武汉理工大学-材料力学-讲义课件

武汉理工大学材料力学课件本课件旨在为武汉理工大学材料力学课程提供全面的教学资源，内容涵盖材料力学的基本概念、理论分析、实验方法和工程应用通过本课件的学习，学生可以系统地掌握材料力学的核心知识，为后续的专业学习和工程实践打下坚实的基础课程介绍课程目标适用对象本课程旨在使学生掌握材料力学的基本原理和分析方法，培养学本课程主要面向武汉理工大学材料科学与工程、机械工程、土木生分析和解决工程实际问题的能力通过本课程的学习，学生能工程等专业的本科生同时也适合对材料力学感兴趣的其他专业够理解材料的力学行为，掌握应力、应变的概念和计算方法，能的学生和工程技术人员够进行简单结构的强度和刚度分析课程大纲第一章绪论介绍材料力学的基本概念、研究对象、任务和方法第二章应力与应变讲解应力、应变的概念、计算方法和关系第三章材料的力学性能介绍材料的弹性、塑性、强度和韧性等力学性能第四章梁的弯曲分析梁的弯曲应力和变形材料的基本概念原子结构晶体结构相材料由原子组成，原子晶体材料内部原子呈规具有相同物理和化学性的排列方式决定了材料则排列，形成晶格质的均匀部分称为相的性质应力的定义应力的概念1应力是物体内部单位面积上的内力，反映了物体内部的受力情况正应力2垂直于截面的应力分量称为正应力，拉应力为正，压应力为负剪应力3平行于截面的应力分量称为剪应力应力单位4应力的常用单位是帕斯卡（Pa）或兆帕斯卡（MPa）应变的定义应变的概念应变是物体内部的变形程度，表示物体尺寸的变化正应变正应变是物体长度方向的变形与原长度之比剪应变剪应变是物体角度的改变应变单位应变是无量纲的，通常用百分比表示应力应变关系-弹性阶段屈服阶段1应力与应变成线性关系，符合胡克定律应力达到屈服强度，应变迅速增加2颈缩阶段4强化阶段应力达到最大值，材料开始颈缩，直至断3应力继续增加，材料发生塑性变形裂弹性特性弹性模量1衡量材料抵抗弹性变形的能力剪切模量2衡量材料抵抗剪切变形的能力泊松比3描述材料在单向受力时横向变形与纵向变形之比单轴拉伸试验试验目的试验方法12测定材料的弹性模量、屈服强将试样夹持在拉伸试验机上，度、抗拉强度、延伸率等力学施加轴向拉力，测量拉力和变性能指标形结果分析3根据拉力和变形数据绘制应力-应变曲线，计算材料的各项力学性能指标单轴压缩试验试验目的试验方法测定材料的抗压强度、弹性模量等力学性能指标将试样放置在压缩试验机上，施加轴向压力，测量压力和变形单轴压缩试验主要用于测定脆性材料的抗压强度，如混凝土、岩石等对于塑性材料，由于其具有良好的塑性变形能力，在压缩过程中不会发生明显的断裂，因此单轴压缩试验无法准确测定其抗压强度简单剪切试验试验目的试验方法测定材料的抗剪强度、剪切模量将试样放置在剪切试验夹具中，等力学性能指标施加剪切力，测量剪切力和变形结果分析根据剪切力和变形数据计算材料的抗剪强度和剪切模量轴向扭转试验试验目的结果分析测定材料的抗扭强度、剪切模量等力学性能指标根据扭矩和扭转角数据计算材料的抗扭强度和剪切模量123试验方法将试样夹持在扭转试验机上，施加扭矩，测量扭矩和扭转角轴向扭转试验主要用于测定轴类零件的抗扭强度和刚度通过扭转试验，可以了解材料在扭转载荷下的力学行为，为工程设计提供依据例如，汽车传动轴、钻床主轴等都需要进行扭转试验复合应力状态平面应力状态物体内部只有两个方向的正应力和一个剪应力平面应变状态物体内部只有两个方向的正应变和一个剪应变空间应力状态物体内部有三个方向的正应力和三个剪应力主应力和主应变主平面2剪应力为零的平面称为主平面主应力1在某一平面上，剪应力为零，只有正应力，该正应力称为主应力主应变3在主平面上的应变称为主应变主应力和主应变是描述物体内部应力状态的重要参数通过计算主应力和主应变，可以了解物体内部的最大应力和变形方向，为强度校核和结构优化提供依据例如，在桥梁设计中，需要计算桥梁结构的主应力，以确保桥梁的安全性莫尔应力圆莫尔圆的概念莫尔圆的绘制12莫尔圆是一种用图形表示应力根据应力状态的数据，在坐标状态的方法，可以直观地显示系中绘制莫尔圆应力的大小和方向莫尔圆的应用3利用莫尔圆可以方便地计算主应力、主平面和任意截面上的应力等应力线和等应变线等应力线等应变线连接物体内部应力相等的各点的曲线称为等应力线连接物体内部应变相等的各点的曲线称为等应变线等应力线和等应变线可以直观地显示物体内部应力和应变的分布情况通过分析等应力线和等应变线，可以了解结构的薄弱环节，为结构优化和强度校核提供依据例如，在飞机设计中，需要分析飞机结构的应力分布，以确保飞机的安全性温度应力和应变温度应力温度应变由温度变化引起的应力称为温度由温度变化引起的应变称为温度应力应变计算方法温度应力和温度应变与温度变化量、材料的线膨胀系数和弹性模量有关热应力分析分析目的1预测结构在温度载荷下的应力分布和变形情况分析方法2利用有限元分析软件进行热应力分析分析结果3获得结构的应力分布云图、变形图等热应力分析在工程领域中具有广泛的应用例如，在锅炉设计中，需要进行热应力分析，以确保锅炉在高温高压下的安全性在电子器件封装设计中，需要进行热应力分析，以防止电子器件因热应力而失效有限元分析软件如ANSYS、ABAQUS等可以用于进行复杂结构的热应力分析静定结构的分析静定结构的概念分析方法应用举例可以仅通过静力平衡方程求解的结构称为利用静力平衡方程求解结构的支反力和内简支梁、悬臂梁等都属于静定结构静定结构力超静定结构的分析分析方法2需要结合变形协调条件和材料的本构关系才能求解超静定结构的概念1仅通过静力平衡方程无法求解的结构称为超静定结构应用举例3固定梁、连续梁等都属于超静定结构超静定结构的分析比静定结构复杂，需要考虑结构的变形特性常用的分析方法包括力法和位移法力法以力为基本未知量，通过建立力平衡方程和变形协调方程求解结构位移法以位移为基本未知量，通过建立位移平衡方程求解结构有限元分析软件也可以用于进行超静定结构的分析梁的弯曲分析弯曲应力弯曲变形12由弯矩引起的应力称为弯曲应梁在弯矩作用下产生的变形称力为弯曲变形计算公式3弯曲应力和弯曲变形的计算公式与弯矩、截面几何参数和材料的弹性模量有关冲击荷载分析冲击荷载的特点分析方法冲击荷载具有作用时间短、冲击力大的特点需要考虑结构的动力响应，采用动力学分析方法冲击荷载分析在工程领域中非常重要例如，在汽车碰撞试验中，需要进行冲击荷载分析，以评估汽车的安全性在桥梁设计中，需要考虑车辆冲击对桥梁结构的影响常用的分析方法包括模态分析、直接积分法等有限元分析软件可以用于进行复杂结构的冲击荷载分析疲劳分析疲劳的概念疲劳寿命材料在循环载荷作用下发生的逐材料在循环载荷作用下发生断裂渐损伤称为疲劳时所经历的循环次数称为疲劳寿命影响因素疲劳寿命受载荷幅值、应力比、材料表面状态等因素的影响应力集中分析应力集中的概念1在结构的几何突变处（如孔洞、尖角等），应力会显著增大，这种现象称为应力集中应力集中系数2应力集中处的最大应力与名义应力之比称为应力集中系数影响因素3应力集中系数与几何突变的形状和尺寸有关应力集中是导致结构疲劳断裂的重要原因之一在工程设计中，应尽量避免应力集中现象的发生常用的方法包括采用圆角过渡、增加结构刚度等有限元分析软件可以用于进行应力集中分析，为结构优化提供依据材料的塑性行为塑性变形材料在应力超过屈服强度后发生的不可恢复的变形称为塑性变形强化现象塑性变形过程中，材料的强度会提高，这种现象称为强化残余应力卸载后，材料内部仍然存在的应力称为残余应力工程材料的力学性能强度刚度1材料抵抗破坏的能力材料抵抗变形的能力2硬度4韧性3材料抵抗局部塑性变形的能力材料吸收能量的能力工程材料的力学性能是材料选择的重要依据不同的工程应用对材料的力学性能有不同的要求例如，桥梁结构需要高强度的钢材，而汽车车身需要高韧性的钢材了解各种工程材料的力学性能，可以为工程设计提供合理的材料选择方案材料强度设计设计原则设计步骤12保证结构在工作载荷下不发生确定工作载荷、计算应力、选破坏择材料、进行强度校核安全系数3为了保证结构的安全性，需要设置安全系数屈服准则屈服准则的概念常用屈服准则判断材料是否发生屈服的准则称为屈服准则常用的屈服准则包括最大剪应力理论、畸变能理论等屈服准则在塑性力学中具有重要的作用通过屈服准则，可以判断材料在复杂应力状态下是否发生屈服不同的材料适用于不同的屈服准则例如，对于塑性较好的金属材料，畸变能理论的应用更为广泛了解各种屈服准则的适用范围，可以为塑性分析提供正确的依据极限准则极限准则的概念常用极限准则判断材料是否发生断裂的准则称常用的极限准则包括最大拉应力为极限准则理论、最大拉应变理论等适用范围不同的材料适用于不同的极限准则安全系数设计安全系数的定义1安全系数是材料的强度与工作应力之比安全系数的选取2安全系数的选取需要考虑工作条件、材料性能、结构的重要性等因素安全系数的应用3安全系数用于保证结构的安全可靠性安全系数是工程设计中常用的概念通过设置安全系数，可以避免因材料性能波动、载荷估计误差等因素导致的安全问题安全系数的选取需要综合考虑各种因素，既要保证结构的安全性，又要避免过度设计，降低经济效益例如，对于人身安全相关的结构，安全系数的选取应更为保守材料性能表材料名称弹性模量屈服强度抗拉强度延伸率%MPa MPaMPaQ235钢206000235370-50026铝合金7000027531012混凝土30000-20-60-材料选择确定设计要求根据工程应用的需求，确定结构的设计要求，包括强度、刚度、耐腐蚀性等查找材料性能表查阅材料性能表，了解各种材料的力学性能、物理性能和化学性能进行综合比较综合比较各种材料的性能和价格，选择最合适的材料材料的微结构晶界2晶粒之间的界面称为晶界晶粒1晶体材料由许多晶粒组成缺陷材料内部存在的各种不完美之处称为缺3陷，如空位、位错等材料的微结构对其力学性能有重要的影响例如，晶粒尺寸越小，材料的强度越高缺陷的存在会降低材料的强度通过控制材料的微结构，可以改善材料的力学性能例如，通过热处理工艺可以细化晶粒，提高材料的强度相变理论相变的概念相变的类型12材料在一定条件下发生的物理常见的相变类型包括固态相或化学变化称为相变变、液态相变、气态相变等相变的应用3相变在材料加工和热处理过程中有重要的应用焊接工艺焊接方法焊接特点常见的焊接方法包括电弧焊、气焊、激光焊等不同的焊接方法适用于不同的材料和应用场合焊接是一种常用的连接方法焊接工艺的优劣直接影响焊接接头的质量合理的焊接工艺可以保证焊接接头的强度、韧性和耐腐蚀性例如，对于高强度钢材，需要采用低氢焊接工艺，以防止焊接裂纹的产生焊接后通常需要进行热处理，以消除焊接残余应力，改善焊接接头的力学性能热处理工艺热处理的目的热处理的方法改善材料的力学性能、物理性能常见的热处理方法包括退火、正和化学性能火、淬火、回火等热处理的应用热处理在机械制造、冶金等领域有广泛的应用材料表面处理表面处理的目的1提高材料的耐磨性、耐腐蚀性、美观性等表面处理的方法2常见的表面处理方法包括喷涂、电镀、化学镀等表面处理的应用3表面处理在机械制造、电子、化工等领域有广泛的应用材料表面处理是一种重要的工程技术通过表面处理，可以显著提高材料的使用寿命和可靠性例如，对金属零件进行喷涂处理，可以提高其耐腐蚀性，延长其使用寿命对刀具进行表面硬化处理，可以提高其耐磨性，延长其使用寿命表面处理技术的不断发展，为提高工程产品的质量和可靠性提供了有力保障工程案例分析桥梁断裂案例分析桥梁断裂的原因，包括材料选择、设计缺陷、施工质量等飞机失事案例分析飞机失事的原因，包括疲劳断裂、腐蚀、冲击等机械零件失效案例分析机械零件失效的原因，包括应力集中、磨损、腐蚀等力学实验介绍拉伸试验压缩试验1测定材料的拉伸性能测定材料的压缩性能2扭转试验4弯曲试验3测定材料的扭转性能测定材料的弯曲性能力学实验是材料力学学习的重要组成部分通过力学实验，可以验证理论知识，加深对材料力学性能的理解同时，力学实验也是工程实践的重要手段通过力学实验，可以评估材料的适用性，为工程设计提供依据常用的力学实验设备包括拉伸试验机、压缩试验机、弯曲试验机、扭转试验机等实验数据分析数据处理1对实验数据进行整理和清洗误差分析2对实验数据进行误差分析，评估实验结果的可靠性结果讨论3对实验结果进行讨论，分析其合理性和局限性实验报告撰写报告结构写作要求注意事项123实验报告应包括实验目的、实验原实验报告应条理清晰、数据准确、分实验报告应避免抄袭，注重原创性理、实验方法、实验结果、结果分析析合理、结论明确和结论等部分。