各方向具有相材料在其所占有空间内各方向具有相同的力学性质；同的力学性质；4小变形小变形 (Small Deformation)(Small Deformation)构件的变形远小于构件的原始构件的变形远小于构件的原始尺寸。尺寸。小变形可使问题线性化或简化计算。小变形可使问题线性化或简化计算。第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.
14、2 材料的基本假定材料的基本假定材料力学材料力学 Mechanics of Materials 第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.3 弹性体受力与变形特征弹性体受力与变形特征弹性体受力变形后，内部产生相互作用的内力，这种力不同于物体弹性体受力变形后，内部产生相互作用的内力，这种力不同于物体内部的固有内力，是一种由变形而产生的附加内力，利用假想截面内部的固有内力，是一种由变形而产生的附加内力，利用假想截面将弹性体截开，这种附加内力可以显示出来。将弹性体截开，这种附加内力可以显示出来。IIIIII材料力学材料力学 Mechanics of Materials 第四章第四章 材料力学概述材
15、料力学概述 4.3 弹性体受力与变形特征弹性体受力与变形特征w第一特征第一特征：作用在每一部分上的外力必须与截面上分布内力相平衡。：作用在每一部分上的外力必须与截面上分布内力相平衡。这说明，弹性体由变形引起的这说明，弹性体由变形引起的内力不是任意内力不是任意的。的。w第二特征第二特征：弹性体受力后的：弹性体受力后的变形不是任意变形不是任意的，必须满足协调一致的的，必须满足协调一致的要求。要求。截面法截面法：应用假想截面将弹性体截开，分成两部分，考虑其中任意一应用假想截面将弹性体截开，分成两部分，考虑其中任意一部分平衡，从而确定横截面上内力的方法。部分平衡，从而确定横截面上内力的方法。材料力学材
16、料力学 Mechanics of Materials 一、拉伸（或压缩）一、拉伸（或压缩）：由大小相等、方向相反、作用线与杆件轴线：由大小相等、方向相反、作用线与杆件轴线重合的一对外力引起。使杆件产生轴向伸长（或压缩）变形。重合的一对外力引起。使杆件产生轴向伸长（或压缩）变形。第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.4 杆件的受力与变形形式杆件的受力与变形形式杆件变形形式杆件变形形式轴向拉伸（或压缩）、剪切、扭转、弯曲、组合变形轴向拉伸（或压缩）、剪切、扭转、弯曲、组合变形FF拉拉力力拉伸情况图拉伸情况图材料力学材料力学 Mechanics of Materials 第四章第四章 材料力学
17、概述材料力学概述 4.4 杆件的受力与变形形式杆件的受力与变形形式二、剪切二、剪切：由大小相等，方向相反，相互平行，沿垂直于杆轴线横向：由大小相等，方向相反，相互平行，沿垂直于杆轴线横向作用的一对外力引起。使杆件的两部分沿外力作用方向发生相对错动作用的一对外力引起。使杆件的两部分沿外力作用方向发生相对错动的变形。的变形。FF外外力力材料力学材料力学 Mechanics of Materials 第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.4 杆件的受力与变形形式杆件的受力与变形形式三、扭转三、扭转：由大小相等，转向相反，作用面垂直于杆轴的两个力偶引：由大小相等，转向相反，作用面垂直于杆轴的两个
18、力偶引起。使杆件的任意两个横截面发生绕轴线的相对转动。起。使杆件的任意两个横截面发生绕轴线的相对转动。TT力力偶偶材料力学材料力学 Mechanics of Materials 四、弯曲四、弯曲：由垂直于杆件轴线的横向力，或者由作用于包含杆：由垂直于杆件轴线的横向力，或者由作用于包含杆轴纵平面内的一对大小相等、方向相反的力偶引起。使杆件发轴纵平面内的一对大小相等、方向相反的力偶引起。使杆件发生弯曲变形。生弯曲变形。第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.4 杆件的受力与变形形式杆件的受力与变形形式MM力力偶偶弯曲变形弯曲变形材料力学材料力学 Mechanics of Materials 第
19、四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.4 杆件的受力与变形形式杆件的受力与变形形式五、组合变形五、组合变形：由上述变形两种或两种以上共同作用形成的受力与变形。：由上述变形两种或两种以上共同作用形成的受力与变形。TTFF拉杆（简称杆）拉杆（简称杆）：工程上承受拉伸的构件：工程上承受拉伸的构件压杆压杆：承受压力的杆件：承受压力的杆件轴轴：承受扭转或主要承受扭转的构件：承受扭转或主要承受扭转的构件梁梁：承受弯曲的杆件：承受弯曲的杆件材料力学材料力学 Mechanics of Materials 第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.5 应力应力 应力应力：分布内力在截面内一点的：分布内力在
20、截面内一点的密集程度（或称之为分布内力在密集程度（或称之为分布内力在一点的集度）。一点的集度）。正应力正应力：作用线垂直于截面的应力作用线垂直于截面的应力，用字母用字母表示。表示。剪应力剪应力：作用线位于截面内的应力：作用线位于截面内的应力称为，用字母称为，用字母表示。表示。应力的单位为应力的单位为Pa或或MPaP1 P2AMD DFRFS一般规定：拉应力为正；压应力为负一般规定：拉应力为正；压应力为负.材料力学材料力学 Mechanics of Materials 第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.5 应力应力P1 P2AMD DFRFS应力可以用极限表达：应力可以用极限表达：极限
21、式仅为说明概念而用，在计算应力中没有实际意义。极限式仅为说明概念而用，在计算应力中没有实际意义。材料力学材料力学 Mechanics of Materials 第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.6 应力与内力分量之间的关系应力与内力分量之间的关系P1 P2AMD DFRFS内力内力：截面上应力与其作用的微元面积的：截面上应力与其作用的微元面积的乘积。乘积。通过积分建立微元面积上内力与内力分量通过积分建立微元面积上内力与内力分量之间的关系：之间的关系：材料力学材料力学 Mechanics of Materials 第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.7 应变应变正应变：正应变：
22、对于正应力作用下的微元体，沿着正应力方向和垂直于正应对于正应力作用下的微元体，沿着正应力方向和垂直于正应力方向将产生伸长和缩短，这种变形称为线变形。描述线变形程度的力方向将产生伸长和缩短，这种变形称为线变形。描述线变形程度的量称之为量称之为正应变（或线应变正应变（或线应变），用字母），用字母x（x表示应变方向）表示应变方向）表示。表示。dx为变形前微元体正应力方向的长度，为变形前微元体正应力方向的长度，du为微元体变形后相距为微元体变形后相距dx的两的两截面沿正应力方向的相对位移。截面沿正应力方向的相对位移。材料力学材料力学 Mechanics of Materials 剪应变：剪应变：剪切作
23、用下微元将发生剪切变形，剪切变形程度用微元体直剪切作用下微元将发生剪切变形，剪切变形程度用微元体直角的改变量度量，这种改变量称为剪应变（或切应变），用字母角的改变量度量，这种改变量称为剪应变（或切应变），用字母表表示。示。第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.7 应变应变单位为单位为rad一般规定：拉应变为正；压应变为负一般规定：拉应变为正；压应变为负.材料力学材料力学 Mechanics of Materials 第四章第四章 材料力学概述材料力学概述 4.8 应力与应变之间关系应力与应变之间关系E为弹性模量（或杨氏模量）为弹性模量（或杨氏模量）,常用单位为常用单位为GPaG为切变模量为切变模量若在弹性范围内加载，对于只承受单方向正应力或剪应力的微元若在弹性范围内加载，对于只承受单方向正应力或剪应力的微元体，应力与应变之间存在线性关系，即满足：体，应力与应变之间存在线性关系，即满足：以上两式统称为以上两式统称为胡克定律胡克定律