機械設計基礎 教學課件 作者 李立機械設計基礎(0-4)第4章強度設計.ppt

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1、教學目標重點難點教學內(nèi)容小結(jié)作業(yè)第四章材料的力學性能與強度設計教學目標教學目標：1.明確材料常用力學性能的意義及指標；2.掌握構件的失效形式及設計準則；3.具有構件強度設計的能力；首頁4.1材料的力學性能4.2材料失效與構件失效4.3桿件的強度設計首頁教學內(nèi)容重點：桿件的強度設計。難點：材料和構件的失效分析。首頁重點難點4.1材料的力學性能材料的力學性能4.1.1金屬材料拉壓時的力學性能所謂材料的力學性能，就是材料在受力過程中在強度和變形方面所表現(xiàn)出的性能。材料的力學性能都是通過實驗得出的。實驗不僅是確定材料的力學性質(zhì)的唯一方法，而且也是建立理論和驗證理論的重要手段。低碳鋼和鑄鐵在一般

2、工程中應用比較廣泛，它們在拉伸或壓縮時的力學性質(zhì)也比較典型，故本節(jié)主要介紹這兩種材料在常溫（就是指室溫）、靜載（就是指加載速度緩慢平穩(wěn)）情況下的力學性能。1.材料拉伸時的力學性能在材料實驗中，靜力拉伸和壓縮實驗是最簡單和最重要的，因此我們以此為例說明試驗過程。拉伸試驗前，把材料做成具有一定形狀和尺寸的標準試件，如圖4-1所示。對于圓形截面的試樣，其工作長度（標距）與橫截面直徑的比例定為：（短試件），（長試件）；對于橫截面積為的矩形截面試樣，則規(guī)定：或。試驗時，將試件的兩端裝卡在試驗機的上、下夾頭里，然后對它施以緩慢增加的拉力，直到把試件拉斷為止。材料的力學性能工作長度d工作長度面積圖4

3、-1試件材料的力學性能返回在試件受力的過程中，隨著拉力F的增加，試件的變形（伸長）也逐漸增加。在試驗機測力表盤上可以讀出一系列的拉力值，同時可測出各時刻的拉力F與標距l(xiāng)值相對應的變形△l為橫坐標，根據(jù)記錄下來的數(shù)據(jù)，就可描出與每對F、△l值對應的點，連接個點，即可得到表示拉力F與絕對變形△l關系的圖線——拉伸圖。以Q235鋼為例，來討論低碳鋼的力學性質(zhì)。圖4-2(a)是低碳鋼的拉伸圖。試件的拉伸圖與試件的幾何尺寸有關。為了消除試件幾何尺寸的影響，可改用應力、應變分別作縱坐標和橫坐標，得到的是應力與應變關系曲線。此曲線稱為應力—應變圖或σ-ε圖，如圖4-2(b)所示（1）低碳鋼拉伸時的力

4、學性質(zhì)σbσeσpσsa′a(a)(b)圖4-2拉伸曲線Oghfcb材料的力學性能o材料的力學性能從圖中可以看出oa是直線，說明oa范圍內(nèi)應力與應變成正比，即與a點對應的應力，即應力―應變成正比的最高應力值，稱為材料的比例極限，以表示?？梢娭挥挟攽Φ陀诒壤龢O限時，胡克定律才成立。Q235鋼的比例極限約為200MPa。下面將圖分成四個階段加以討論。①彈性階段在階段內(nèi)，材料的變形是彈性的。段已經(jīng)不再保持直線，但當小于點的應力時，如果卸去外力，使應力逐漸減小到零，則相應的應變也隨之完全消失。所以階段稱為彈性階段。與點對應的應力稱為彈性極限。由于彈性極限與比例極限非常接近，所以實際應用中將和

5、視為同一點，常近似的認為在彈性范圍內(nèi)材料服從胡克定律。②屈服階段當應力達到b點的相應值時，在應力-應變圖上出現(xiàn)一段近似水平的“鋸齒”應力不再增加而應變卻在急劇地增加，材料暫時失去了抵抗變形的能力。這種現(xiàn)象一直延續(xù)到c點。材料的力學性能如果試件是經(jīng)過拋光的，這時便可以看到試件表面出現(xiàn)許多與試件軸線成45度角的條紋（圖4-3a），這些條紋稱為滑移線。一般認為，這些條紋是材料內(nèi)部的晶粒沿最大剪應力方向相互錯動引起的。這階段應力幾乎不變，應變卻不斷增加，從而產(chǎn)生明顯變形的現(xiàn)象，稱為屈服現(xiàn)象，bc階段稱為屈服階段。相應與b點的應力值稱為上屈服點，在應力波動中，應力下降到的最低值稱為下屈服點。一般

6、規(guī)定下屈服點作為材料的屈服點，以表示。Q235鋼的屈服極限約為。在這一階段，如果卸載，將出現(xiàn)不能消失的塑性變形。這在工程中一般是不允許的。所以屈服點是衡量材料強度的一個重要指標材料的力學性能經(jīng)過屈服階段以后，從c點開始曲線又逐漸上升，材料又恢復了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形，必須增加應力。這種現(xiàn)象稱為材料的強化。從c點至d點稱為強化階段。曲線的最高點d所對應的應力稱為強度極限，以σb表示。Q235鋼的強度極限約為400MPa。強度極限是衡量材料強度的另一個重要指標。圖4-3材料屈服現(xiàn)象材料的力學性能③強化階段④頸縮階段在強度極限前試件的變形是均勻的。在強度極限后，即應力達到σb，變形

7、集中在試件的某一局部，縱向變形顯著增加，橫截面面積顯著減小，出現(xiàn)所謂頸縮現(xiàn)象（圖5-3b），試件迅速被拉斷。試件拉斷后，彈性變形消失了，只剩下殘余變形。殘余變形標志著材料的塑性。工程中常用伸長率表示材料的塑性，即材料的力學性能式中l(wèi)1為試件拉斷后的標距。對長試件一般把的材料稱為塑性材料，把的材料稱為脆性材料。另外還可以用截面收縮率ψ來說明材料的塑性，即式中的A1為試件斷口處的最小截面面積，為試件的原始截面面積。顯示，材料的塑性越大，其δ、ψ值也