汽车机械基础学习任务6

第1页学习任务6材料力学基础任务目标汽车机械基础重点难点主要内容本章小结主要内容本章小结第2页学习任务6材料力学基础汽车机械基础任务目标学会在汽车结构件设计、维修中对构件的力学性能进行分析，确保构件长期安全可靠使用。理解货运方式选择的影响因素掌握材料的强度、刚度、稳定性的计算熟悉材料的力学性能分析方法了解材料的力学性能指标及其意义第3页学习任务6材料力学基础汽车机械基础重点难点由材料力学的核心概念强度、刚度、稳定性出发，从三类基本变形入手，建立起三类变形的强度条件、刚度条件,由此进行强度、刚度校核、截面尺寸设计、确定最大载荷的计算。并熟悉掌握由此主线所引入的概念体系，诸如截面法、正应力、切应力等，最终建立起材料力学的基本知识体系结构。第4页学习任务6材料力学基础汽车机械基础主要内容第二节轴向拉伸和压缩第一节材料力学的基本概念第三节圆轴的扭转第四节直梁的弯曲第五节应力集中第5页学习任务6材料力学基础汽车机械基础第一节材料力学的基本概念第6页学习任务6材料力学基础汽车机械基础本节任务目标主要了解材料力学研究的问题及其任务，强度、刚度、稳定性，以及构件的主要变形。第7页学习任务6材料力学基础汽车机械基础各类机械设备及工程结构均是有若干构件组成的系统，所谓构件，即组成机械或结构的基本运动单元。由于构件在工作时往往承受载荷作用，其必然产生形状和大小的变化，即变形，轻微的变形是不可避免的，但严重的变形甚至断裂则应竭力避免。一、材料力学研究的问题及其任务第8页学习任务2汽车常用金属材料汽车机械基础构件抵抗断裂（或称破坏）的能力，称为强度。如果构件的尺寸、材料的性能与载荷不相适应，比如电梯的钢丝绳过细，汽车的传动轴直径太小，当承载大载荷时，就可能因强度不够而发生断裂，使机器无法正常工作，甚至造成灾难性事故。因而材料力学首先要解决构件的强度问题，即如何使构件具有足够的强度，以保证在载荷作用下不致破坏。1．强度第9页学习任务2汽车常用金属材料汽车机械基础构件抵抗变形的能力，称为刚度。外力作用下，材料的变形是不可避免的，因此轻微的变形是机械设计中允许的，但严重的变形会导致机械性能下降，振动加强、噪音加大，磨损加重，因此在机械设计中要考虑构件的刚度问题。比如，车床主轴若变形较大如图所示，则会破坏齿轮的正常啮合，引起轴承的不均匀磨损，影响被加工零件精度。对这类构件，要考虑刚度问题。2．刚度主轴刚度不够而弯曲第10页学习任务2汽车常用金属材料汽车机械基础3．稳定性受压的细长杆和薄壁构件，载荷增加时，在满足强度要求的情况下，还可能出现突然失去初始平衡的情形，称为丧失稳定，简称失稳。例如顶起车辆的千斤顶的螺杆，挖掘机液压顶杆如图所示，有时会突然变弯，甚至弯曲断裂，由此导致严重事故。在细长杆和薄壁构件在受压状态下，需要重点考虑如何使构件具有足够的保持初始平衡形态的能力，也就是构件的稳定性。细长杆的失稳第11页学习任务6材料力学基础汽车机械基础二、构件的主要变形构件在载荷作用下，其变形的基本形式有四种：轴向拉伸和压缩、剪切和挤压、扭转和弯曲，如表所示，其他复杂的变形形式，都是上述两种或两种以上基本变形的组合，称为组合变形。构件的不同变形形式，对其进行材料力学分析的视角是不同的，故对构件的材料力学分析，要先分析构件的受力情况，确定其变形形式，然后再进行材料力学分析。第12页学习任务6材料力学基础汽车机械基础本节思考与练习1、材料力学研究的问题有哪些？2、构件的主要变形有哪些？第13页汽车机械基础学习任务2汽车常用金属材料第二节轴向拉伸和压缩第14页学习任务6材料力学基础汽车机械基础本节任务目标主要了解轴向拉伸和压缩时的内力与应力、轴向拉伸和压缩时的应力、材料在拉伸和压缩时的力学性能以及轴向拉伸和压缩时的强度条件。第15页学习任务6材料力学基础汽车机械基础一、轴向拉伸和压缩时的内力与应力对于所研究的构件来说，其他构件或物体作用于其上的力均为外力。构件因外力作用而产生变形，与此同时内部各质点间相互作用力也发生变化，这种因质点间相对位置改变而引起的相互作用力的改变量，称内力。在一定限度内，内力随外力的增大而增加。若内力超过了限度，则构件将被破坏。1．内力与截面法（1）内力的概念第16页学习任务2汽车常用金属材料汽车机械基础（2）截面法为研究内力问题，人们假想将杆件沿轴向截断，形成截面，如图所示，通过研究截面上的内力来研究轴向拉伸和压缩变形。0xF0FFNFFN截面法研究内力第17页学习任务6材料力学基础汽车机械基础若取部分Ⅱ为脱离体，则由作用与反作用原理可知，部分Ⅱ截面上的轴力与前述部分上的轴力数值相等而方向相反，如上图所示。同样，此轴力也可以从脱离体的平衡条件来确定。轴力正负号规定：拉力为正，压力为负。在杆件受拉或受压状态未知时，取脱离体截面外法线方向为轴力参考正方向，若通过静力学公式计算出轴力为正，则脱离体受拉；为负，则受压。第18页学习任务2汽车常用金属材料汽车机械基础在多个力作用时，由于各段杆上轴力的大小及正负号各异，所以为了形象地表明各截面轴力的变化情况，通常将其绘成“轴力图”如图所示。作法是：以杆的端点为坐标原点，取平行杆轴线的坐标轴为称为基线，其值代表截面位置，纵轴表示对应截面上值，正值绘在其基线上方，负值绘在基线下方。（3）轴力图轴力图绘制xNF第19页学习任务2汽车常用金属材料汽车机械基础2．轴向拉伸和压缩时的应力横截面单位面积上的内力即为应力。考虑材料相同、一粗一细两个杆件，在受同样外力作用时，横截面上内力相同，但细杆被拉长或拉断时，粗杆的拉长量较细杆小，且未被拉断。这说明构件变形情况与截面面积大小有关，所以应力概念被提出来。杆件变形情况，严谨来说，取决于应力大小，而不是内力大小。（1）应力概念第20页学习任务2汽车常用金属材料汽车机械基础（2）平面假设为简化问题的处理，假定横截面在轴向拉压时仍然保持为平面不变。由平面假设可知，横截面上只存在垂直于横截面的应力，即正应力，用表示。因为材料均匀连续，并且纵向纤维的伸长相同，所以横截面上的正应力均匀分布。由此正应力表述为：AFN第21页学习任务6材料力学基础汽车机械基础二、拉压杆的变形、胡克定律实验表明，杆受到轴向外力拉伸或压缩时，主要在轴线方向产生伸长或缩短，同时横向尺寸也缩小或增大，分别如图所示，虚线表示变形后的杆件形状。拉压杆的变形第22页学习任务6材料力学基础汽车机械基础纵向线应变0ll01lll横向线应变'0'dd泊松比'是材料的弹性常数第23页学习任务6材料力学基础汽车机械基础胡克定律AFllEAFllEAlFlNAFEllN1ll由于AFNE得E或：弹性模量，材料的弹性常数E第24页学习任务6材料力学基础汽车机械基础三、材料在拉伸和压缩时的力学性能实践表明，粗细相同的钢丝和铜丝受拉伸时，钢丝不易拉断，而铜丝容易拉断。这说明不同材料抵抗破坏的能力也不同，构件的强度和构件所用材料的力学性能有关。为了得到既安全又经济的构件，必须研究构件材料的力学性能。研究材料的力学性能，不仅可以解决构件的强度计算问题，也可作为选择材料、合理制定工艺规程的依据。第25页学习任务6材料力学基础汽车机械基础1．材料的力学性能测量原理材料的力学性能是材料的固有特性，可以通过试验来测定。试验应该根据国家标准《金属材料室温拉伸试验方法》中的规定，将材料制成标准试样。拉伸压缩试样0010dl005dl或00)3~5.1(dl第26页学习任务6材料力学基础汽车机械基础2．塑性材料拉伸时的力学性能Q235A钢的应力应变曲线第27页学习任务2汽车常用金属材料汽车机械基础（1）比例极限在第Ⅰ阶段——弹性阶段，试件的变形完全是弹性变形，全部卸除荷载后，试件将恢复其原长，因此称这一阶段为弹性阶段。在弹性阶段内，A点是应力与应变成正比即符合胡克定律的最高限，与之对应的应力则称为材料的比例极限，用表示。Q235A钢的比例极限。弹性阶段的最高点F是卸载后不发生塑性变形的极限，而与之对应的应力则称为材料的弹性极限，并以表示。pMPap196e第28页学习任务2汽车常用金属材料汽车机械基础（2）屈服极限第Ⅱ阶段——屈服阶段。超过弹性极限以后，应力有幅度不大的波动，应变急剧地增加，这一现象通常称为屈服或流动，这一阶段则称为屈服阶段或流动阶段。在此阶段，试件表面上将可看到大约与试件轴线成45°方向的条纹，它们是由于材料沿试件的最大切应力面发生滑移而出现的，故通常称为滑移线。在屈服阶段里，其最高点B的应力称为上屈服极限，而最低点C的应力则称为下屈服极限，上屈服极限的数值不稳定，而下屈服极限值则较为稳定。因此，通常将下屈服极限称为材料的屈服极限或屈服点，并以表示。Q235A钢的屈服极限。sMPas235第29页学习任务2汽车常用金属材料汽车机械基础（3）强度极限（4）材料的塑性Q235A钢的强度极限MPab431断后伸长率%100001lll断面收缩率%10010AAA低碳钢的30%~20%工程上，一般将%5的材料称为脆性材料，而将%5的材料称为塑性材料。%70~%60第30页学习任务2汽车常用金属材料汽车机械基础（5）冷作硬化在试样的应力超过屈服点后卸载，然后再重新加载时，材料的比例极限提高了，而断裂后的塑性变形减少了，这表明材料的塑性降低了，这一现象称为冷作硬化。工程上常利用冷作硬化来提高某些构件（如车身覆盖件的加强筋）在弹性范围内的承载能力。第31页学习任务2汽车常用金属材料汽车机械基础3．脆性材料拉伸时的力学性能灰口铸铁在拉伸时的曲线第32页学习任务6材料力学基础汽车机械基础灰铸铁的拉伸曲线有如下特点：（1）曲线无明显的直线部分，但是，应力在较小范围内的一段曲线很接近直线，故胡克定律还可适用；（2）没有屈服、强化、局部变形阶段，只有唯一抗拉强度指标，即试样拉断时横截面上应力。（3）断后伸长率约为%6.0~%5.0，表明塑性低。b第33页学习任务2汽车常用金属材料汽车机械基础4．塑性材料在压缩时的力学性能塑性材料压缩时的力学性能：①低碳钢拉、压时的ps以及弹性模量E基本相同。②材料延展性很好，不会被压坏，因此无法得到使其压坏的强度极限应力值。第34页学习任务2汽车常用金属材料汽车机械基础5．脆性材料在压缩时的力学性能压缩时的塑性变形和抗压强度均比拉伸时大得多，宜做受压构件；即使在较低应力下曲线也只近似符合胡克定律。试件最终沿着与横截面大致成55~45的斜截面发生错动而破坏。第35页学习任务6材料力学基础汽车机械基础四、轴向拉伸和压缩时的强度条件材料丧失正常工作能力时的应力，称为极限应力。u塑性材料：su脆性材料：bunu][塑性材料：5.2~2.1sn脆性材料：5.3~0.2bn1．极限应力2．安全因数及许用应力第36页学习任务2汽车常用金属材料汽车机械基础3．强度条件为了确保拉杆件不致因强度不足而破坏，其强度条件为：][max即][maxAFN根据上述强度条件，可以解决下列三种强度计算问题：第37页学习任务2汽车常用金属材料汽车机械基础已知荷载、杆件尺寸及材料的许用应力，根据强度条件公式检验杆件能否满足强度条件。已知荷载及材料的许用应力，按强度条件选择杆件的横截面面积或尺寸，即确定杆件所需的最小横截面面积。将上述强度条件改写为：][maxNFA（1）强度校核（2）设计截面尺寸第38页学习任务2汽车常用金属材料汽车机械基础（3）确定许用荷载已知杆件的横截面面积及材料的许用应力，确定许用荷载。将上述强度条件改写为：AFN][max然后再由maxNF求许用荷载。第39页学习任务6材料力学基础汽车机械基础本节思考与练习1、简述材料在拉伸和压缩时的力学性能。2、灰铸铁的拉伸曲线有什么特点？3、分析轴向拉伸和压缩时的强度条件。第40页汽车机械基础学习任务2汽车常用金属材料第三节圆轴的扭转第41页学习任务6材料力学基础汽车机械