机械设计基础 教学课件 作者 李立机械设计基础(0-4)第4章强度设计.ppt

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1、教学目标重点难点教学内容小结作业第四章材料的力学性能与强度设计教学目标教学目标：1.明确材料常用力学性能的意义及指标；2.掌握构件的失效形式及设计准则；3.具有构件强度设计的能力；首页4.1材料的力学性能4.2材料失效与构件失效4.3杆件的强度设计首页教学内容重点：杆件的强度设计。难点：材料和构件的失效分析。首页重点难点4.1材料的力学性能材料的力学性能4.1.1金属材料拉压时的力学性能所谓材料的力学性能，就是材料在受力过程中在强度和变形方面所表现出的性能。材料的力学性能都是通过实验得出的。实验不仅是确定材料的力学性质的唯一方法，而且也是建立理论和验证理论的重要手段。低碳钢和铸铁在一般

2、工程中应用比较广泛，它们在拉伸或压缩时的力学性质也比较典型，故本节主要介绍这两种材料在常温（就是指室温）、静载（就是指加载速度缓慢平稳）情况下的力学性能。1.材料拉伸时的力学性能在材料实验中，静力拉伸和压缩实验是最简单和最重要的，因此我们以此为例说明试验过程。拉伸试验前，把材料做成具有一定形状和尺寸的标准试件，如图4-1所示。对于圆形截面的试样，其工作长度（标距）与横截面直径的比例定为：（短试件），（长试件）；对于横截面积为的矩形截面试样，则规定：或。试验时，将试件的两端装卡在试验机的上、下夹头里，然后对它施以缓慢增加的拉力，直到把试件拉断为止。材料的力学性能工作长度d工作长度面积图4

3、-1试件材料的力学性能返回在试件受力的过程中，随着拉力F的增加，试件的变形（伸长）也逐渐增加。在试验机测力表盘上可以读出一系列的拉力值，同时可测出各时刻的拉力F与标距l值相对应的变形△l为横坐标，根据记录下来的数据，就可描出与每对F、△l值对应的点，连接个点，即可得到表示拉力F与绝对变形△l关系的图线——拉伸图。以Q235钢为例，来讨论低碳钢的力学性质。图4-2(a)是低碳钢的拉伸图。试件的拉伸图与试件的几何尺寸有关。为了消除试件几何尺寸的影响，可改用应力、应变分别作纵坐标和横坐标，得到的是应力与应变关系曲线。此曲线称为应力—应变图或σ-ε图，如图4-2(b)所示（1）低碳钢拉伸时的力

4、学性质σbσeσpσsa´a(a)(b)图4-2拉伸曲线Oghfcb材料的力学性能o材料的力学性能从图中可以看出oa是直线，说明oa范围内应力与应变成正比，即与a点对应的应力，即应力―应变成正比的最高应力值，称为材料的比例极限，以表示。可见只有当应力低于比例极限时，胡克定律才成立。Q235钢的比例极限约为200MPa。下面将图分成四个阶段加以讨论。①弹性阶段在阶段内，材料的变形是弹性的。段已经不再保持直线，但当小于点的应力时，如果卸去外力，使应力逐渐减小到零，则相应的应变也随之完全消失。所以阶段称为弹性阶段。与点对应的应力称为弹性极限。由于弹性极限与比例极限非常接近，所以实际应用中将和

5、视为同一点，常近似的认为在弹性范围内材料服从胡克定律。②屈服阶段当应力达到b点的相应值时，在应力-应变图上出现一段近似水平的“锯齿”应力不再增加而应变却在急剧地增加，材料暂时失去了抵抗变形的能力。这种现象一直延续到c点。材料的力学性能如果试件是经过抛光的，这时便可以看到试件表面出现许多与试件轴线成45度角的条纹（图4-3a），这些条纹称为滑移线。一般认为，这些条纹是材料内部的晶粒沿最大剪应力方向相互错动引起的。这阶段应力几乎不变，应变却不断增加，从而产生明显变形的现象，称为屈服现象，bc阶段称为屈服阶段。相应与b点的应力值称为上屈服点，在应力波动中，应力下降到的最低值称为下屈服点。一般

6、规定下屈服点作为材料的屈服点，以表示。Q235钢的屈服极限约为。在这一阶段，如果卸载，将出现不能消失的塑性变形。这在工程中一般是不允许的。所以屈服点是衡量材料强度的一个重要指标材料的力学性能经过屈服阶段以后，从c点开始曲线又逐渐上升，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形，必须增加应力。这种现象称为材料的强化。从c点至d点称为强化阶段。曲线的最高点d所对应的应力称为强度极限，以σb表示。Q235钢的强度极限约为400MPa。强度极限是衡量材料强度的另一个重要指标。图4-3材料屈服现象材料的力学性能③强化阶段④颈缩阶段在强度极限前试件的变形是均匀的。在强度极限后，即应力达到σb，变形

7、集中在试件的某一局部，纵向变形显著增加，横截面面积显著减小，出现所谓颈缩现象（图5-3b），试件迅速被拉断。试件拉断后，弹性变形消失了，只剩下残余变形。残余变形标志着材料的塑性。工程中常用伸长率表示材料的塑性，即材料的力学性能式中l1为试件拉断后的标距。对长试件一般把的材料称为塑性材料，把的材料称为脆性材料。另外还可以用截面收缩率ψ来说明材料的塑性，即式中的A1为试件断口处的最小截面面积，为试件的原始截面面积。显示，材料的塑性越大，其δ、ψ值也