文档介绍：第七章强度失效分析与设计准则
————材料力学教案
学
时
6学时
基
本
内
容
轴向荷载作用下材料的力学行为与材料失效
杆件失效概念与失效分类
材料在常温静载作用下强度失效的屈服失效准则(最大切应力准则与奇变能密度准则)和断裂失效准则(最大拉应力准则)
强度失效判据与设计准则的应用
教
学
目
的
掌握材料在轴向拉压时的力学性能。
掌握材料在常温静载作用下三种强度失效准则及其应用:最大切应力准则,奇变能密度准则,最大拉应力准则。
重
点
和
难
点
重点:1)材料在轴向拉压时的力学性能。
2)三种强度失效准则。
难点:平面应力状态下,最大切应力准则与奇变能密度准则在非零主应力坐标系中的几何表示及其“一线”和“两区”的力学含义。
教
学
方法
要在突出重点突破难点的基础上区分材料失效,构件失效与结构失效的联系与区别。
区分失效准则与设计准则的联系与区别。
作业
第七章强度失效分析与设计准则
什么是"失效","材料失效"与"构件失效"或"结构失效"有何区别和联系;怎样从众多的失效现象中寻找失效规律;假设失效的共同原因,从而建立失效判据,以及相应的设计准则,以保证所设计的工程构件或工程结构不发生失效,并且具有一定的安全裕度。这即为本章将要涉及的主要问题。
失效的类型很多,本章主要讨论受静荷载作用处于单向应力状态与一般应力状态下的材料强度失效。
失效与材料的力学行为密切相关,因此研究失效必须通过实验研究材料的力学行为。
实验是重要的,但到目前为止,人类所进行的材料力学行为与失效实验是很有限的。怎样利用有限的实验结果建立多种情形下的失效判据与设计准则,这是本章的重点。
§7-1轴向荷载作用下材料的力学行为
材料失效
1. 应力——应变曲线
为研究材料在常温静载作用下的力学行为需将试验材料按照国家标准作成标准试样。然后,在试验机上进行拉伸试验,试验过程中同时自动记录试样所受的荷载及相应的变形,
进而得到自开始加载至试样破断全过程的应力-应变曲线。
应力-应变曲线的形状表征着材料的特定的力学行为,对于不同的材料,应力一应变曲线各不相同,甚至有很大差异。图7一1a、b分别为脆性和韧性金属材料的应力-应变曲线;图7-1c则为塑料的应力-应变曲线。
根据应力一应变曲线,可以得到表征材料力学行为的若干特征性能。
2. 弹性模量
应力一应变曲线上的直线段称为线弹性区。这一区域内的应力与应变之比称为材料的弹性模量(杨氏模量),它是应力一应变曲线上直线段的斜率,用E表示。
在应力一应变曲线的非直线段,还可以定义两种模量:
切线模量,即曲线在任意应变处的斜率,用Et表示。
割线模量,,即自原点至曲线上对应于任意应变点连线的斜率,用Es表示,如图7一2所示。
切线模量与割线模量统称为工程模量,如图7-2所示。
需要指出的是,对于某些非金属材料,例如混凝土,其应力-应变曲线没有明显的线弹性区,故其模量均采用切线模量或割线模量。
3. 比例极限
应力-应变曲线上线弹性区的最高应力值称为比例极限,用σp表示。
4. 弹性极限
在一般情况下,变形(或位移)与荷载相伴而生。当荷载除去时变形随之消失,或者变形除去时载荷随之消失。这种现象称为弹性,相应的变形称为弹性变形εe。对于弹性变形的应力最高限称为弹性极限,应σe
应力超过弹性极限时,当荷载除去后,只有一部分变形随之消失(弹性变形),但仍有一部分变形不会消失,这种变形称为永久变形或塑性变形εp。
5. 屈服应力
在许多材料的应力-应变曲线中,存在这样的一点,该点处应力一应变曲线的斜率零,即dσ/dε=O=0(图7-1b、c中所示曲线),零斜率表面,在无应力的情况下也会产生应变增量,这种现象称为屈服。零斜率时的应力值称为屈服应力或应力强度,用σs表示。
屈服是一种从弹性极限开始的、由于分子滑移而引起的类似流体的行为,也称为塑性流动。
对于没有明显零斜率的应力一应变曲线,%塑性应变的对应应力值作为屈服应力,称为条件屈服应力,。它是通过作一平行于应力一应变曲线直线段的平行线,%,该平行线与应力-,如图7-3所示。
当然,不是所有材料都会发生屈服。有明显屈服现象或破断时有明显塑性变形的材料称为韧性材料。某些材料,例如一般陶瓷,具有较强的抗分子移滑能力,因此在这些材料中发生分分子间滑移,需要比较高的应力值。以致在达到这一应力之前,材料先发生断裂,而且不会表现出明显的塑性变形,这类材料称为脆性材料
对于承载材料,脆性是一种危险的性能。这是由于脆性,材料在失效前没有明显塑性变形的预兆,因而