第一章绪论
同济大学航空航天与力学学院顾志荣
一、教学目标和教学内容
1、教学目标
⑴了解材料力学的任务和研究内容；
(2) 了解变形固体的基本假设；
(3) 构件分类，知道材料力学主要研究等直杆；
(4)具有截面法和应力、应变的概念。
2、教学内容
(1) 构件的强度、刚度和稳定性概念，安全性和经济性，材料力学的任务；
(2)变形固体的连续性、均匀性和各向同性假设，材料的弹性假设，小变形假设；
(3)构件的形式，杆的概念，杆件变形的基本形式;
(4)截面法，应力和应变。
二、重点与难点
重点同教学内容，基本上无难点。
三、教学方式
讲解，用多媒体显示工程图片资料，提出问题，引导学生思考，讨论。
四、建议学时
1～2学时
五、实施学时
六、讲课提纲
1、由结构与构件的工作条件引出构件的强度、刚度和稳定性问题。强度：构件抵抗破坏的能力；
刚度：构件抵抗变形的能力；
稳定性：构件保持自身的平衡状态为。
2、安全性和经济性是一对矛盾，由此引出材料力学的任务。
3、引入变形固体基本假设的必要性和可能性
连续性假设：材料连续地、不间断地充满了变形固体所占据的空间；均匀性假设：材料性质在变形固体内处处相同；
各向同性假设：材料性质在各个方向都是相同的。
弹性假设：材料在弹性范围内工作。所谓弹性，是指作用在构件上的荷载撤消后，构件的变形全部小时的这种性质；
小变形假设：构件的变形与构件尺寸相比非常小。
4、构件分类
杆，板与壳，块体。它们的几何特征。
5、杆件变形的基本形式
基本变形：轴向拉伸与压缩，剪切，扭转，弯曲。
各种基本变形的定义、特征。几种基本变形的组合。
6、截面法，应力和应变
截面法的定义和用法；
为什么要引入应力，应力的定义，正应力，切应力；
为什么要引入应变，应变的定义，正应变，切应变。
第二章轴向拉伸与压缩
一、教学目标和教学内容
1、教学目标
⑴掌握轴向拉伸与压缩基本概念；
⑵熟练掌握用截面法求轴向内力及内力图的绘制；
⑶熟练掌握横截面上的应力计算方法，掌握斜截面上的应力计算方法；
⑷具有胡克定律，弹性模量与泊松比的概念，能熟练地计算轴向拉压情况下杆的变形；
⑸了解低碳钢和铸铁，作为两种典型的材料，在拉伸和压缩试验时的性质。了解塑性材料和脆性材料的区别。
(6)建立许用应力、安全系数和强度条件的概念，会进行轴向拉压情况下构件的强度计算。
(7)了解静不定问题的定义，判断方法，掌握求解静不定问题的三类方程（条件）：平衡方程，变形协调条件和胡克定律，会求解简单的拉压静不定问题。
2、教学内容
(1) 轴向拉伸与压缩的概念和工程实例；
(2) 用截面法计算轴向力，轴向力图；
(3) 横截面和斜截面上的应力；
(4) 轴向拉伸和压缩是的变形；
(5) 许用应力、安全系数和强度条件，刚度条件；
(6) 应力集中的概念；
(7) 材料在拉伸和压缩时的力学性能；
(8) 塑性材料和脆性材料性质的比较；
(9) 拉压静不定问题
(10)圆筒形压力容器。
二、重点难点
重点：教学内容中的（1）～（5），（7）～（9）。
难点：拉压静不定问题中的变形协调条件。通过讲解原理，多举例题，把变形协调条件的形式进行归类来解决。讲解静定与静不定问题的判断方法。
三、教学方式
采用启发式教学，通过提问，引导学生思考，让学生回答问题。
四、建议学时
8学时
五、实施学时
六、讲课提纲
Ⅰ、受轴向拉伸（压缩）时杆件的强度计算
一、轴向拉（压）杆横截面上的内力
1、内力的概念
（1）内力的含义
（2）材料力学研究的内力——附加内力
2、求内力的方法——截面法
（1）截面法的基本思想
假想地用截面把构件切开，分成两部分，将内力转化为外力而显示出来，并用静力平衡条件将它算出。
举例：求图示杆件截面m-m上的内力
图2-1截面法求内力
根据左段的平衡条件可得：
ΣF X=0 F N-F P=0 F N=F P
若取右段作为研究对象，结果一样。
（2）截面法的步骤：
①截开：在需要求内力的截面处，假想地将构件截分为两部分。
②代替：将两部分中任一部分留下，并用内力代替弃之部分对留下部分的作用。
③平衡：用平衡条件求出该截面上的内力。
（3）运用截面法时应注意的问题：力的可移性原理在这里不适用。
图2-2不允许使用力的可移性原理
3、轴向内力及其符号规定
（1）轴向拉（压）杆横截面上的内力——轴向内力，轴向内力F N 的作用线与杆件轴线重合，即F N是垂直于横截面并通过形心的内力，因而称为轴向内力，简称轴力。
（2）轴力的单位：N（牛顿）、KN（千牛顿）
（3）轴力的符号规定：
轴向拉力（轴力方向背离截面）为正；
轴向压力（轴力方向指向截面）为负。
4、轴力图
（1）何谓轴力图？
杆内的轴力与杆截面位臵关系的图线，即谓之轴力图。
例题2-1 图2-3 ,a所示一等直杆及其受力图，试作其轴力
图。
(a)
(b)
图2-3
（2）轴力图的绘制方法
①轴线上的点表示横截面的位臵；
②按选定的比例尺，用垂直于轴线的坐标表示横截面上轴力的数值；
③正值画在基线的上侧,负值画在基线的下侧；
④轴力图应画在受力图的对应位臵，F N与截面位臵一一对应。（3）轴力图的作用
使各横截面上的轴力一目了然，即为了清楚地表明各横截面上的轴力随横截面位臵改变而变化的情况。
（4）注意要点：
①一定要示出脱离体（受力图）；
②根据脱离体写出平衡方程，求出各段的轴力大小；
③根据求出的各段轴力大小，按比例、正负画出轴力图。
二、轴向拉（压）杆横截面及斜截面上的应力
1、应力的概念
（1）何谓应力？
内力在横截面上的分布集度，称为应力。
（密集程度）
（2）为什么要讨论应力？
判断构件破坏的依据不是内力的大小，而是应力的大小。即要判断构件在外力作用下是否会破坏，不仅要知道内力的情况，还要知道横截面的情况，并要研究内力在横截面上的分布集度（即应力）。
（3）应力的单位
应力为帕斯卡（Pascal），中文代号是帕；
国际代号为Pa，1Pa=1N/M2
常用单位：MPa (兆帕)，1 MPa=106Pa=N/MM2
GPa（吉帕），1 GPa=109Pa
。
2、横截面上的应力
为讨论横截面上的应力，先用示教板做一试验：
图2-4 示教板演示
观察示教板上橡胶直杆受力前后的变形：
受力前：ab、cd为┴轴线的直线
受力后：a’b’、c’d’仍为┴轴线的直线
有表及里作出
（1）观察变形
（2）变形规律
（3）结论 横截面上各点的应力相同。 即 A
F N
=σ （5-1）
式中：ζ——横截面上的法向应力，称为正应力；
F N ——轴力，用截面法得到； A ——杆件横截面面积。
（4） 横截面上正应力计算公式（2-1式）应用范围的讨论：
①对受压杆件，仅适用于短粗杆；
②上述结论，除端点附近外，对直杆其他截面都适用。 申维南（Saint Venant ）原理指出：
“力作用杆端方式的不同，只会使与杆在不大于杆的横向尺寸的范围内受到影响。”
③对于变截面杆，除截面突变处附近的内力分布较复杂外，其他各横截面仍可假定正应力分布。 （5） 正应力（法向应力）符号规定：
拉应力为正； 压应力为负。
例题 2-2 已知例题2-1所示的等直杆的横截面面积A=400MM 2，求该杆的最大工作应力？
解：由例题2-1轴力图可知，该杆上KN 50max =N F ，所以此杆的最大工作应力为
125MPa N/m 10125m
1040050000N
max
max 262
6=?=?=
=-A
F N σ
例题2-3 一横截面为正方形的变截面杆，其截面尺寸及受力如图2-5所示，试求杆内的最大工作应力？
（a ） （b ） 图2-5 尺寸单位：mm
（1）作杆的轴力图，见图2-5，b （2）因为是变截面，所以要逐段计算
（压应力）0.87MPa m 1024024050000N
2
6-=??-==
-I NI I
A F σ （压应力）1.1MPa m 10370370N 101502
63-=???-==-II NII II
A F σ （压应力）1.1MPa max -==II σσ
3、斜截面上的应力
横截面上的应力 特殊面上的应力
任意截面上的应力 一般面上的应力 推导方法与横截面上正应力的推导一样
图2-6
（1）观察变形 相对平移 ?
?
?→→'''
'd c cd b a ab
（2）结论 斜截面上各点处的全应力、P α相等
图2-7
显然： P α〃A α=F N α (a)
式中：A α—α截面的面积
特殊 一般
F N α=P F (b)
∴ P α=α
A
F
P
(c)
斜截面面积A α与横截面面积A 有如下关系：
图2-8
A=A α〃cos α
∴P α=
αA F P = αcos /A F P = A
F P
〃cos α= σ〃 cos α 式中的σ=A
P
是杆件横截面上的正应力。
（3）全应力P α的分解： （任取一点o 处）
图2-9
P α：??
?截面）上的剪应力。斜截面（：称为：与斜截面相切
截面）上的正应力。斜截面（称为：：垂直斜截面
ατασαα
ασ= P α〃cos α=σ〃cos 2α=)2cos 12
ασ
+（ （2-2）
ατ= P α〃 sin α=σ〃sin αcos α=
2
σ
sin2α （2-3） （4） 正应力、剪应力极值：
从式（2-2）、（2-3）可见，ασ、ατ都是α角的函数，因此总可找到它们的极限值
分析式（2-2）可知：当α=0°时，ασ达到最大值，即
0σ=max σ=σ
分析式（2-3），若假定从 x 轴沿轴逆时针转向到α截面的外法线αn 时，α为正；反之α为负，即
图2-10
则 当α=45°、α=-45°时，ατ达到极值，
45τ=max τ=
2σ
45
-τ=min τ=-2
σ
（5） 剪应力互等定律
由上述分析可以看到：在α=+45o和α=-45o斜截面上的剪应力满足如下关系：
45
τ=-
45
-τ
正、负45o两个截面互相垂直的。那么，在任意两个互相垂直的截面上，是否一定存在剪应力的数值相等而符号相反的规律呢？回答是肯定存在的。
这可由上面的（2-3）式得到证明：
ατ=
2σsin2α =-2
σ
sin2（α+90°）=-
90+ατ 即：通过受力物体内一点处所作的互相垂直的两截面上，垂直于两．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
截面交线的剪应力在数值上必相等，而方向均指向交线或背离．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．交线．．
。这个规律就称为剪应力互等定律。 （6） 剪应力（切向应力）符号规定：
剪应力ατ以对所研究的脱离体内任何一点均有顺时针转动趋势的为正，反之为负。
例题 5-4 一直径为d=10mm 的A 3钢构件，承受轴向载荷F P =36 kN.试求α1=0°、α2=30°、α3=45°、α4=60°、α5=90°、α6=-45°各截面上正应力和剪应力值。 解：①α1=0°时，即截面1-1：
图2-11
0σ=
[]A
F
P
==+σσ
）（
02cos 12
=
459MPa m 104
10
π36000N
2
62
=??-
0τ=
002sin 2
=）（ σ
②α2=30°时，即截面2-2：
图2-12
30σ=
[]MPa 3445.12
302cos 12=?=+σσ
）（
30τ=
MPa 199866.02
302sin 2
=?=
σ
σ
）（
③α3=45°时，即截面3-3：
图2-13
45σ=
[]MPa 2302
012452cos 12==+?=+σσσ
）（）（
45τ=
MPa 23012
452sin 2
=?=
σ
σ
）（
④α4=60°时，即截面4-4：
图2-14
60σ=
[][]MPa 1155.02
5.012602cos 12=?=-+?=+σσ
σ
）（）（
60τ=
MPa 199866.02
602sin 2
=?=
σ
σ
）（
⑤α5=90°时，即截面5-5：
图2-15
90σ= 0112=-）
（σ
90τ= 002
=?σ
⑥α5=-45°时，即截面6-6：
图2-16
45-σ=
MPa 230012
=+?）（σ
45-τ=
MPa 2302
452sin 2
-=-
=-σ
σ
）（
由上述计算可见：max σ发生在试件的横截面上，其值
max σ=
MPa A
F P
459==σ max min τ发生在α=+-45°斜面上，其值max
min τ=
MPa 2302
±=σ
三、轴向拉（压）杆的强度计算 1、 极限应力，安全系数、容许应力 （1）极限应力 ①何谓极限应力？
极限应力是指材料的强度遭到破坏时的应力。所谓破坏是指材料出现了工程不能容许的特殊的变形现象。 ②极限应力的测定
极限应力是通过材料的力学性能试验来测定的。 ③塑性材料的极限应力 σ°=σ5 ④脆性材料的极限应力 σ°=σb
（2）安全系数
①何谓安全系数？
对各种材料的极限应力再打一个折扣，这个折扣通常用一个大于1的系数来表达，这个系数称为安全系数。用n 表示安全系数。
②确定安全系数时应考虑的因素：
i ）荷载估计的准确性
ii ）简化过程和计算方法的精确性； iii ）材料的均匀性（砼浇筑）； IV ）构件的重要性；
v ）静载与动载的效应、磨损、腐蚀等因素。 ③安全系数的大致范围：
s n ：1.4～1.8 b n ：2～3
（3）容许应力 ①何谓容许应力？
将用试验测定的极限应力σ0作适当降低，规定出杆件能安全工作的最大应力作为设计的依据。这种应力称为材料的容许应力。
②容许应力的确定：
[]σ=n
σ (n 1) (5-4) 对于塑性材料：[]σ=S
S
n σ 对于脆性材料：[]σ=b
b
n σ
2、 强度条件
（1）何谓强度条件？
受载构件安全与危险两种状态的转化条件称为强度条件。
（2）轴向拉（压）时的强度条件
[]σσ≤=
A
F N
工作应力 （5-5） （3）强度条件的意义
安全与经济的统一 3、 强度计算的三类问题 （1）强度校核：[]σσ≤=A
F N
（2）截面设计：[]
σN
F A ≥
（3）确定容许载荷：[]A F N ?=σ
例题2-5 钢木构架如图2-16所示。BC 杆为钢制圆杆，AB 杆为木杆。若 F P =10kN,木杆AB 的横截面面积 A AB =10000mm 2,容许应力
[]AB σ=7MPa;钢杆BC 的横截面积为A BC =600mm 2,容许应力[]BC σ=160MPa
①校核各杆的强度； ②求容许荷载[]P F
③根据容许荷载，计算钢 BC 所需的直径。
（a ） (b)
图2-16
解：
①校核两杆强度 为校核两杆强度，必须先知道两杆的应力，然后根据强度条件进行验算。而要计算杆内应力，须求出两杆的内力。由节点B 的受力图（图2-16，b ），列出静力平衡条件：
,0=∑Y F F NBC 〃cos60°-F P =0
得 F NBC =2F P =20kN(拉)
,0=∑X F F NAB - F NBC 〃cos30°=0
得 F NAB =压）(kN 3.171073.13=?=P F 所以两杆横截面上的正应力分别为
pa 1073.110
100001073.166
3?=??==-AB NAB AB A F σ =1.73MPa<[]AB σ=7MPa
pa 103.3310
60010206
6
3?=??==-BC NBC BC A F σ =33.3MPa<[]BC σ=160MPa
根据上述计算可知，两杆内的正应力都远低于材料的容许应力，强度还没有充分发挥。因此，悬吊的重量还可以大大增加。那么 B 点处的荷载可加到多大呢？这个问题由下面解决。 ②求容许荷载 因为
[]NAB F =[]70kN 0N 7000101000010766==???=?-AB AB A σ
[]NBC F =[]96kN 96000N 106001016066==???=?-BC BC A σ
而由前面已知两杆内力与P 之间分别存在着如下的关系：
P AB F N 3=
2-4. 图示结构中，1、2两杆的横截面直径分别为10mm 和20mm ，试求两杆内 的应力。设两根横梁皆为刚体。 解：（1）以整体为研究对象，易见A 处的水平约束反力为零； （2）以AB 为研究对象 由平衡方程知 0===A B B R Y X （3）以杆BD 由平衡方程求得 KN N N N Y KN N N m C 200 10 01001101 0212 11==--===?-?=∑∑ （4）杆内的应力为 1
MPa A N MPa A N 7.6320 41020127104101023 2222 3111=???== =???==πσπσ 2-19. 在图示结构中，设AB 和CD 为刚杆，重量不计。铝杆EF 的l 1=1m ，A 1=500mm 2， E 1=70GPa 。钢杆AC 的l 2=，A 2=300mm 2，E 2=200GPa 。若载荷作用点G 的垂直位移不得超过。试求P 的数值。 解：（1）由平衡条件求出EF 和AC 杆的内力 P N N N P N N AC EF AC 4 3 32 2112===== （2）求G 处的位移 2 2221111212243)ΔΔ23 (21)ΔΔ(21Δ21ΔA E l N A E l N l l l l l l A C G + =+=+== （3）由题意 kN P P P A E Pl A E Pl mm l G 1125.2300 102001500500107010009212143435.23 3222111≤∴≤???+????=??+??≤ 2-27. 在图示简单杆系中，设AB 和AC 分别是直径 为20mm 和24mm 的圆截面 杆，E=200GPa ，P=5kN ，试求A 点的垂直位移。
4.1 试求：（1）图示各梁横截面1-1、2-2、 3-3上的剪力和弯矩；（2）梁的剪力方程和弯矩方程；（3）绘制剪力图和弯矩图。 a a a 解： （a ）0 0321 ===S S S F F F F ，，，Fa M Fa M Fa M -=-=-=321 ，，； （b ）0 321===S S S F qa F qa F ，，，0 2 1 2 1322 2 1 =-==M qa M qa M ，，； （c ）qa F qa F qa F S S S 2 12121321 -===，，，0 03221 ===M M qa M ，，； （d ）0 0321 ===S S S F F F F ，，，0 321 ===M Fa M Fa M ，，； 4.2 利用载荷集度、剪力和弯矩之间的微分关 系和积分关系，绘制梁的剪力图和弯矩图。
2F 2F Fa Fa Fa a B A a (a) 2qa a B A a 2 qa 2 qa 2 q (c) 2Fa F 4F /34F /3 4Fa /3 5Fa /3 F /3 F /3 a a a A B F S x (kN) M x (kN m) .F S x (kN) M x (kN m) .F S x (kN) M x (kN m) . a 1.5a a q qa A (f)qa a a a B A 2 qa 2 qa /8 22qa 2 qa 2 q (d) qa 5qa /63qa /27qa /3 7qa /3 4qa /3qa /3 2qa /3 2qa /3 3qa /2 qa /2 qa /2 qa /65qa /6 5qa /6 22qa /3 7qa /6 a a a B A q Fa F S x M x (kN m) .7qa /6 F S x (kN) M x (kN m) 17qa /9 2 5qa /32F S x (kN) M x (kN m)4a /3
第一章
一、选择题
绪论
1. 根据均匀性假设，可认为构件的（ C ）在各处相同。 A. 应力 B. 应变 C. 材料的弹性系数 D. 位移 2. 构件的强度是指（ C ） ，刚度是指（ A ） ，稳定性是指（ B ） 。 A. 在外力作用下构件抵抗变形的能力 B. 在外力作用下构件保持原有平衡状态的能力 C. 在外力作用下构件抵抗强度破坏的能力 3. 单元体变形后的形状如下图虚线所示， A 点剪应变依次为图 （ A ） 图 （ C ） 则 （a） ， （b） ， 图（c） B ） （ 。
(a)
(b)
A. 0 B. 2r C. r 4. 下列结论中（ C ）是正确的。 A. 内力是应力的代数和； B. 应力是内力的平均值； C. 应力是内力的集度； D. 内力必大于应力； 5. 两根截面面积相等但截面形状和材料不同的拉杆受到同样大小的轴向拉力，它们的应力 是否相等（ B ） 。 A. 不相等； B. 相等； C. 不能确定； 6..c
(c) D. 1.5r
二、填空题
1.材料力学对变形固体的基本假设是 连续性假设 ， 均匀性假设 ， 各向同性假设 。 2.材料力学的任务是满足 强度 ， 刚度 ， 稳定性 的要求下，为设计经济安全的构件提供 必要的理论基础和计算方法。 3.外力按其作用的分布方式可以分为 表面力 和 体积力 ， 按载荷随时间的变化情况可以分 为 静载荷 和 动载荷 。 4.度量一点变形过程的两个基本量是 应变ε 和 切应变 γ 。
三、判断题
1. 因为构件是变形固体，在研究构件平衡时，应按构件变性后的尺寸进行计算。 （ × ） 2. 外力就是构件所承受的载荷。 （ × ） 3. 用截面法求内力时，可以保留截开后构件任意一部分进行平衡计算。 （ √ ）
1
材料力学是固体力学的一个基础分支，是工科重要的技术基础课，只有学好材料力学才能学好与本专业有关的后续课程（例如：机械零件等）。 材料力学与工程的关系：材料力学广泛应用于各个工程领域中，如众所周知的飞机、飞船、火箭、火车、汽车、轮船、水轮机、气轮机、压缩机、挖掘机、拖拉机、车床、铇机、铣机、磨床、杆塔、井架、锅炉、贮罐、房屋、桥梁、水闸、船闸等数以万计的机器和设备、结构物和建筑物，在工程设计中都必须用到材料力学的基本知识。对于某些工程如化学工程，由于客观条件的苛刻，如：高温、高压、低温、低压、易燃、易爆、腐蚀、毒性对于机器和设备的力学设计将提出更高的要求。因此对于各类高等工业大学的学生和实际工程中的工程师们都必须具备扎实的材料力学知识。 第一章绪论 §1.1 材料力学的任务 §1.2 变形固体的基本假设 §1.3 外力及其分类 §1.4 内力、截面法和应力的概念 §1.5 变形与应变 §1.6 杆件变形的基本形式 §1.1 材料力学的任务 材料力学主要研究固体材料的宏观力学性能，构件的应力、变形状
态和破坏准则，以解决杆件或类似杆件的物件的强度、刚度和稳定性等问题，为工程设计选用材料和构件尺寸提供依据。 材料的力学性能：如材料的比例极限、屈服极限、强度极限、延伸率、断面收缩率、弹性模量、横向变形因数、硬度、冲击韧性、疲劳极限等各种设计指标。它们都需要用实验测定。 构件的承载能力：强度、刚度、稳定性。 构件：机械或设备，建筑物或结构物的每一组成部分。 强度：构件抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。 所有的机械或结构物在运行或使用中，其构件都将受到一定的力作用，通常称为构件承受一定的载荷，但是对于构件所承受的载荷都有一定的限制，不允许过大，如果过大，构件就会发生断裂或产生塑性变形而使构件不能正常工作，称为失效或破坏，严重者将发生工程事故。如飞机坠毁、轮船沉没、锅炉爆炸、曲轴断裂、桥梁折断、房屋坍塌、水闸被冲垮，轻者毁坏机械设备、停工停产、重者造成工程事故，人身伤亡，甚至带来严重灾难。工程中的事故屡见不鲜，有些触目惊心，惨不忍睹……因此必须研究受载构件抵抗破坏的能力——强度，进行强度计算，以保证构件有足够的强度。 刚度——构件抵抗变形的能力。 当构件受载时，其形状和尺寸都要发生变化，称为变形。工程中要求构件的变形不允许过大，如果过大构件就不能正常工作。如机床的齿轮轴，变形过大就会造成齿轮啮合不良，轴与轴承产生不均匀磨损，降低加工精度，产生噪音；再如吊车大梁变形过大，会使跑车出现爬坡，
1. 衡。设杆 (A) qρ = (B) (C) (D) 2. (A) (C) 3. 在A和B A和点B (A) 0； (C) 45；。 4. 可在横梁（刚性杆）为A (A) [] 2 A σ (C) []A σ； 5. (A) (C)
6. 三杆结构如图所示。今欲使杆3哪一种措施？ (A) 加大杆3的横截面面积； (B) 减小杆3的横截面面积； (C) 三杆的横截面面积一起加大； (D) 增大α角。 7. 图示超静定结构中，梁AB 示杆1的伸长和杆2的缩短，(A) 12sin 2sin l l αβ?=?； (B) 12cos 2cos l l αβ?=?； (C) 12sin 2sin l l βα?=?； (D) 12cos 2cos l l βα?=?。 8. 图示结构，AC 为刚性杆，杆1(A) 两杆轴力均减小； (B) 两杆轴力均增大； (C) 杆1轴力减小，杆2轴力增大； (D) 杆1轴力增大，杆2轴力减小。 9. 结构由于温度变化，则： (A) (B) (C) (D) 10. 面n-n 上的内力N F 的四种答案中哪一种是正确的？(A) pD ； (B) 2 pD ； (C) 4pD ； (D) 8 pD 。
11. 的铅垂位移12. 截面的形状为13. 一长为l 挂时由自重引起的最大应力14. 图示杆112A A >是N1F F 题1-141. D 2. D 3. C 4. B 5. B 6. B 7. C 8. C 9. B 10. B 11. Fl EA ； 12. a b ；椭圆形 13. 22gl gl E ρρ， 14. ＞，= 15. 试证明受轴向拉伸的圆截面杆，其横截面沿圆周方向的线应变s ε等于直径的相对改变量d ε。 证：()s d πππd d d d d d εε+?-?= = = 证毕。 16. 如图所示，一实心圆杆1在其外表面紧套空心圆管2。设杆的拉压刚度分别为11E A 和 22E A 。此组合杆承受轴向拉力F ，试求其长度的改变量。（假设圆杆和圆管之间不发生相对滑动） 解: 由平衡条件 N1N2F F F += (1) 变形协调条件 N1N21122 F l F l E A E A = (2) 由(1)、(2)得 N1111122 F l F l l E A E A E A ?= =+
《材料力学》第五版 刘鸿文 主编 第一章 绪论 一、材料力学中工程构件应满足的3方面要求是：强度要求、刚度要求和稳定性 要求。 二、强度要求是指构件应有足够的抵抗破坏的能力；刚度要求是指构件应有足够 的抵抗变形的能力；稳定性要求是指构件应有足够的保持原有平衡形态的能 力。 三、材料力学中对可变形固体进行的3个的基本假设是：连续性假设、均匀性假 设和各向同性假设。 第二章 轴向拉压 一、轴力图：注意要标明轴力的大小、单位和正负号。 二、轴力正负号的规定：拉伸时的轴力为正，压缩时的轴力为负。注意此规定只 适用于轴力，轴力是内力，不适用于外力。 三、轴向拉压时横截面上正应力的计算公式：N F A σ= 注意正应力有正负号，拉伸时的正应力为正，压缩时的正应力为负。 四、斜截面上的正应力及切应力的计算公式：2cos ασσα=，sin 22αστα= 注意角度α是指斜截面与横截面的夹角。 五、轴向拉压时横截面上正应力的强度条件[],max max N F A σσ=≤ 六、利用正应力强度条件可解决的三种问题：1.强度校核[],max max N F A σσ=≤ 一定要有结论 2.设计截面[],max N F A σ≥ 3.确定许可荷载[],max N F A σ≤ 七、线应变l l ε?=没有量纲、泊松比'εμε =没有量纲且只与材料有关、 胡克定律的两种表达形式：E σε=，N F l l EA ?= 注意当杆件伸长时l ?为正，缩短时l ?为负。 八、低碳钢的轴向拉伸实验：会画过程的应力－应变曲线，知道四个阶段及相应 的四个极限应力：弹性阶段（比例极限p σ，弹性极限e σ）、屈服阶段（屈服
《工程材料力学性能》课后答案 机械工业出版社 2008第2版 第一章单向静拉伸力学性能 1、解释下列名词。 1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。 2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。 3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。 4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。 5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 6．塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。 韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b的台阶。 8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。是解理台阶的一种标志。 9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。 10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。 沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。 11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变 2、金属的弹性模量主要取决于什么因素为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标 答：主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。【P4】 3、试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别为什么 4、决定金属屈服强度的因素有哪些【P12】 答：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。 外在因素：温度、应变速率和应力状态。 5、试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险【P21】 答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。 6、剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同【P23】 答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断裂通常是脆性断裂。 7、何谓拉伸断口三要素影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些 答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。 第二章金属在其他静载荷下的力学性能
金属材料力学性能基本知识 及钢材的脆化 金属材料是现代工业、农业、国防以及科学技术各个领域应用最广泛的工程材料，这不仅是由于其来源丰富,生产工艺简单、成熟,而且还因为它具有优良的性能。 通常所指的金属材料性能包括以下两个方面: 1．使用性能即为了保证机械零件、设备、结构件等能正常工作，材料所应具备的性能,主要有力学性能(强度、硬度、刚度、塑性、韧性等）,物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等),化学性能(耐蚀性、热稳定性等)。使用性能决定了材料的应用范围,使用安全可靠性和使用寿命。 2 工艺性能即材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷、热加工的性能,例如锻造,焊接，热处理，压力加工,切削加工等方面的性能。工艺性能对制造成本、生成效率、产品质量有重要影响。 1．1材料力学基本知识 金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用，当外力达到或超过某一限度时,材料就会发生变形以至断裂。材料在外力作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。锅炉压力容器材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等这些性能指标可以通过力学性能试验测定。 1．1．１强度 金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。材料强度指标可以通过拉伸试验测 出。把一定尺寸和形状的金属试样（图1~２)装夹在试验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。根据试样在拉伸过程中承受的载荷和产生的变形量之间的关系，可绘出该金属的拉伸曲线(图１—3)。在拉伸曲线上可以得到该材料强度性能的一些数据。图1—３所示的曲线，其纵坐标是载荷P(也可换算为应力d),横坐标是伸长量ＡL(也可换算为应变ｅ)。所以曲线称为P—AL曲线或一一s曲线。图中曲线A是低碳钢的拉伸曲线,分析曲线A,可以将拉伸过程分为四个阶段:
第一章 包申格效应：指原先经过少量塑性变形，卸载后同向加载，弹性极限（σP）或屈服强度（σS）增加；反向加载时弹性极限（σP）或屈服强度（σS）降低的现象。 解理断裂：沿一定的晶体学平面产生的快速穿晶断裂。晶体学平面－－解理面，一般是低指数，表面能低的晶面。 解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面。 韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状）。 静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。 可以从河流花样的反“河流”方向去寻找裂纹源。 解理断裂是典型的脆性断裂的代表，微孔聚集断裂是典型的塑性断裂。 5.影响屈服强度的因素 与以下三个方面相联系的因素都会影响到屈服强度 位错增值和运动 晶粒、晶界、第二相等 外界影响位错运动的因素 主要从内因和外因两个方面考虑 （一）影响屈服强度的内因素 1．金属本性和晶格类型（结合键、晶体结构）
单晶的屈服强度从理论上说是使位错开始运动的临界切应力，其值与位错运动所受到的阻力（晶格阻力－－派拉力、位错运动交互作用产生的阻力）决定。 派拉力： 位错交互作用力 （a是与晶体本性、位错结构分布相关的比例系数，L是位错间距。）2．晶粒大小和亚结构 晶粒小→晶界多（阻碍位错运动）→位错塞积→提供应力→位错开动→产生宏观塑性变形。 晶粒减小将增加位错运动阻碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度降低（细晶强化）。 屈服强度与晶粒大小的关系： 霍尔－派奇（Hall-Petch) σs= σi+kyd-1/2 3．溶质元素 加入溶质原子→（间隙或置换型）固溶体→（溶质原子与溶剂原子半径不一样）产生晶格畸变→产生畸变应力场→与位错应力场交互运动→使位错受阻→提高屈服强度（固溶强化）。 4．第二相（弥散强化，沉淀强化） 不可变形第二相 提高位错线张力→绕过第二相→留下位错环→两质点间距变小→流变应力增大。 不可变形第二相 位错切过（产生界面能），使之与机体一起产生变形，提高了屈服强度。 弥散强化：
第一章单向静拉伸力学性能 1、 解释下列名词。 2. 滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落 后于应力的现象。 3?循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。 4?包申格效应： 金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规 定残余伸长应力降低的 现象。 11. 韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆 性断裂，这种现象称 为韧脆转变 2、 说明下列力学性能指标的意义。 答：E 弹性模量G 切变模量 r 规定残余伸长应力 0.2屈服强度 gt 金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应 变硬化指数 【P15】 3、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？ 答：主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但 是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏 感。【P4】 4、 现有4 5、40Cr 、35 CrMo 钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作为机床起身，为什么？ 选灰铸铁，因为其含碳量搞，有良好的吸震减震作用，并且机床床身一般结构简单，对精度要求不高，使用灰铸铁可 降低成本，提高生产效率。 5、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？ 【P21】 答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程 中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂， 断裂前基本上不发生塑性变形， 没有明显征兆，因而危害性很大。 6、 何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？ 答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形 态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。 7、 板材宏观脆性断口的主要特征是什么？如何寻找断裂源？ 断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状，板状矩形拉伸试样断口中的人字纹花样的放射方向也 与裂纹扩展方向平行，其尖端指向裂纹源。 第二章 金属在其他静载荷下的力学性能 一、解释下列名词： (1 )应力状态软性系数—— 材料或工件所承受的最大切应力T max 和最大正应力(T max 比值，即： (3)缺口敏感度一一缺口试样的抗拉强度 T bn 的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度 T b 的比值，称为缺口敏感度，即:【P47 P55】 max 1 3 max 2 1 0.5 2 3 【新书P39旧书P46】
和。 4.滞弹性是指材料在范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加 单向静拉伸时实验方法的特征是、、必须确定的。 ．韧度是衡量材料韧性大小的力学性能指标，其中又分为、 和。 12.在α值的试验方法中，正应力分量较大，切应力分量较小，应力状态较硬。一般用于塑性变形抗力与切断抗力较低的所谓塑性材料试验；在α值的试验方法中，应力状态较软，材料易产生塑性变形，适用于在单向拉伸时容易发生脆断而不能充分反映其塑性性能的所谓脆性材料； 13.材料的硬度试验应力状态软性系数，在这样的应力状态下，几乎所有金属材料都能产生。 14. 硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能，大体上可以分为 、和三大类；在压入法中，根据测量方式不同又分为 、和。 15. 国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分别为试样 和试样，所测得的冲击吸收功分别用
22. 应力状态软性系数：用试样在变形过程中的测得 和的比值表示。 23.微孔聚集型断裂是包括微孔、直至断裂的过程。 24.缺口试样的与等截面光滑试样的的比值。称为“缺口敏感度”。 25.机件在冲击载荷下的断口形式仍为、和。 26.包申格应变是在给定应力下，正向加载和反向加载两曲线之间的应变差。 27.由于缺口的存在，在载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化的现象，被称为“缺口效应”。 28. 洛氏硬度是在一定的实验力下，将120o角的压入工件表面，用所得的来表示材料硬度值的工艺方法。 28.低温脆性是随的下降，材料由转变为的现象。 29. 缺口敏感性是指材料因存在缺口造成的状态和而变脆的 疲劳条带是疲劳断口的特征，贝纹线是断口的特征。 34. 金属材料的疲劳过程也是裂纹的和过程。 35.金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力，用或表示。 36.金属在和特定的共同作用下，经过一段时间后所发生的 现象，成为应力腐蚀断裂。 37.应力腐蚀断裂的最基本的机理是和。 38.由于氢和应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象叫 钢的氢致延滞断裂过程可分为、、三个阶 按磨损模型分为：、、、五大类。 44.韧窝是微孔聚集型断裂的基本特征。其形状视应力状态不同分为下列、、三类。其大小决定于第二相质点的、基体材料的和以及外加应力的大小和形状。
Mechannincs of materials Strength of materials Introduction 材料力学是固体力学的一个基础分支，是工科重要的技术基础课，只有学好材料力学才能学好与本专业有关的后续课程（例如：机械零件等）。 材料力学与工程的关系：材料力学广泛应用于各个工程领域中，如众所周知的飞机、飞船、火箭、火车、汽车、轮船、水轮机、气轮机、压缩机、挖掘机、拖拉机、车床、铇机、铣机、磨床、杆塔、井架、锅炉、贮罐、房屋、桥梁、水闸、船闸等数以万计的机器和设备、结构物和建筑物，在工程设计中都必须用到材料力学的基本知识。对于某些工程如化学工程，由于客观条件的苛刻，如：高温、高压、低温、低压、易燃、易爆、腐蚀、毒性对于机器和设备的力学设计将提出更高的要求。因此对于各类高等工业大学的学生和实际工程中的工程师们都必须具备扎实的材料力学知识。 第一章绪论 §1.1 材料力学的任务 §1.2 变形固体的基本假设 §1.3 外力及其分类 §1.4 内力、截面法和应力的概念 §1.5 变形与应变 §1.6 杆件变形的基本形式 §1.1 材料力学的任务 材料力学主要研究固体材料的宏观力学性能，构件的应力、变形状态和破坏准则，以解决杆件或类似杆件的物件的强度、刚度和稳定性等问题，为工程设计选用材料和构件尺寸提供依据。 材料的力学性能：如材料的比例极限、屈服极限、强度极限、延伸率、断面收缩率、弹性模量、横向变形因数、硬度、冲击韧性、疲劳极限等各种设计指标。它们都需要用实验测定。 构件的承载能力：强度、刚度、稳定性。 构件：机械或设备，建筑物或结构物的每一组成部分。 强度：构件抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。 所有的机械或结构物在运行或使用中，其构件都将受到一定的力作用，通常称为构件承受一定的载荷，但是对于构件所承受的载荷都有一定的限制，不允许过大，如果过大，构件就会发生断裂或产生塑性变形而使构件不能正常工作，称为失效或破坏，严重者将发生工程事故。如飞机坠毁、轮船沉没、锅炉爆炸、曲轴断裂、桥梁折断、房屋坍塌、水闸被冲垮，轻者毁坏机械设备、停工停产、重者造成工程事故，人身伤亡，甚至带来严重灾难。工程中的事故屡见不鲜，有些触目惊心，惨不忍睹……因此必须研究受载构件抵抗破坏的能力——强度，进行强度计算，以保证构件有足够的强度。 刚度——构件抵抗变形的能力。 当构件受载时，其形状和尺寸都要发生变化，称为变形。工程中要求构件的变形不允许过大，如果过大构件就不能正常工作。如机床的齿轮轴，变形过大就会造成齿轮啮合不良，轴与轴承产生不均匀磨损，降低加工精度，产生噪音；再如吊车大梁变形过大，会使跑车出现爬坡，引起振动；铁路桥梁变形过大，会引
第二章第一节金属材料的力学性能 一、选择题 1.表示金属材料屈服强度的符号是（）。 A.σ e B.σ s C.σ b D.σ -1 2.表示金属材料弹性极限的符号是（）。 A.σ e B.σ s C.σ b D.σ -1 3.在测量薄片工件的硬度时，常用的硬度测试方法的表示符号是（）。 A.HB B.HR C.HV D.HS 4.金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力叫（）。 A.强度 B.硬度 C.塑性 D.弹性 二、填空 1.金属材料的机械性能是指在载荷作用下其抵抗（）或（）的能力。 2.金属塑性的指标主要有（）和（）两种。 3.低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、（）和（）三个阶段。 4.常用测定硬度的方法有（）、（）和维氏硬度测试法。 5.疲劳强度是表示材料经（）作用而（）的最大应力值。 三、是非题 1.用布氏硬度测量硬度时，压头为钢球，用符号HBS表示。（） 2.用布氏硬度测量硬度时，压头为硬质合金球，用符号HBW表示。（） 四、改正题 1. 疲劳强度是表示在冲击载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。 2. 渗碳件经淬火处理后用HB硬度计测量表层硬度。 3. 受冲击载荷作用的工件，考虑机械性能的指标主要是疲劳强度。 4. 衡量材料的塑性的指标主要有伸长率和冲击韧性。
5. 冲击韧性是指金属材料在载荷作用下抵抗破坏的能力。 五、简答题 1.说明下列机械性能指标符合所表示的意思：σ S 、σ 0.2 、HRC、σ -1 。 2.说明下列机械性能指标符合所表示的意思：σ b 、δ 5 、HBS、a kv 。 2.2金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能 一、判断题 1.金属材料的密度越大其质量也越大。（） 2.金属材料的热导率越大，导热性越好。（） 3.金属的电阻率越小，其导电性越好。（） 二、简答题： 1.什么是金属材料的工艺性能？它包括哪些？ 2.什么是金属材料的物理性能？它包括哪些？ 3.什么是金属材料的化学性能？它包括哪些？
第1章 绪论 基本概念 提要：本章首先介绍了材料力学的任务以及与其他相关课程之间的关系。 其次，在材料力学中是把实际材料看作均匀、连续、各向同性的可变形固体，且在大多数场合下局限在小变形并在弹性变形范围内进行研究。 给出了杆件变形的4种基本形式：轴向拉压、剪切、扭转和弯曲。 最后，简单介绍了用截面法求杆件内力的基本方法和步骤。 1.1 材料力学的任务及其与相关课程的关系 土木工程中，各种建筑物在施工和使用阶段所承受的所有外力统称为荷载(load)。例如吊车梁的重力、墙体的自重、家具和设备的重力、风载、雪载、地震力和爆炸力等。建筑物中承受荷载并且传递荷载的空间骨架称为结构(structure)，而任何结构都是由构件(member)所组成的。因此，为了保证结构能够正常的工作，就必须要求组成结构的每一个构件在荷载作用下能够正常的工作。 为保证构件在荷载作用下的正常工作，必须使它同时满足三方面的力学要求，即强度、刚度和稳定性的要求。 (1) 构件抵抗破坏的能力称为强度(strength)。对构件的设计应保证它在规定的荷载作用下能够正常工作而不会发生破坏。例如，钢筋混凝土梁在荷载作用下不会发生破坏。 (2) 构件抵抗变形的能力称为刚度(stiffness)。构件的变形必须要限制在一定的限度内，构件刚度不满足要求同样也不能正常工作。例如，吊车梁如果变形过大，将会影响吊车的运行。 (3) 构件在受到荷载作用时在原有形状下的平衡应保证为稳定的平衡，这就是对构件的稳定性(stability)要求。例如，厂房中的钢柱应该始终维持原有的直线平衡形态，保证不被压弯。 构件设计时，构件的强度、刚度和稳定性与其所用的材料的力学性能有关，而材料的力学性能需要通过试验的方法来测定。因此，试验研究和理论研究是材料力学的两个基本研究手段。 综上所述，通过对材料力学的学习，我们将了解构件设计的基本力学原理，以适当地选择材料以及构件的截面形状与尺寸。材料力学的任务就是在满足强度、刚度和稳定性要求下，使构件的设计既安全又经济。 材料力学是以理论力学为先修课程，而以结构力学为后续课程的。理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学，理论力学的刚体静力学中关于平衡的概念以及建立平衡方程求解未知力的方法是材料力学中求解构件内力的基础。而材料力学对构件的强度、刚度和稳定性的研究将为结构力学中对结构的强度、刚度和稳定性的研究打下坚实的基础。因此，材料力学、理论力学、结构力学是三个密切相关的课程，材料力学起着承前启后的作用。
第一章 单向静拉伸力学性能 1、 解释下列名词。 1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。 2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。 3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。 4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。 5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 6．塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。 韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b 的台阶。 8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。是解理台阶的一种标志。 9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。 10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。 沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。 11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变 12.弹性不完整性：理想的弹性体是不存在的，多数工程材料弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等 2、 说明下列力学性能指标的意义。 答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 【P15】 3、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？ 答：主要决定于原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。【P4】 4、 试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别？为什么？ 5、 决定金属屈服强度的因素有哪些？【P12】 答：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。 外在因素：温度、应变速率和应力状态。 6、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？【P21】 答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。 7、 剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？【P23】 答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断裂通常是脆性断裂。 8、 何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？ 答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。
材料力学对变形固体作了哪些基本假设
1-1材料力学对变形固体作了哪些基本假设? 假设的依据是什么?对材料力学研究问题起到了什么作用? 1-21）连续性假设，（2）均匀性假设，（3）各向同性假设，（4）小变形假 设。假设依据及作用：（1）空隙的大小与物体的尺寸相比极为微小，可以忽略 不计，于是就认为固体在整个体积内是 连续的。这样就可以把某些力学量用坐 标的连续函数来表示。（2）这些组成物质的大小和物体尺寸相比很小，而且是 随机排列的。这样物体的任一部分力学 性能就可代表整个的力学性能。（3）金属材料包含数量极多的晶粒，且又随机 排列。（4）在工程中多数物体只发生弹
性变形，相对于物体的原始尺寸来说，这些弹性变形是微小的。在小变形情况下，研究物体的静力平衡等问题时，均可略去这种小变形，而按原始尺寸计 算，从而使计算大为简化。 1-31-3 杆件有哪几种基本变形?每种基本变形的特征是什么?就工程实际和日常生活每种基本变形各举一、两个实例。 1-4（1）轴向拉伸或压缩（2）剪切（3）扭转（4）弯曲。特征及实例：（1）主要是轴线方向的伸长或缩短。如：托架的拉杆和压杆，内燃机的连杆（2）主要是两部分沿外力作用方向发生相对错 动。如：螺栓，键，销钉等。（3）主要是任意两个横截面发生绕轴线的相对转
动。如：钻探机的钻杆，机器中的传动轴。（4）主要是轴线由直变弯。如：桥式起重机大梁，火车轮轴等。 1-51-4 强度：构件抵抗失效（破坏）的能力。刚度：构件抵抗变形的能力。稳定性：构件受载后保持原有平衡形态的能力。 1-6材料力学的任务是什么?它能解决工程上哪些方面的问题? 1-7材料力学的任务是：研究杆件在外力作用下的变形，受力与破坏的规律，为合理设计构件提供有关强度，刚度，稳定性分析的基本理论与方法。选择好材料避免浪费。可以解决强度校核，截面选择，确定可载荷等问题
第一章 1.解释下列名词①滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。②弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。③循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。④包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。⑤塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。⑥韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。 脆性：指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力 ⑦加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时,由于晶粒发生滑移, 出现位错的缠结,使晶粒拉长、破碎和纤维化,使金属的强度和硬度升高,塑性和韧性降低的现象。⑧解理断裂：解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。 2.解释下列力学性能指标的意义弹性模量）；（2）ζ p（规定非比例伸长应力）、ζ e（弹性极限）、ζ s（屈服强度）、ζ 0.2（屈服强度）；（3）ζ b （抗拉强度）；（4）n（加工硬化指数）; （5）δ （断后伸长率）、ψ （断面收缩率） 4.常用的标准试样有5 倍和10倍，其延伸率分别用δ 5 和δ 10 表示，说明为什么δ 5>δ 10。答：对于韧性金属材料，它的塑性变形量大于均匀塑性变形量，所以对于它的式样的比例，尺寸越短，它的断后伸长率越大。 5.某汽车弹簧，在未装满时已变形到最大位置，卸载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及改变措施。答：（1）未装满载时已变形到最大位置：弹簧弹性极限不够导致弹性比功小；（2）使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，这是构件材料的弹性比功不足引起的故障，可以通过热处理或合金化提高材料的弹性极限（或屈服极限），或者更换屈服强度更高的材料。 6.今有45、40Cr、35CrMo 钢和灰铸铁几种材料，应选择哪种材料作为机床机身？为什么？答：应选择灰铸铁。因为灰铸铁循环韧性大，也是很好的消
材料力学性能课后作业 主编时海芳任鑫副主编胡全文高志玉北京大学出版社 第一章 1.解释下列名词①滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。 ②弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。③循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。④包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。⑤塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。⑥韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。⑦加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时,由于晶粒发生滑移,出现位错的缠结,使晶粒拉长、破碎和纤维化,使金属的强度和硬度升高,塑性和韧性降低的现象。⑧解理断裂：解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，即断裂面沿一定的晶面（即解理面）分离。 2.解释下列力学性能指标的意义弹性模量）；（2）ζp（规定非比例伸长应力）、ζe（弹性极限）、ζs（屈服强度）、ζ0.2（屈服强度）；（3）ζb（抗拉强度）；（4）n（加工硬化指数）;（5）δ（断后伸长率）、ψ（断面收缩率） 4.常用的标准试样有5倍和10倍，其延伸率分别用δ5和δ10表示，说明为什么δ5>δ10。答：对于韧性金属材料，它的塑性变形量大于均匀塑性变形量，所以对于它的式样的比例，尺寸越短，它的断后伸长率越大。 5.某汽车弹簧，在未装满时已变形到最大位置，卸载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及改变措施。答：（1）未装满载时已变形到最大位置：弹簧弹性极限不够导致弹性比功小；（2）使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，这是构件材料的弹性比功不足引起的故障，可以通过热处理或合金化提高材料的弹性极限（或屈服极限），或者更换屈服强度更高的材料。 6.今有45、40Cr、35CrMo钢和灰铸铁几种材料，应选择哪种材料作为机床机身？为什么？答：应选择灰铸铁。因为灰铸铁循环韧性大，也是很好的消振材料，所以常用它做机床和动力机器的底座、支架，以达到机器稳定运转的目的。刚性好不容易变形加工工艺朱造型好易成型抗压性好耐磨损好成本低 7.什么是包申格效应？如何解释？它有什么实际意义？答：（1）金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象，称为包申格效应。（2）理论解释：首先，在原先加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍，塞积后便产生了背应力，背应力反作用于位错源，当背应力足够大时，可使位错源停止开动。预变形时位错运动的方向和背应力方向相反，而当反向加载时位错运动方向和背应力方向一致，背应力帮助位错运动，塑性变形容易了，于是，经过预变形再反向加载，其屈服强度就降低了。（3）实际意义：在工程应用上，首先，材料加工成型工艺需要考虑包申格效应。例如，大型精油输气管道管线的UOE制造工艺：U阶段是将原始板材冲压弯曲成U形，O阶段是将U形板材径向压缩成O形，再进行周边焊接，最后将管子内径进行扩展，达到给定大小，即E阶段。按UOE工艺制造的管子，希望材料具有非常小的或者几乎没有包申格效应，以免管子成型后强度的损失。其次，包申格效应大的材料，内应力大。例如，铁素体+马氏体的双相钢对氢脆就比较敏感，而普通低碳钢或低合金高强度钢对氢脆不敏感，这是因为双相钢中铁素体周围有高密度位错和内应力，氢原子与长程内