机械基础急回特性教案省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第三章第三章 直杆基本变形直杆基本变形 直杆在外载作用下会发生变形常见基本变形有直杆在外载作用下会发生变形常见基本变形有拉伸和压缩、剪切与挤压、弯曲变形、扭转和组合变形。在外载荷作用下，杆件将发生变形，产生应力。外载荷越大，产生内应力也越大。以抗拉强度来作为构件所能承受最大拉应力，简称强度极限。塑性材料以屈服阶段极限应力作为计算依据。零件抵抗破坏能力，称为强度。零件抵抗变形能力，称为刚度。学习基本变形、应力、基本变形、应力、强度是为了确保材料含有足够使用寿命。第1页一、一、一、一、轴向拉伸与压缩时变形特点轴向拉伸与压缩时变形特点试验：试验：试验：试验：FFabcd第2页1.1.变形现象变形现象变形现象变形现象横向线横向线ab和和cd仍为直线，且依然垂直于轴线仍为直线，且依然垂直于轴线;结论：各纤维伸长相同，所以它们所受力也相同。结论：各纤维伸长相同，所以它们所受力也相同。2.2.平面假设平面假设平面假设平面假设 变形前原为平面横截面，在变形后仍保持为平面，且仍垂直变形前原为平面横截面，在变形后仍保持为平面，且仍垂直 于轴线。于轴线。二、内力与应力二、内力与应力二、内力与应力二、内力与应力1.1.内力分布内力分布内力分布内力分布均匀分布均匀分布F FN第3页轴向拉压杆横截面上正应力计算公式。轴向拉压杆横截面上正应力计算公式。2.2.应力计算公式：应力计算公式：应力计算公式：应力计算公式：拉压杆横截面上各点处只产生正应力，且正应力在截面上均匀分布拉压杆横截面上各点处只产生正应力，且正应力在截面上均匀分布。式中：式中：为横截面上正应力；为横截面上正应力；FN为横截面上轴力；为横截面上轴力；A为横截面面积。为横截面面积。正应力正应力 正负号要求为：拉应力为正，压应力为负。正负号要求为：拉应力为正，压应力为负。公式使用条件：公式使用条件：公式使用条件：公式使用条件：轴向拉压杆。轴向拉压杆。F FN第4页例例3-13-1 如图所表示圆截面杆，直径如图所表示圆截面杆，直径 ,拉力拉力 试求杆横截面上最大正应力。试求杆横截面上最大正应力。解解（1 1）作轴力图）作轴力图（2 2）计算杆最大正应力）计算杆最大正应力 因为杆轴力为常数，但中间一段因开槽而使截因为杆轴力为常数，但中间一段因开槽而使截面面积减小，故杆危险截面应在开槽段，即最大面面积减小，故杆危险截面应在开槽段，即最大正应力发生在该段，将槽对杆横截面面积减弱量正应力发生在该段，将槽对杆横截面面积减弱量近似看作矩形，开槽段横截面面积为近似看作矩形，开槽段横截面面积为杆最大正应力为杆最大正应力为:第5页3-2 3-2 拉伸和压缩时材料力学性质拉伸和压缩时材料力学性质力学性能力学性能(机械性能机械性能):):指材料在外力作用下，在变形和强度指材料在外力作用下，在变形和强度方面所表现出来特征。方面所表现出来特征。试验条件：试验条件：常温常温(20)(20)，静载（均匀迟缓地加载）。，静载（均匀迟缓地加载）。拉伸试件：拉伸试件：对圆形截面试样要求对圆形截面试样要求:或或对于横截面积为对于横截面积为A矩形截面试样，则要求矩形截面试样，则要求:dh压缩试件：压缩试件：国家标准金属拉伸试验方法（如国家标准金属拉伸试验方法（如GB22887）标准试件：标准试件：第6页试验设备：试验设备：试验设备：试验设备：万能材料试验机。万能材料试验机。万能材料试验机。万能材料试验机。塑性材料：塑性材料：断裂前产生断裂前产生较大塑性变形材料较大塑性变形材料,如如低碳钢等。低碳钢等。脆性材料：脆性材料：断裂前塑性断裂前塑性变形很小材料，如铸铁、变形很小材料，如铸铁、石料。石料。低碳钢：低碳钢：指含碳量指含碳量0.3%以下碳素钢。以下碳素钢。3-2 3-2 拉伸和压缩时材料力学性质拉伸和压缩时材料力学性质第7页低碳钢低碳钢Q235Q235拉伸图拉伸图（Fl 曲线曲线)一一.低碳钢拉伸时力学性能低碳钢拉伸时力学性能3-2 3-2 拉伸和压缩时材料力学性质拉伸和压缩时材料力学性质第8页低碳钢低碳钢Q235Q235拉伸时拉伸时应力应力应变曲线图应变曲线图（-曲线曲线）3-2 3-2 拉伸和压缩时材料力学性质拉伸和压缩时材料力学性质第9页低碳钢低碳钢Q235Q235拉伸时拉伸时应力应力应变曲线图应变曲线图（-曲线曲线）3-2 拉伸和压缩时材料力学性质拉伸和压缩时材料力学性质第10页低碳钢应力低碳钢应力低碳钢应力低碳钢应力应变曲线可分成四个阶段：应变曲线可分成四个阶段：应变曲线可分成四个阶段：应变曲线可分成四个阶段：弹性阶段：弹性阶段：弹性阶段：弹性阶段：由直线段由直线段oa 和微弯段和微弯段ab 组成。组成。oa 段称为段称为百百分比分比阶段或阶段或线弹性线弹性阶段。在此阶段内，材料阶段。在此阶段内，材料服从胡克定律服从胡克定律，即即 =E 适用，适用，a点所对应应力值称为材料点所对应应力值称为材料百分比极限百分比极限，并以并以“p”表示。表示。曲线曲线ab段称为非线弹性阶段，只要应力不超出段称为非线弹性阶段，只要应力不超出b点，点，材料变形仍是弹性变形，所以材料变形仍是弹性变形，所以b点对应应力称为点对应应力称为弹性极限弹性极限，以以“e”表示。表示。屈服阶段：屈服阶段：屈服阶段：屈服阶段：bc段近似水平，应力几乎不再增加，而变形段近似水平，应力几乎不再增加，而变形却增加很快，表明材料暂时失去了抵抗变形能力。这种却增加很快，表明材料暂时失去了抵抗变形能力。这种现象称为现象称为屈服现象屈服现象或或流动现象流动现象。bc段最低点对应应力称段最低点对应应力称为为屈服极限屈服极限或或屈服点屈服点，以，以“s”表示。表示。Q235屈服点屈服点 s=235MPa。3-2 拉伸和压缩时材料力学性质拉伸和压缩时材料力学性质第11页3-2 3-2 拉伸和压缩时材料力学性质拉伸和压缩时材料力学性质在屈服阶段，假如试样表面光滑，试样表面将出现与在屈服阶段，假如试样表面光滑，试样表面将出现与轴线约成轴线约成45斜线斜线，称为，称为滑移线滑移线滑移线滑移线。这是因为在。这是因为在45斜面上存斜面上存在最大切应力，材料内部晶粒沿该截面相互滑移造成。在最大切应力，材料内部晶粒沿该截面相互滑移造成。工程上普通不允许构件发生塑性变形，并工程上普通不允许构件发生塑性变形，并把塑性变形作把塑性变形作为塑性材料失效标志为塑性材料失效标志，所以屈服极限，所以屈服极限 s是衡量材料强度主要是衡量材料强度主要指标。指标。第12页。3-2 3-2 拉伸和压缩时材料力学性质拉伸和压缩时材料力学性质强化阶段：强化阶段：强化阶段：强化阶段：过了屈服阶段，材料又恢复了抵抗变形能力，要过了屈服阶段，材料又恢复了抵抗变形能力，要使试件继续变形必须再增加载荷，这种现象称为材料强化，故使试件继续变形必须再增加载荷，这种现象称为材料强化，故 -曲线图中曲线图中 ce 段称为强化阶段，最高点段称为强化阶段，最高点e 点所对应应力称点所对应应力称为材料拉伸为材料拉伸强度极限强度极限或或抗拉强度抗拉强度，以，以“b”表示。它是材料所表示。它是材料所能承受最大应力，所以能承受最大应力，所以 b是衡量材料强度另一个主要指标。是衡量材料强度另一个主要指标。Q235强度极限强度极限 。颈缩阶段：颈缩阶段：颈缩阶段：颈缩阶段：载荷到达最高值后，能够看到在试件某一局部范载荷到达最高值后，能够看到在试件某一局部范围内横截面快速收缩变细，形成颈缩现象。应力应变曲线图中围内横截面快速收缩变细，形成颈缩现象。应力应变曲线图中ef段称为颈缩阶段。段称为颈缩阶段。第13页3-2 3-2 拉伸和压缩时材料力学性质拉伸和压缩时材料力学性质试件拉断后，弹性变形消失，只剩下残余变形，试件拉断后，弹性变形消失，只剩下残余变形，残余变残余变形形标志着材料标志着材料塑性塑性。工程中惯用。工程中惯用延伸率延伸率 和和断面收缩率断面收缩率 作为作为材料两个塑性指标。分别为材料两个塑性指标。分别为材料两个塑性指标材料两个塑性指标材料两个塑性指标材料两个塑性指标普通把普通把 5%5%材料称为材料称为塑性材料塑性材料，把，把 5%A1，可，可满满足要求。故足要求。故选选取取3.6号等号等边边角角钢钢。3-3 3-3 拉伸与压缩时强度计算拉伸与压缩时强度计算第28页例例3-4图示支架中，杆图示支架中，杆许用应力许用应力 1100MPa，杆，杆许用许用应力应力 2160MPa，两杆面积均为，两杆面积均为A=200mm2,求结构许可载求结构许可载荷荷F。解解（1）计计算算AC杆和杆和BC杆杆轴轴力力取取C铰为研究对象，受力如图所表示。列平铰为研究对象，受力如图所表示。列平衡方程衡方程（2）计计算算许许可可轴轴力力 为确保结构安全工作，杆为确保结构安全工作，杆、杆、杆均应满足强度条件均应满足强度条件3-3 3-3 拉伸与压缩时强度计算拉伸与压缩时强度计算第29页（3 3）确定许可载荷）确定许可载荷当杆当杆轴力到达最大值轴力到达最大值113.1kN时，对应载荷为时，对应载荷为当杆当杆轴力到达最大值轴力到达最大值50.3kN时，对应载荷时，对应载荷为为为确保杆为确保杆、杆、杆均能满足强度条件，取其中较小者。故结构许可载均能满足强度条件，取其中较小者。故结构许可载荷为荷为F=97.1kN。3-3 3-3 拉伸与压缩时强度计算拉伸与压缩时强度计算第30页例例3-已知简单构架：杆已知简单构架：杆1、2截面积截面积A1=A2=100mm2，材料，材料许用拉应力许用拉应力 t=200MPa，许用压应力，许用压应力 c=150MPa,试求试求载荷载荷F许可值许可值F 3-3 3-3 拉伸与压缩时强度计算拉伸与压缩时强度计算第31页解解（1）轴力分析轴力分析（2）由强度条件确定）由强度条件确定F（A1=A2=100mm2，许用拉应力，许用拉应力 t=200 MPa，许用压应力，许用压应力 c=150 MPa）3-3 3-3 拉伸与压缩时强度计算拉伸与压缩时强度计算第32页例例3-已知已知：l,h,F（0 x 0为为同号应力循环同号应力循环;r 0为为异号应力循环异号应力循环。构件在静应力下构件在静应力下,各点处应力保持恒定，即各点处应力保持恒定，即 max=min。若将静应力视作交变应力一个特例若将静应力视作交变应力一个特例,则其循环特征则其循环特征337 7 交变应力与疲劳失效交变应力与疲劳失效第97页二、疲劳破坏二、疲劳破坏二、疲劳破坏二、疲劳破坏材料在交变应力作用下破坏习惯上称为材料在交变应力作用下破坏习惯上称为疲劳破坏。疲劳破坏。（1 1）交变应力破坏应力值普通低于静载荷作用下强度极限值）交变应力破坏应力值普通低于静载荷作用下强度极限值,有时甚至低于材料屈服极限。有时甚至低于材料屈服极限。（2 2）不论是脆性还是塑性材料）不论是脆性还是塑性材料,交变应力作用下均表现为脆交变应力作用下均表现为脆性断裂性断裂,无显著塑性变形。无显著塑性变形。（3 3）断口表面可显著区分为光滑区与粗糙区两部分。）断口表面可显著区分为光滑区与粗糙区两部分。疲劳破坏特点疲劳破坏特点疲劳破坏特点疲劳破坏特点337 7 交变应力与疲劳失效交变应力与疲劳失效第98页 材料发生破坏前材料发生破坏前,应力随时间改变经过屡次重复应力随时间改变经过屡次重复,其循环次数与应力其循环次数与应力大小相关大小相关.应力愈大应力愈大,循环次数愈少循环次数愈少.裂纹缘裂纹缘光滑区光滑区粗糙区粗糙区用手折断铁丝用手折断铁丝,弯折一次普通不停弯折一次普通不停,但重复往返弯折屡次后但重复往返弯折屡次后,铁丝就会铁丝就会发生裂断发生裂断,这就是材料受交变应力作用而破坏例子。这就是材料受交变应力作用而破坏例子。因疲劳破坏是在没有显著征兆情况下突然发生因疲劳破坏是在没有显著征兆情况下突然发生,极易造成严重事故极易造成严重事故.据据统计统计,机械零件机械零件,尤其是高速运转构件破坏尤其是高速运转构件破坏,大部分属于疲劳破坏。大部分属于疲劳破坏。337 7 交变应力与疲劳失效交变应力与疲劳失效第99页（1 1 1 1）裂纹萌生）裂纹萌生）裂纹萌生）裂纹萌生 在构件外形突变或材料内部缺点等部位在构件外形突变或材料内部缺点等部位在构件外形突变或材料内部缺点等部位在构件外形突变或材料内部缺点等部位,都可能产都可能产都可能产都可能产生应力集中引发微观裂纹生应力集中引发微观裂纹生应力集中引发微观裂纹生应力集中引发微观裂纹.分散微观裂纹经过集结沟通分散微观裂纹经过集结沟通分散微观裂纹经过集结沟通分散微观裂纹经过集结沟通,将形成宏将形成宏将形成宏将形成宏观裂纹。观裂纹。观裂纹。观裂纹。（2 2 2 2）裂纹扩展）裂纹扩展）裂纹扩展）裂纹扩展 已形成宏观已形成宏观已形成宏观已形成宏观裂纹在交变应力下逐步扩展。裂纹在交变应力下逐步扩展。裂纹在交变应力下逐步扩展。裂纹在交变应力下逐步扩展。（3 3 3 3）构件断裂）构件断裂）构件断裂）构件断裂 裂纹扩展使构裂纹扩展使构裂纹扩展使构裂纹扩展使构件截面逐步减弱件截面逐步减弱件截面逐步减弱件截面逐步减弱,减弱到一定减弱到一定减弱到一定减弱到一定极限时极限时极限时极限时,构件便突然断裂构件便突然断裂构件便突然断裂构件便突然断裂.疲劳过程普通分三个阶段疲劳过程普通分三个阶段疲劳过程普通分三个阶段疲劳过程普通分三个阶段337 7 交变应力与疲劳失效交变应力与疲劳失效第100页材料持久极限（疲劳极限）材料持久极限（疲劳极限）试验证实，在交变载荷作用下，构件内应力最大值（绝对值）假如试验证实，在交变载荷作用下，构件内应力最大值（绝对值）假如不超出某一极限，则此构件能够经历无数次循环而不破坏，我们把这个不超出某一极限，则此构件能够经历无数次循环而不破坏，我们把这个应力极限值称为应力极限值称为持久极限持久极限。同一材料在不一样基本变形形式和循环特征下，它持久极限是不同一材料在不一样基本变形形式和循环特征下，它持久极限是不一样。一样。同一材料在同一个基本变形形式下持久极限以对称循环下持久极同一材料在同一个基本变形形式下持久极限以对称循环下持久极限为最低。限为最低。337 7 交变应力与疲劳失效交变应力与疲劳失效三、三、三、三、材料持久极限及影响原因材料持久极限及影响原因材料持久极限及影响原因材料持久极限及影响原因第101页疲劳曲线疲劳曲线：取数根标准钢料试件分别加放不一样大小对称循环载荷，在：取数根标准钢料试件分别加放不一样大小对称循环载荷，在疲劳试验机上进行弯曲试验，统计下最大应力和断裂时循环次数疲劳试验机上进行弯曲试验，统计下最大应力和断裂时循环次数 N，得得到疲劳曲线如图所表示。到疲劳曲线如图所表示。疲劳曲线疲劳曲线循环基数：循环基数：对于含铝或镁有色金属，它们疲劳曲线不显著地趋于水平，对于含铝或镁有色金属，它们疲劳曲线不显著地趋于水平，对于这类材料，通常选定一个有限次数对于这类材料，通常选定一个有限次数 N0=108，称为，称为循环基数循环基数，并将，并将其所对应最大应力作为持久极限。其所对应最大应力作为持久极限。337 7 交变应力与疲劳失效交变应力与疲劳失效第102页影响材料持久极限主要原因影响材料持久极限主要原因应力集中：应力集中：应力集中将使持久极限降低，所以在设计制造承受交变应应力集中将使持久极限降低，所以在设计制造承受交变应力构件时，要尽可能设法减低或防止应力集中，在轴类零件中依据结力构件时，要尽可能设法减低或防止应力集中，在轴类零件中依据结构可能尽可能使半径过渡缓解，防止急剧过分，通常采取圆角过渡等构可能尽可能使半径过渡缓解，防止急剧过分，通常采取圆角过渡等办法。办法。337 7 交变应力与疲劳失效交变应力与疲劳失效第103页加工后表面粗糙度数值越大，持久极限越低。加工后表面粗糙度数值越大，持久极限越低。为了提升构件持久极为了提升构件持久极限，能够采取将构件表面进行磨光方法。提升构件表层强度，能够提升限，能够采取将构件表面进行磨光方法。提升构件表层强度，能够提升构件抵抗疲劳能力。比如对构件中最大应力所在表面进行热处理或化学构件抵抗疲劳能力。比如对构件中最大应力所在表面进行热处理或化学处理（高频淬火、氮化、渗碳和氰化等），或对表面层用滚压、喷丸等处理（高频淬火、氮化、渗碳和氰化等），或对表面层用滚压、喷丸等冷加工方法，都能够提升构件持久极限。冷加工方法，都能够提升构件持久极限。尺寸大小：尺寸大小：标准试件普通是用直径为标准试件普通是用直径为710mm小试件测定，小试件测定，伴随试件伴随试件横截面尺寸增大，持久极限相反降低横截面尺寸增大，持久极限相反降低。大试件持久极限比小试件持久极。大试件持久极限比小试件持久极限要低。限要低。表面粗糙度以及表层强度：表面粗糙度以及表层强度：337 7 交变应力与疲劳失效交变应力与疲劳失效第104页