机机 械械 基基 础础主讲主讲: :刘贵林刘贵林41235第三章第三章第三章第三章 直杆的基本变形直杆的基本变形直杆的基本变形直杆的基本变形 拉伸与压缩时材料的力学性能拉伸与压缩时材料的力学性能连接件的剪切与挤压连接件的剪切与挤压圆轴的扭转圆轴的扭转补充内容补充内容直杆轴向拉伸与压缩直杆轴向拉伸与压缩课程设置课程设置u拉伸与压缩的变形特点拉伸与压缩的变形特点u内力与应力内力与应力第一节第一节 直杆轴向拉伸与压缩直杆轴向拉伸与压缩一一. .拉伸与压缩的变形特点拉伸与压缩的变形特点v拉伸：在轴向力的作用下，杆件产生伸长变形称为拉伸：在轴向力的作用下，杆件产生伸长变形称为 轴向拉伸。轴向拉伸。v压缩：在轴向力的作用下，杆件产生缩短变形称为压缩：在轴向力的作用下，杆件产生缩短变形称为 轴向压缩。轴向压缩。v拉伸和压缩时的变形特点：拉伸和压缩时的变形特点：受力特点受力特点 作用于杆件两端的外力大小相等、方向相反，作用线作用于杆件两端的外力大小相等、方向相反，作用线与杆件轴线重合。与杆件轴线重合。变形特点变形特点 杆件变形是沿轴线方向伸长或缩短，杆件变形是沿轴线方向伸长或缩短，构件特点构件特点 等截面直杆。等截面直杆。v刚度：零件抵抗变形的能力刚度：零件抵抗变形的能力二、内力与应力二、内力与应力v外力：杆件所受其他物体的作用力，包括主动力和约外力：杆件所受其他物体的作用力，包括主动力和约束力。束力。v内力：杆件材料内部产生阻止变形的抗力。内力：杆件材料内部产生阻止变形的抗力。v外力越大，构件的变形越大，所产生的内力越大，外外力越大，构件的变形越大，所产生的内力越大，外力去力去 除后，构件恢复原状，内力也随着消失。除后，构件恢复原状，内力也随着消失。v截面法：将受外力作用的杆件假相地切开，用以显示内力的大小，截面法：将受外力作用的杆件假相地切开，用以显示内力的大小，并以平衡条件确定其合力的方法，称为截面法。并以平衡条件确定其合力的方法，称为截面法。选取杆件的左端为对象，列平衡方程选取杆件的左端为对象，列平衡方程FNF=0FN =Fv应力：单位面积上的内力称为应力，轴向拉伸和压缩时应力垂直应力：单位面积上的内力称为应力，轴向拉伸和压缩时应力垂直于截面，称为正应力，用于截面，称为正应力，用表示表示, ,拉伸应力为正，压缩应力为负。拉伸应力为正，压缩应力为负。v轴向拉伸和压缩时横截面上的应力是均匀分布的，其计算公轴向拉伸和压缩时横截面上的应力是均匀分布的，其计算公 式为：式为：式中式中 横截面上的正横截面上的正应力，力，MPa FN对试样的拉力或的拉力或压力，力，NA横截面面横截面面积，mm21Pa=1N/m2 1MPa=106Pa思考题思考题1、如图所示，一阶梯形杆件受拉力的作用，其截面、如图所示，一阶梯形杆件受拉力的作用，其截面1-1、2-2、3-3上的内力分别为上的内力分别为FN1 、FN2 、FN3，三个截面的应力分别为三个截面的应力分别为1 1 、2 2 、3 3 ，试比较三者关系。试比较三者关系。(1)(1)三个截面的内力关系为（）三个截面的内力关系为（）A A、FN1FN2 FN2FN3 B B 、 FN1=FN2 FN2=FN3 C C、FN1=FN2 FN2FN3 D D、 FN1=FN2 FN2 2 2 3 3 B B、 1 1 2 2 = =3 3 C C、 1 1 3 3 2 2 第二节、拉伸与压缩时材料的力学性能第二节、拉伸与压缩时材料的力学性能课程设置课程设置u低碳钢拉伸与压缩的力学性能低碳钢拉伸与压缩的力学性能u铸铁拉伸（压缩）时的力学性能铸铁拉伸（压缩）时的力学性能u塑性与冷作硬化塑性与冷作硬化一一. .低碳钢拉伸与压缩的力学性能低碳钢拉伸与压缩的力学性能v力学性能：金属在外力作用下所表现出来的性能。力学性能：金属在外力作用下所表现出来的性能。v拉伸试验：试样原始直径为拉伸试验：试样原始直径为d d0 0，原始标距为，原始标距为L L0 0，对试样，对试样逐渐增加拉伸力逐渐增加拉伸力F F，试样伸长量为，试样伸长量为L，直到拉断为止，直到拉断为止，1.1.低碳钢拉伸时的力学性能低碳钢拉伸时的力学性能v纵坐标表示拉力纵坐标表示拉力F，横坐标表示伸长量横坐标表示伸长量 L，v纵坐标表示应力纵坐标表示应力，横坐标表示应变，横坐标表示应变，一一. .低碳钢拉伸与压缩的力学性能低碳钢拉伸与压缩的力学性能v应变：试样单位长度的变形应变：试样单位长度的变形，v变形阶段：变形阶段： OabOab弹性变形阶段，弹性变形阶段，OaOa为一直线段，应力与应变为正比例，为一直线段，应力与应变为正比例，a a点对应的应力值点对应的应力值p p, ,称为材料的比例极限，称为材料的比例极限，b b点对应的应力值为点对应的应力值为e e，称，称为材料的弹性极限，工程中为材料的弹性极限，工程中p p和和e e接近。接近。 bcbc屈服阶段，当应力超过屈服阶段，当应力超过e e达到达到s s时，应力不增加，试样时，应力不增加，试样继续发生明显的塑性变形，这种现象称为屈服，继续发生明显的塑性变形，这种现象称为屈服，F Fs s称为屈服载荷，对应的应力称为屈服强度，用称为屈服载荷，对应的应力称为屈服强度，用s s表示。表示。式中式中 F Fs s屈服载荷，屈服载荷，N N A A试件原始横截面积，试件原始横截面积，mmmm2 2屈服强度应力值越大，表示材料抵抗变形的能力越强，屈服强度应力值越大，表示材料抵抗变形的能力越强，屈服强度是衡量材料强度的重要指标。屈服强度是衡量材料强度的重要指标。cdcd强化阶段，当应力超过强化阶段，当应力超过s s后，若材料继续变形，必须增后，若材料继续变形，必须增加拉力，这种现象称为强化，最高点加拉力，这种现象称为强化，最高点d d对应的应力是材料拉断前所对应的应力是材料拉断前所承受的最大拉力，称为抗拉强度，用承受的最大拉力，称为抗拉强度，用b b表示，表示，dede缩颈阶段，当拉力达到缩颈阶段，当拉力达到F Fb b后，到达后，到达e e点时，材料局部截面点时，材料局部截面急剧缩小，这种现象称为急剧缩小，这种现象称为“缩颈缩颈”。2.2.低碳钢压缩时的力学性能低碳钢压缩时的力学性能二、塑性与冷作硬化二、塑性与冷作硬化v塑性：材料在外力作用下，产生永久变形而不断裂的塑性：材料在外力作用下，产生永久变形而不断裂的能力，常用的塑性指标是断后伸长率与断面收缩率。能力，常用的塑性指标是断后伸长率与断面收缩率。 断后伸长率：指试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分断后伸长率：指试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分 比，用符号比，用符号表示。表示。式中式中 l l1 1 试样拉断后的标距长度，试样拉断后的标距长度，mmmm l l0 0 试样的原始标距长度，试样的原始标距长度，mmmm 断后收缩率：指试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原断后收缩率：指试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号始横截面积的百分比，用符号表示。表示。式中式中 A A0 0 试样的原始横截面积，试样的原始横截面积，mmmm2 2 A A1 1 试样拉断处的最小横截面积，试样拉断处的最小横截面积，mmmm2 2v冷作硬化：冷作硬化：金属在再结晶温度以下进行塑性变形加工金属在再结晶温度以下进行塑性变形加工而导致的材料强度、硬度升高而导致的材料强度、硬度升高, ,塑性韧性下降的现象塑性韧性下降的现象, ,例例如：冷拔，冷轧如：冷拔，冷轧第四节、连接件的剪切和挤压第四节、连接件的剪切和挤压课程设置课程设置u剪切剪切u挤压挤压u剪切与挤压在生产中的应用剪切与挤压在生产中的应用一一. .剪切剪切v剪切的受力特点：外力剪切的受力特点：外力大小相等、方向相反、作大小相等、方向相反、作用线平行且相距很近。用线平行且相距很近。v剪切变形的特点：截面剪切变形的特点：截面沿外力方向产生相对错动。沿外力方向产生相对错动。v剪力大小与外力相等且与该受力截面相切，用剪力大小与外力相等且与该受力截面相切，用F FQ Q表示，表示，v单位面积上所受的剪力，称为切应力，用单位面积上所受的剪力，称为切应力，用表示。表示。方向与剪切力相同。方向与剪切力相同。图例图例例例1：如图，：如图，b为为10mm，l为为60mm，h为为10mm，F为为500N，求，求在剪力在剪力F的作用下平键承受的切应力？的作用下平键承受的切应力？图例图例例例2：如图，螺栓的半径为：如图，螺栓的半径为5mm，剪力，剪力F为为200N，坯料厚度为，坯料厚度为10mm，求在剪力，求在剪力F的作用下螺栓承受的切应力？的作用下螺栓承受的切应力？二二. .挤压挤压v挤压应力：工程中假定挤压力在挤压面上是均匀分挤压应力：工程中假定挤压力在挤压面上是均匀分布的，挤压面上单位面积所受的挤压力称为挤压应力。布的，挤压面上单位面积所受的挤压力称为挤压应力。思考题思考题例例2：如图，螺栓的半径为：如图，螺栓的半径为5mm，剪力，剪力F为为200N，坯料厚度为，坯料厚度为10mm，求在剪力，求在剪力F的作用下螺栓承受的挤压应力？的作用下螺栓承受的挤压应力？第五节、圆轴的扭转第五节、圆轴的扭转课程设置课程设置u扭转的概念扭转的概念u圆轴扭转的外力偶矩圆轴扭转的外力偶矩一一. .扭转的概念扭转的概念v扭转变形的特点：扭转变形的特点：构件受到大小相等、构件受到大小相等、方向相反、作用面垂方向相反、作用面垂直于轴线的力偶作用，直于轴线的力偶作用，截面之间绕轴线发生截面之间绕轴线发生相对转动。相对转动。二二. .圆轴扭转的外力偶矩圆轴扭转的外力偶矩v圆轴扭转外力偶矩的计算公司：圆轴扭转外力偶矩的计算公司：式中式中 P圆轴传递的功率，圆轴传递的功率，Kw n圆轴的转速，圆轴的转速，r/min M作用在圆轴上的外力偶矩，作用在圆轴上的外力偶矩，Nm