示范教学材料失效与强度理论市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

示范教学（示范教学（2 2）材料失效与强度理论材料失效与强度理论 新体系材料力学教学内容与体系（新体系材料力学教学内容与体系（4 4）张少实哈尔滨工业大学七月第1页第第11 11章章 材料失效与强度理论材料失效与强度理论第2页1 1）惯用工程材料失效模式）惯用工程材料失效模式 屈服屈服与与断裂断裂是材料两种是材料两种基本失效模式。基本失效模式。在简单应力状态（单向应力状态与纯切应力状态）下，材料在简单应力状态（单向应力状态与纯切应力状态）下，材料发生哪种模式失效，将取决于材料本身力学性能。即，脆性材料发生哪种模式失效，将取决于材料本身力学性能。即，脆性材料发生脆性断裂失效；而塑性材料发生屈服失效。发生脆性断裂失效；而塑性材料发生屈服失效。在复杂应力状态下，材料发生哪种模式失效，还要取决于应在复杂应力状态下，材料发生哪种模式失效，还要取决于应力状态。力状态。比如，在三向拉应力状态，即使是非常好塑性材料，比如，在三向拉应力状态，即使是非常好塑性材料，也不会发生屈服失效。也不会发生屈服失效。11-1 11-1 惯用工程材料失效模式及强度理论概念惯用工程材料失效模式及强度理论概念 断裂断裂材料解体材料解体 屈服屈服塑性变形塑性变形 构构件件失失去去承承载载能能力力 或或 某某 种种 功功 效效 第3页 材料发生什么形式失效？何时发生失效？失效时应力，即极材料发生什么形式失效？何时发生失效？失效时应力，即极限应力是多大？怎样建立失效判据？限应力是多大？怎样建立失效判据？要处理这些问题，对于单向应力状态情况是很轻易。那就是要处理这些问题，对于单向应力状态情况是很轻易。那就是能够模拟实际单向应力状态进行轴向拉伸试验。能够模拟实际单向应力状态进行轴向拉伸试验。2 2）强度理论概念）强度理论概念塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料失效失效判据判据极限极限应力应力11-1 11-1 惯用工程材料失效模式及强度理论概念惯用工程材料失效模式及强度理论概念 第4页 对于复杂应力状态情况，要回答上述问题就不那么轻易了。对于复杂应力状态情况，要回答上述问题就不那么轻易了。也模拟构件实际应力状态，做试验也模拟构件实际应力状态，做试验？2 2）强度理论概念）强度理论概念行不通 不不过过，材材料料失失效效是是有有原原因因和和规规律律，在在有有限限试试验验基基础础上上，能能够够对对材材料料失失效效现现象象加加以以归归纳纳、整整理理，对对失失效效原原因因作作一一些些假假说说，即即不不论论何何种种应应力力状状态态，也也不不论论何何种种材材料料，只只要要失失效效模模式式相相同同，便便含含有有同同一一个个失失效效原原因因。这这么么，就就能能够够经经过过轴轴向向拉拉伸伸这这一一简简单单试试验验结结果果，去去预预测测材材料料在在不不一一样样应应力力状状态态下失效和建立材料在普通应力状态下失效判据。下失效和建立材料在普通应力状态下失效判据。11-1 11-1 惯用工程材料失效模式及强度理论概念惯用工程材料失效模式及强度理论概念 第5页关于材料失效原因与规律假说或学说，关于材料失效原因与规律假说或学说，称为强度理论。称为强度理论。2 2）强度理论概念）强度理论概念 强强度度理理论论必必须须经经受受试试验验与与实实践践检检验验。实实际际上上，也也正正是是在在重重复复试试验验与与实实践践基基础础上上，强强度度理理论论才才得得到到发发展展并并日日趋趋完善。完善。当当前前，有有许许各各种种强强度度理理论论，本本课课只只介介绍绍工工程程中中惯惯用用几几个强度理论。个强度理论。11-1 11-1 惯用工程材料失效模式及强度理论概念惯用工程材料失效模式及强度理论概念 第6页11-2 11-2 工程中工程中惯用强度理论惯用强度理论 1 1、关于断裂强度理论（略）、关于断裂强度理论（略）第7页11-2 11-2 工程中工程中惯用强度理论惯用强度理论 2 2、关于屈服强度理论、关于屈服强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论）材料屈服失效原因材料屈服失效原因最大切应力最大切应力材料屈服失效判据材料屈服失效判据因为因为所以所以第8页11-2 11-2 工程中工程中惯用强度理论惯用强度理论 2 2、关于屈服强度理论、关于屈服强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论）讨论：讨论：平平面面应应力力状状态态时时，假假如如 ，三三个个主主应应力力没没有有次序关系。次序关系。应力平面概念应力平面概念第9页11-2 11-2 工程中工程中惯用强度理论惯用强度理论 2 2、关于屈服强度理论、关于屈服强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论）讨论：讨论：平平面面应应力力状状态态时时，假假如如 ，三三个个主主应应力力没没有有次序关系。这么，上式将变为次序关系。这么，上式将变为第10页11-2 11-2 工程中工程中惯用强度理论惯用强度理论 2 2、关于屈服强度理论、关于屈服强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论）讨论：讨论：平平面面应应力力状状态态时时，假假如如 ，三三个个主主应应力力没没有有次序关系。这么，上式将变为次序关系。这么，上式将变为第11页11-2 11-2 工程中工程中惯用强度理论惯用强度理论 2 2、关于屈服强度理论、关于屈服强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论）讨论：讨论：平平面面应应力力状状态态时时，假假如如 ，三三个个主主应应力力没没有有次序关系。这么，上式将变为次序关系。这么，上式将变为第12页11-2 11-2 工程中工程中惯用强度理论惯用强度理论 2 2、关于屈服强度理论、关于屈服强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论）讨论：讨论：平平面面应应力力状状态态时时，假假如如 ，三三个个主主应应力力没没有有次序关系。这么，上式将变为次序关系。这么，上式将变为第13页11-2 11-2 工程中工程中惯用强度理论惯用强度理论 2 2、关于屈服强度理论、关于屈服强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论）讨论：讨论：平平面面应应力力状状态态时时，假假如如 ，三三个个主主应应力力没没有有次序关系。这么，上式将变为次序关系。这么，上式将变为第14页11-2 11-2 工程中工程中惯用强度理论惯用强度理论 2 2、关于屈服强度理论、关于屈服强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论）讨论：讨论：平平面面应应力力状状态态时时，假假如如 ，三三个个主主应应力力没没有有次序关系。这么，上式将变为次序关系。这么，上式将变为第15页11-2 11-2 工程中工程中惯用强度理论惯用强度理论 2 2、关于屈服强度理论、关于屈服强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论）讨论：讨论：平平面面应应力力状状态态时时，假假如如 ，三三个个主主应应力力没没有有次序关系。这么，上式将变为次序关系。这么，上式将变为第16页11-2 11-2 工程中工程中惯用强度理论惯用强度理论 2 2、关于屈服强度理论、关于屈服强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论）讨论：讨论：1 18 86 64 4年年，屈屈雷雷斯斯加加作作了了延延性性金金属属挤挤压压，从从孔孔口口流流过过试试验验 试试验验原原理理图图 第17页11-2 11-2 工程中工程中惯用强度理论惯用强度理论 2 2、关于屈服强度理论、关于屈服强度理论2 2）形变应变能强度理论（第四强度理论）形变应变能强度理论（第四强度理论）材料屈服失效原因材料屈服失效原因形变应变能形变应变能材料屈服失效判据材料屈服失效判据因为因为所以所以第18页11-2 11-2 工程中工程中惯用强度理论惯用强度理论 2 2、关于屈服强度理论、关于屈服强度理论2 2）形变应变能强度理论（第四强度理论）形变应变能强度理论（第四强度理论）讨论讨论 平面应力状态时，假如平面应力状态时，假如19 Mises 提出：Tresca屈服线屈服线6 6个顶点个顶点准确准确连接连接 6 6 个顶点直线个顶点直线假设假设用曲线连接用曲线连接 6 6 个顶点个顶点曲线会处处光曲线会处处光滑，可用一个滑，可用一个方程描述方程描述第19页11-2 11-2 工程中工程中惯用强度理论惯用强度理论 2 2、关于屈服强度理论、关于屈服强度理论2 2）形变应变能强度理论（第四强度理论）形变应变能强度理论（第四强度理论）讨论讨论物理意义：物理意义：形变应变能形变应变能八面体上切应力八面体上切应力MisesMises没有给予解释没有给予解释第20页11-2 11-2 工程中工程中惯用强度理论惯用强度理论 2 2、关于屈服强度理论、关于屈服强度理论3 3）两个强度理论比较）两个强度理论比较Mises理论考虑了理论考虑了 影响影响试试验验研研究究表表明明，Mises与与试试验结果更吻合验结果更吻合第21页11-2 11-2 工程中工程中惯用强度理论惯用强度理论 2 2、关于屈服强度理论、关于屈服强度理论3 3）两个强度理论比较）两个强度理论比较Mises理论考虑了理论考虑了 影响影响试试验验研研究究表表明明，Mises与与试试验结果更吻合验结果更吻合纯切应力状态时差异最大纯切应力状态时差异最大第22页以上强度理论，描述是以上强度理论，描述是材料材料进入极限状态条件和失效进入极限状态条件和失效判据表示式判据表示式工程构件强度到达极限状态（即发生强度失效）条件工程构件强度到达极限状态（即发生强度失效）条件是什么是什么？构件失效构件失效判据表示式判据表示式？怎样才能确保构件安全可靠工作怎样才能确保构件安全可靠工作？以最大切应力强度理论为例，回答上述问题。以最大切应力强度理论为例，回答上述问题。11-3 11-3 许用应力许用应力 强度条件强度条件 1 1、许用应力、许用应力第23页以最大切应力强度理论为例以最大切应力强度理论为例现有材料相同四个构件，其危现有材料相同四个构件，其危险点应力状态如图所表示。险点应力状态如图所表示。11-3 11-3 许用应力许用应力 强度条件强度条件 1 1、许用应力、许用应力第24页以最大切应力强度理论为例以最大切应力强度理论为例现有材料相同四个构件，其危现有材料相同四个构件，其危险点应力状态如图所表示。险点应力状态如图所表示。因为存在强度分析很多不确定因为存在强度分析很多不确定原因，那么，原因，那么，B 构件比构件比 D 构件构件更安全一些。更安全一些。为了有足够强度贮备，以确保为了有足够强度贮备，以确保构件能安全可靠地工作将材构件能安全可靠地工作，将材料屈服点、屈服线等百分比缩料屈服点、屈服线等百分比缩小小 n（n 11）倍，变为）倍，变为11-3 11-3 许用应力许用应力 强度条件强度条件 1 1、许用应力、许用应力第25页以最大切应力强度理论为例以最大切应力强度理论为例11-3 11-3 许用应力许用应力 强度条件强度条件 1 1、许用应力、许用应力令令 称为材料材料许用应力许用应力 n 称称为为安全系数安全系数第26页与四个强度理论相对应强度条件与四个强度理论相对应强度条件11-3 11-3 许用应力许用应力 强度条件强度条件 2 2、强度条件、强度条件 称为材料材料许用应力许用应力 n 称称为为安全系数安全系数第27页以最大切应力强度理论为例以最大切应力强度理论为例11-3 11-3 许用应力许用应力 强度条件强度条件 2 2、强度条件、强度条件令令 称为材料材料许用应力许用应力 n 称称为为安全系数安全系数第第三三强强度度理理论论强强 度度 条条 件件第28页