材料力学(I)第二章
材料力学第二章
衡量，即
A A1 100%
A
（2-9）
式中，A1 为试样被拉断后，在缩颈处测得的最小直径所对应的横截
面面积；A 为原横截面面积； 为断面收缩率。低碳钢的 值为 60%
左右。
如果将试样从 e 点卸载后再加载，直到试样断裂，所得的 加载曲线就如图 2-14 中 O1edf 所示。将该曲线与图 2-12 中的 Oabcdf 相比较，则可看出，图 2-14 所示的试样比例极限提高了， 拉断后的塑性变形减小了，这种现象称为冷作硬化。
过了屈服阶段，曲线又继续上升，即材料又恢复了抵抗变形 的能力。这说明当材料晶格滑移到一定程度后，又产生了抵抗滑 移的能力，这种现象称为材料的强化。这个阶段相当于图 2-12 中 的 cd 段。
载荷达到最高值时，名义应力 也达到最高值，相当于图 2-12 中曲线的最高点 d。这个名义应力的最高值 b 称为材料的强 度极限。低碳钢的 b 约为 400 MPa。
将式（2-2）和式（2-4）代入式（2-5），得
E
（2-6）
式（2-6）为胡克定律的另一表达形式。由此，胡克定律可表述为：若应力不超
过某一极限值，则杆的纵向应变 与正应力 成正比。
上述应力的极限值，称为比例极限，常用 p 表示。各种材料的比例极
限值，可由实验得到。
比例常数 E，称为弹性模量，它表示在拉伸（压缩）时，材料抵抗弹性变
力学知，该平行力系的合力 FN 等于上述无限多个微内力 dFN 之和，即
由此可得
FN
dA
A
dA A
A
FN
A
（2-2）
我们将拉伸中的应力称为拉应力，压缩中的应力称为压应力。计算应力时，只要将 轴力 FN 的代数值，代入式（2-2），所得 的正负，就表示它是拉应力或是压应力。
《材料力学》第2章轴向拉(压)变形习题解答
其方向。 解：斜截面上的正应力与切应力的公式为：
ασσα20cos = αστα2sin 2 = 式中，MPa mm N A N 1001001000020===σ，把α的数值代入以上二式得：
[习题 2-7] 一根等直杆受力如图所示。已知杆的横截面面积 A 和材料的弹性模量 E 。试作轴力图，并求杆端点 D 的位移。 解： （1）作轴力图
[习题 2-9] 一根直径 mm d 16=、长 m l 3=的圆截面杆，承受轴 向拉力 kN F 30=，其伸长为 mm l 2.2=?。试求杆横截面上的应 力与材料的弹性模量 E 。 解：（1）求杆件横截面上的应力 MPa mm N A N 3.1491614.34 110302 23=???==σ （2）求弹性模量 因为：EA Nl l = ?， 所以：GPa MPa l l l A l N E 6.203)(9.2035902 .23000 3.149==?=??=???=σ。 [习题 2-10] （1）试证明受轴向拉伸（压缩）的圆截面杆横截 面沿圆周方向的线应变 s ε等于直径方向的线应变 d ε。 （2）一根直径为 mm d 10=的圆截面杆，在轴向力 F 作用下，直 径减小了 0.0025mm 。如材料 的弹性模量 GPa E 210=，泊松比 3.0=ν，试求该轴向拉力 F 。 （3）空心圆截面杆，外直径 mm D 120=，内直径 mm d 60=，材 料的泊松比 3.0=ν。当其轴向拉伸时，已知纵向线应变 001.0=， 试求其变形后的壁厚。 解：（1）证明 d s εε= 在圆形截面上取一点 A ，连结圆心 O 与 A 点，则 OA 即代表直 径方向。过 A 点作一条直线 AC 垂直于 OA ，则 AC 方向代表圆周方向。νεεε-==AC s（泊
材料力学 第2章杆件的拉伸与压缩
第2章 杆件的拉伸与压缩提要：轴向拉压是构件的基本受力形式之一，要对其进行分析，首先需要计算内力，在本章介绍了计算内力的基本方法——截面法。
为了判断材料是否会发生破坏，还必须了解内力在截面上的分布状况，即应力。
由试验观察得到的现象做出平面假设，进而得出横截面上的正应力计算公式。
根据有些构件受轴力作用后破坏形式是沿斜截面断裂，进一步讨论斜截面上的应力计算公式。
为了保证构件的安全工作，需要满足强度条件，根据强度条件可以进行强度校核，也可以选择截面尺寸或者计算容许荷载。
本章还研究了轴向拉压杆的变形计算，一个目的是分析拉压杆的刚度问题，另一个目的就是为解决超静定问题做准备，因为超静定结构必须借助于结构的变形协调关系所建立的补充方程，才能求出全部未知力。
在超静定问题中还介绍了温度应力和装配应力的概念及计算。
不同的材料具有不同的力学性能，本章介绍了塑性材料和脆性材料的典型代表低碳钢和铸铁在拉伸和压缩时的力学性能。
2.1 轴向拉伸和压缩的概念在实际工程中，承受轴向拉伸或压缩的构件是相当多的，例如起吊重物的钢索、桁架第2章 杆件的拉伸与压缩 ·9··9·2.2 拉(压)杆的内力计算2.2.1 轴力的概念为了进行拉(压)杆的强度计算，必须首先研究杆件横截面上的内力，然后分析横截面上的应力。
下面讨论杆件横截面上内力的计算。
取一直杆，在它两端施加一对大小相等、方向相反、作用线与直杆轴线相重合的外力，使其产生轴向拉伸变形，如图2.2(a)所示。
为了显示拉杆横截面上的内力，取横截面把m m −拉杆分成两段。
杆件横截面上的内力是一个分布力系，其合力为N F ，如图2.2(b)和2.2(c)所示。
由于外力P 的作用线与杆轴线相重合，所以N F 的作用线也与杆轴线相重合，故称N F 为轴力(axial force)。
由左段的静力平衡条件0X =∑有：()0+−=N F P ，得=N F P 。
材料力学1 第五版 孙训方 第二章 拉伸压缩、剪切
F
F
(Sign convention for axial force)
m
m FN
（1）若轴力的指向背离截面，
则规定为正的， F
称为拉力(tensile force). （2）若轴力的指向指向截面，
则规定为负的，称为压力 (compressive force). FN
m
m
F
m
(Axial Tension & Compression，shear)
F
m
F
(Axial Tension & Compression，shear) m 若取 右侧为研究对 象，则在截开面上的轴 力与部分左侧上的轴力 F 数值相等而指向相反. m F m F
FN
m
m FN m F
(Axial Tension & Compression，shear)
2、轴力符号的规定
B F
C
2
Fx 0 Fy 0
FN1 cos45 FN 2 0 FN1 sin 45 F 0 FN 2 20kN FN1 28.3kN
FN 1
y
FN 2 45° B
F
西工大
x
FN 1 28.3 103 1 90106 P a 90MP a A1 202 106 4 FN 2 20103 6 1 2 89 10 Pa 89MPa 6 A2 15 10
(Axial Tension & Compression，shear)
例题2-2
A 1
45°
图示结构，试求杆件AB、CB的应力。 已知 F=20kN；斜杆AB为直径20mm的圆截面 杆，水平杆CB为15×15的方截面杆。 解：1、计算各杆件的轴力。（设斜杆为1杆，水 平杆为2杆）用截面法取节点B为研究对象
材料力学 第2章 力系简化
而合力的作用点即平行力系的中心：
n
xC
lim
n
Fi xi
i 1 n
l
q( x) xdx
0 l
lim
n
i 1
Fi
0 q(x)dx
分布力对点A之矩
分布力包围的面积
结论：分布力的合力的大小等于分布力载荷图的面积，合
力的作用线通过载荷图的形心。
2.2 物体的重心、质心和形心
例2-5 如图所示，已知q、l, 求分布力对A点之矩。
2.2 物体的重心、质心和形心
xC
ΣFi xi ΣFi
，yC
ΣFi yi ΣFi
，zC
ΣFi zi ΣFi
3、平行力系中心的性质
平行力系的中心位置只与各平行力的大小和作用点的 位置有关，与平行力的方向无关。
2.2 物体的重心、质心和形心
二、物体的重心、质心和形心
1、重心
n个小体积ΔVi
坐标xi、yi、zi
（2）实验测定方法 悬挂法
称重法
l
A
C
B
xC G
FNB
二力平衡 两次悬挂
2.2 物体的重心、质心和形心
三、分布力
工程上存在大量分布力的情况，通常需要确定这些分布力
的合力的大小及其合力作用线的位置。对于图示的线分布力，
可以视为由无穷个集中力所构成的平行力系，
其合力的大小：FR
l
q ( x)dx
0
FP1 450kN，FP2 200kN
F1 300kN ，F2 70kN
求：
（1）力系向点 O 简化的结果；
（2）力系简化的最终结果。
2.1 力系简化
解：（1）确定简化中心为O点
《材料力学》第二章
F
F
F
F
横截面上 正应力分
横截面间 的纤维变
斜截面间 的纤维变
斜截面上 应力均匀
布均匀
形相同
形相同
m
分布
F
m
p
Page24
第二章 轴向拉压应力与材料的力学性能 s t
n
F p
n p
FN FN p s 0 cos A A / cos
s p cos s 0 cos 2 s t p sin 0 sin 2
二、材料拉伸力学性能 低碳钢Q235
s
D E A
o
线弹性 屈服
硬化
缩颈
e
四个阶段：Linear, yielding, hardening, necking
Page32
第二章 轴向拉压应力与材料的力学性能
低碳钢Q235拉伸试验 线性阶段
s
B A
规律：
s Ee （OA段）
变形：变形很小，弹性 特征点：s p 200MPa （比例极限）
应力——应变曲线（低碳钢）
思考：颈缩阶段后，图中应力为什么会下降？
Page37
第二章 轴向拉压应力与材料的力学性能
名义应力与真实应力
真实应力曲线 名义应力曲线 名义应力
FN s A
变形前截面积
颈缩阶段载荷减小，截面积也减小，真实应力继续增加
Page38
第二章 轴向拉压应力与材料的力学性能
低碳钢试件在拉伸过程中的力学现象
材料力学应力分析的基本方法：
•试验观察
•几何方程
e const 变形关系
•提出假设
•物理方程
s Ee
材料力学 第2章轴向拉伸与压缩
A
FN128.3kN FN220kN
1
（2）计算各杆件的应力。
C
45°
2
B
s AB
FN 1 A1
28.3103
202
M
Pa90MPa
4
F
FN 1
F N 2 45°
y
Bx
s BC
FN 2 A2
21052103MPa89MPa
F
§2.4 材料在拉伸和压缩时的力学性能
22
5 圣维南原理
s FN A
（2-1）
（1）问题的提出
公式（2-1）的适用范围表明：公式不适用于集中力作
用点附近的区域。因为作用点附近横截面上的应力分布是非
均匀的。随着加载方式的不同。这点附近的应力分布方式就
会发生变化。 理论和实践研究表明：
不同的加力方式，只对力作
用点附近区域的应力分布有
显著影响，而在距力作用点
力学性能：指材料从开始受力至断裂的全部过程中，所表 现出的有关变形和破坏的特性和规律。
材料力学性能一般由试验测定，以数据的形式表达。 一、试验条件及试验仪器 1、试验条件：常温(20℃)；静载（缓慢地加载）；
2、标准试件：常用d=10mm，l=100 mm的试件
d
l
l =10d 或 l = 5d
36
b点是弹性阶段的最高点.
σe—
oa段为直线段，材料满足 胡克定律
sE
sp
E
se sp
s
f ab
Etana s
O
f′h
反映材料抵抗弹
性变形的能力.
40
材料力学-第二章
第二单元第二章 杆件的轴向拉压应力与材料的力学性能§2-1 引言工程实例: 连杆、螺栓、桁架、房屋立柱、桥墩……等等。
力学特征: 构件：直杆外力：合力沿杆轴作用(偏离轴线、怎样处理?)内力：在轴向载荷作用下，杆件横截面上的唯一内力分量为轴力N ，它们在该截面的两部分的大小相等、方向相反。
规定拉力为正，压力为负。
变形：轴向伸缩§2-2 拉压杆的应力一、拉压杆横截面上的应力(可演示，杆件受拉，上面所划的横线和纵线仍保持直线，仅距离改变，表明横截面仍保持为平面)平面假设→应变均匀→应力均匀AN=σ或A P =σ(拉为正，压为负)二、Saint-Venant 原理(1797-1886，原理于1855年提出)问题：杆端作用均布力，横截面应力均布。
杆端作用集中力，横截面应力均布吗? 如图, 随距离增大迅速趋于均匀。
局部力系的等效代换只影响局部。
它已由大量试验和计算证实，但一百多年以来，无数数学力学家试图严格证明它，至今仍未成功。
这是固体力学中一颗难以采撷的明珠。
三、拉压杆斜截面上的应力(低碳钢拉伸，沿45°出现滑移线，为什么?)0cos =-P Ap αα ασ=α=αcos cos AP p ασ=α=σαα2cos cos pασ=α=ταα22sin sin p ()0=ασ=σm ax ()452=ασ=τmax方位角α：逆时针方向为正剪应力τ：使研究对象有顺时针转动趋势为正。
例1和例2，看书p17,18§2-3 材料拉伸时的力学性能(构件的强度、刚度和稳定性，不仅与构件的形状、尺寸和所受外力有关，而且与材料的力学性能有关。
拉伸试验是最基本、最常用的试验。
)一、拉伸试验P18： 试样 拉伸图绘图系统放大变形传感器力传感器--→→→→二、低碳钢拉伸时的力学性能材料分类：脆性材料（玻璃、陶瓷和铸铁）、塑性材料(低碳钢：典型塑性材料)四个阶段：线性阶段（应力应变成正比，符合胡克定律，正比阶段的结束点称为比例极限）、屈服阶段(滑移线)（可听见响声，屈服极限s σ）、强化阶段（b σ强度极限）、局部变形(颈缩)阶段（名义应力↓，实际应力↑） 三(四个)特征点：比例极限、（接近弹性极限）、屈服极限、强度极限(超过强度极限、名义应力下降、实际应力仍上升)。
材料力学第二章 轴向拉伸和压缩
2、计算各杆轴向变形
C
l 2 =1m a =170mm
B'
B2
F
l1 0.48mm
3、由变形的几何条件确定B点的位移 分别以A为圆心，AB1为半径，C为圆 心，CB1为半径画弧，相较于B’点，
B"
小变形条件，可以用切线代替弧线。
材料力学
第2章 轴向拉伸和压缩
FN FN ( x)
轴力方程
即为轴力图。
即：FN随x的变化规律
以x为横坐标，以FN为纵坐标，绘制FN F（ ）的关系图线， N x
FN
正的轴力画在x轴的上侧，负的画在下侧.
x
材料力学
第2章 轴向拉伸和压缩
例题1
等值杆受力如图所示，试作其轴力图
F =25kN F ４=55kN ４ １=40kN F
纵向线 即： 原长相同
变形相同
横截面上各点的纵向线应变相等
c
拉压杆变形几何方程.
反映了截面上各点变形之间的几何关系.
材料力学
第2章 轴向拉伸和压缩
§2-2 横截面上的正应力 应力分布规律 找变形规律 研究思路： 试验观察 综合几何方面、物理方面、静力学方面推导应力计算公式
一、几何方面
F
a' b'
材料力学
第2章 轴向拉伸和压缩
第二章 轴向拉伸和压缩
材料力学
第2章 轴向拉伸和压缩
• • • • • •
本章主要内容 轴力及轴力图 横截面上的应力 拉压杆的变形、胡克定律 强度计算 材料的力学性质
材料力学
第2章 轴向拉伸和压缩
§2-1 概述 一、工程实际中的轴向拉压杆
材料力学1第五版 第二章习题答案
⑵ 实验研究及数值计算表明，在载荷作用 区附近和截面发生剧烈变化的区域，横截面上的 应力情况复杂，上述公式不再正确。
FN A
圣维南原理
作用于物体某一局部区域内的外力系，可以用一个 与之静力等效的力系来代替。而两力系所产生的应 力分布只在力系作用区域附近有显著的影响，在离 开力系作用区域较远处，应力分布几乎相同。
n n B
F
A (f)
例2-1 试作图示杆的轴力图。
40kN 55kN 25kN 20kN 400
A
600
B
300
C
500
D
E
1800
解： 求支反力
FR
1
FR 10kN
2 2
F1=40kN
F2=55kN F3=25kN
3 4 4
F4= 20kN
A 1
B
C
3 D
E
FR
1
F1=40kN
2 2
F2=55kN F3=25kN
§2-1 轴向拉伸和压缩的概念 1、工程实例
2、拉伸与压缩的特点
F F F
F
受力特点：直杆受到一对大小相等，作用线与 其轴线重合的外力F作用。 变形特点：杆件发生纵向伸长或缩短。
此类受轴向外力作用的等截面直杆称为拉杆或压 杆。
§2-2 内力· 截面法· 轴力及轴力图
Ⅰ、内力
内力——由于物体受外力作用而引起的其内部 各质点间相互作用的力的改变量。
当杆内应力不超过材料的某一极限值（“比例极 限”）时
引进比例常数E
Fl l A FNl Fl l EA EA
d1
F
d
F l l1
FNl l EA
孙训方材料力学(I)第五版课后习题答案完整版
第二章轴向拉伸和压缩2-1 试求图示各杆1-1和2-2横截面上的轴力，并作轴力图。
（a）解：；；（b）解：；；（c）解：；。
(d) 解：。
2-2 一打入地基内的木桩如图所示，沿杆轴单位长度的摩擦力为f=kx²（k为常数），试作木桩的轴力图。
解：由题意可得：⎰0lFdx=F,有1/3kl ³=F,k=3F/l ³F N （x 1）=⎰1x 3Fx ²/l ³dx=F(x 1 /l) ³2-3 石砌桥墩的墩身高l=10m ，其横截面面尺寸如图所示。
荷载F=1000KN ，材料的密度ρ=2.35×10³kg/m ³，试求墩身底部横截面上的压应力。
解：墩身底面的轴力为：g Al F G F N ρ--=+-=)( 2-3图 )(942.31048.935.210)114.323(10002kN -=⨯⨯⨯⨯+⨯--=墩身底面积：)(14.9)114.323(22m A =⨯+⨯=因为墩为轴向压缩构件，所以其底面上的正应力均匀分布。
MPa kPa mkN A N 34.071.33914.9942.31042-≈-=-==σ2-4 图示一混合屋架结构的计算简图。
屋架的上弦用钢筋混凝土制成。
下面的拉杆和中间竖向撑杆用角钢构成，其截面均为两个75mm ×8mm 的等边角钢。
已知屋面承受集度为 的竖直均布荷载。
试求拉杆AE 和EG 横截面上的应力。
解：=1）求内力取I-I分离体得（拉）取节点E为分离体，故（拉）2）求应力75×8等边角钢的面积A=11.5 cm2(拉)（拉）2-5 图示拉杆承受轴向拉力，杆的横截面面积。
如以表示斜截面与横截面的夹角，试求当，30，45，60，90时各斜截面上的正应力和切应力，并用图表示其方向。
解：2-6 一木桩柱受力如图所示。
柱的横截面为边长200mm的正方形，材料可认为符合胡克定律，其弹性模量E=10 GPa。
材料力学第02章 拉伸、压缩与剪切
⊕
Ⅰ － ○ 20 kN
⊕
F
x
0
FN1
Ⅰ 80kN Ⅱ
FN2 60 80 0
FN2 20kN
FN2 第三段:
Ⅲ
30kN
60kN
F
x
0
Ⅱ
FN3 30 0
FN3 30kN
FN3
Ⅲ
例2
3kN
画图示杆的轴力图
2kN 2kN 10 kN 4kN 8kN
A
3kN
B
C
D
脆性材料 u （ bc） bt
u
n
n —安全因数 —许用应力
塑性材料的许用应力
脆性材料的许用应力
s
ns
bt
nb
p 0.2 n s bc n b
§2-6
§2-7 失效、安全因数和强度计算
解： A 轴力图
A1 B
○ －
A2 60kN 20 kN C D 20 kN ⊕
AB
BC
CD
FN AB 40 103 20MPa A1 2000 FN BC 40 103 40MPa A2 1000 FN CD 20 103 20MPa A2 1000
3、轴力正负号：拉为正、 F 压为负
0 FN F 0 FN F
F
§2-2
x
4、轴力图：轴力沿杆件轴 线的变化
目录
例1
60kN
画图示杆的轴力图
Ⅰ
80kN
Ⅱ
Ⅲ 50kN
30kN
第一段:
材料力学 第2章应力集中 剪切与挤压
键的右侧的下半部分受到轴给键的作用力，合力大小F‘；
(3)、剪切面： 两组力的作用线交错的面；
A = bl
(4)、挤压面： 相互压紧的局部接触面；
Abs
=
hl 2
(5) 挤压应力
σ bs
=
F Abs
例 齿轮与轴由平键（b×h×L=20 ×12 ×100）连接，它传递的
扭矩m=2KNm，轴的直径d=70mm，键的许用剪应力为[τ]= 60M Pa ，许用挤压应力为[σbs]= 100M Pa，试校核键的强度。
h
L
AQ
b
m P
d
综上，键满足强度要求。
接头的强度计算 在铆钉钢板的接头中，有几种可能的破坏？
P P
可能造成的破坏： （1）因铆钉被剪断而使铆接被破坏；
（2）铆钉和板在钉孔之间相互挤压过大，而使铆接被 破坏；
（3）因板有钉孔，在截面被削弱处被拉断。
N1a − N3a = 0
Δl1
=
N 1l EA
Δl2
=
N2l EA
Δ与原长相比为无穷小；
Δl3
=
N3l EA
且由静力学关系得知 Δl1 = Δl3
3、协调关系 作协调图，确定各变形量之间的关系； 协调关系 Δ -⊿L2= ⊿L1
4、补充方程
Δ -⊿L2= ⊿L1 5、联立求解
Δ − N2l = N1l EA EA
A
B
由于在安装阶段，迫使杆件产生变形，
必定会在杆内 产生应力; 装配应力：
12
3
静不定结构中， 由于杆件的尺寸不准确， A
B
强行装配在一起，在未受载荷之前，杆内已产生应力。
即由于强行装配在一起而引起的应力。 装配应力的特点：
材料力学第二章 轴向拉伸与压缩
§2-1 轴向拉伸与压缩概念 §2-2 轴向拉压时横截面上的内力与应力 §2-3 直杆轴向拉压时斜截面上的应力
§2-1 轴向拉伸与压缩的概念和实例
1、轴向拉压的受力特点： 外力的合力作用线与杆的轴线重合。
2、轴向拉压的变形特点：
轴向拉伸： 轴向伸长，横向缩短。 轴向压缩： 轴向缩短，横向变粗。 3、力学模型
p
sin
s
cos
sin
1s
2
sin 2
s的正负号: 拉应力为正，压应力为负。 的正负号: 绕所保留的截面， 顺时针为正，
逆时针为负。
四、sα 、α出现最大的截面
1、=0º即横截面上，s达到最大
s s cos 2 s
0
2、=45º的斜截面上， 剪应力达最大
A
PA FN2
B
PB B
PB FN3
C
PC C
PC C
PC FN4
FN 2P
5P P
-3P
D PD
D PD
D PD D
PD
x
★轴力图的特点：
1）遇到集中力，轴力图发生突变； 2）突变值 = 集中载荷的大小
★轴力(图)的突变规律：
1）遇到向左的P， 轴力FN 向正方向突变;
自左向右: 2）遇到向右的P ， 轴力FN 向负方向突变；
FN
FN
FN>0
N 与外法线同向,为正轴力(拉力)-
--产生拉伸变形内力为正;
FN
FN
FN<0
N与外法线反向,为负轴力(压力)--
-产生压缩变形内力为负.
4、 轴力图—— FN (x) ~x 的图象表示
材料力学 第2章
第二章杆件的内力分析第一节杆件拉伸或压缩的内力一、轴向拉伸或压缩的概念轴向拉伸或压缩：由一对大小相等、方向相反、作用线与杆件轴线重合的外力作用下引起的，沿杆件长度发生的伸长或缩短。
二、工程实例三、轴力轴力图1、轴力与杆轴线重合的内力合力。
轴力符号：拉伸为正，压缩为负。
∑=0X0122=-+F F N kNF F N 242212-=-=-= ∑=0X34=-N FkNF N143==任一截面上的轴力等于该截面一侧轴向载荷的代数和，轴向载荷矢量离开该截面者取正，指向该截面者取负。
2、轴力图正对杆的下方，以杆的左端为坐标原点，取平行于杆轴线的直线为x 轴，并称为基线，垂直于x 轴的N 轴为纵坐标。
正值绘在基线的上方，负值绘在基线的下方，最后在图上标上各截面轴力的大小。
注意：轴力图与基线形成一闭合曲线。
轴力图必须与杆件对齐。
在轴向集中力作用的截面上，轴力图将发生突变，其突变的绝对值等于轴向集中力的大小，而突变方向：集中力箭头向左时向上突变，集中力箭头向右时向下突变（图是从左向右画）。
例2-10第二节剪切的内力一、剪切的概念剪切：由一对相距很近、大小相等、方向相反的横向外力引起的横截面沿外力作用方向发生的相对错动。
剪切面或受剪面 m-m二、工程实例三、剪力第三节杆件扭转的内力一、扭转的概念扭转：由一对大小相等、方向相反、作用面都垂直于杆轴的力偶引起的杆的任意两个横截面绕杆轴线的相对转动。
ϕ：扭转角；γ：剪切角二、工程实例三、扭矩某一截面上的扭矩等于其一侧各外力偶矩的代数和。
外力偶矩矢量指向该截面的取负，离开该截面的取正。
四、 扭矩图在外力偶作用的截面上，扭矩图将发生突变，其突变的的绝对值等于该外力偶矩的大小，而突变方向：外力偶矩矢量方向向左的向上突变，向右则向下突变。
外力偶矩的计算公式：)(9550m N nP Mk ⋅=注意：kP 单位为kw ；n 单位为min r ；M 单位为m N ⋅第四节 梁弯曲时的内力一、 弯曲 变形的基本概念弯曲变形：由一对大小相等、方向相反，位于杆的纵向平面内的力偶引起的，杆件的轴线由直线变为曲线。
材料力学第二章-拉伸、压缩与剪切课件
总结词
了解拉伸的定义和分类是理解材料力 学的基础。
详细描述
拉伸是指材料受到轴向拉伸或压缩的 外力作用，使材料产生伸长或缩短的 变形。根据外力性质，拉伸可分为弹 性拉伸、塑性拉伸和粘性拉伸等。
拉伸的应力和应变
总结词
应力和应变是描述材料在拉伸过程中受力与变形的关键参数。
在压缩过程中，当材料的 应力超过其抗压强度时， 材料会发生弯曲或断裂。
剪切失效
在剪切过程中，当材料的 剪切应力超过其抗剪强度 时，材料会发生相对滑移 。
材料在拉伸、压缩与剪切中的强度指标
抗拉强度
抗剪强度
材料在拉伸过程中所能承受的最大应 力。
材料在剪切过程中所能承受的最大剪 切应力。
抗压强度
材料在压缩过程中所能承受的最大应 力。
压缩的强度条件
强度条件
在压缩过程中，物体抵抗破坏的能力称为强度条件。
强度条件公式
根据材料力学理论，强度条件公式为σ≤[σ]，其中σ为材料的许用应力，[σ]为材 料的极限应力。
2023
PART 04
剪切力学
REPORTING
剪切定义与分类
剪切定义
剪切是材料在剪切力作用下沿剪切面发生相对滑动的现象。
详细描述
应力是指在单位面积上所受的外力，是衡量材料受力状态的物理量。应变则表示材料长度或体积的变化程度，用 于描述材料的变形程度。在拉伸过程中，应力和应变之间存在一定的关系，这种关系称为应力-应变曲线。
拉伸的强度条件
总结词
强度条件是评估材料在拉伸过程中所能承受的最大应力的关 键指标。
详细描述
强度条件通常通过实验测定，并根据材料的性质和用途进行 分类。常见的强度条件包括抗拉强度、屈服强度和疲劳强度 等。这些强度条件对于材料的选择和使用具有重要的指导意 义。
材料力学(I)第二章
材料力学(Ⅰ)电子教案
轴向拉伸和压缩
25
(3) 推论：拉(压)杆受力后任意两个横截面之间纵 向线段的伸长(缩短)变形是均匀的。根据对材料的 均匀、连续假设进一步推知，拉(压)杆横截面上的 内力均匀分布，亦即横截面上各点处的正应力s 都 相等。 (4) 等截面拉(压)杆横截面上正应力的计算公 FN 。 式 s A
材料力学(Ⅰ)电子教案
轴向拉伸和压缩
34
Ⅲ. 拉(压)杆斜截面上的应力 斜截面上的内力：
F F
变形假设：两平行的斜截面在杆受拉 ( 压 ) 而 变形后仍相互平行。 两平行的斜截面之间的所 有纵向线段伸长变形相同。
材料力学(Ⅰ)电子教案
轴向拉伸和压缩
35
推论：斜截面上各点处轴向分布内力的集度相同， 即斜截面上各点处的总应力p 相等。
轴向拉伸和压缩
21
ΔF dF 该截面上M点处分布内力的集度为 p lim ， Δ A d A ΔA0
其方向一般既不与截面垂直，也不与截面相切，称为总
应力。
材料力学(Ⅰ)电子教案
轴向拉伸和压缩
22
法向分量 总应力 p 切向分量
正应力s
某一截面上法向分 布内力在某一点处 的集度
切应力t
某一截面上切向分 布内力在某一点处 的集度
材料力学(Ⅰ)电子教案
(a) F/2 q=F/A
轴向拉伸和压缩
(b)
F F
27
F/2
F F
q
F/2 F/2
F F
F F
这一原理虽被许多实验所证实，但没有经过严 格的理论证明，也没有确切的数学表达式，因此 不能随便使用。上图为不能应用圣维南(SaintVenant)原理的例子（详见奚绍中编 《材料力学精 讲》，P15)。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在基本情况下
d d1 - d
d d
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
胡克定律(Hooke’s law) 工程中常用材料制成的拉(压)杆，当应力不超过材料 的某一特征值(“比例极限”)时，若两端受力
l Fl A
引进比例常数E，且注意到F = FN，有
l FN l 胡克定律(Hooke’s law),适用于拉(压)杆。 EA
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
3. 推论：拉(压)杆受力后任意两个横截面之间纵向线段 的伸长(缩短)变形是均匀的。根据对材料的均匀、连续假设 进一步推知，拉(压)杆横截面上的内力均匀分布，亦即横截
面上各点处的正应力s 都相等。
FN 4. 等截面拉(压)杆横截面上正应力的计算公式 s 。 A
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
Ⅱ. 截面法· 轴力及轴力图
FN=F
步骤： （1）假想地截开指定截面； （2）用内力代替另一部分对所取分离体的作用力；
（3）根据分离体的平衡求出内力值。
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
横截面m－m上的内力FN其作用线与杆的轴线重合(垂直
于横截面并通过其形心)——轴力。无论取横截面m－m的左
§2-3 应力· 拉(压)杆内的应力
Ⅰ.应力的概念 受力杆件(物体)某一截面的M点附近微面积ΔA上分布
F ，其方向和大小一般 A
内力的平均集度即平均应力， p
m
而言，随所取ΔA的大小而不同。
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
该截面上M点处分布内力的集度为 p lim
布内力在某一点处
的集度 某一截面上切向分 布内力在某一点处 的集度
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
Ⅱ.拉(压)杆横截面上的应力
FN s d A
A
(1) 与轴力相应的只可能是正应力s，与切应力无关； (2) s在横截面上的变化规律横截面上各点处s 相等时 可组成通过横截面形心的法向分布内力的合力——轴力FN； 横截面上各点处s 不相等时，特定条件下也可组成轴力FN。
第二章 轴向拉伸和压缩
§2-4 拉(压)杆的变形·胡克定律
拉(压)杆的纵向变形 基本情况下(等直杆，两端受轴向力)：
纵向总变形Δl = l1-l （反映绝对变形量）
l 纵向线应变 （反映变形程度） l
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
fl
f ( x x)
x
绍中编 《材料力学精讲》，p15)。
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
例题2-2 试求此正方 形砖柱由于荷载引起的横 截面上的最大工作应力。 已知F = 50 kN。
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
解：Ⅰ段柱横截面上的正应力
FN1 50 103 N s1 A1 (0.24 m) (0.24 m) 0.87 106 P a 0.87 MP a (压应力)
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
轴力图(FN图)显示了各段杆横截面上的轴力。
FN, max FN2 50 kN
思考：为何在F1，F2，F3作用着的B，C，D 截面处轴力图 发生突变？能否认为C 截面上的轴力为 55 kN？
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
而
d FR ( pb d )sin pbd 0 2
π
所以
1 pbd pd (2 106 Pa)(0.2m) s ( ) b 2 2 2(510-3 m) 40106 Pa 40 MPa
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
Ⅲ. 拉(压)杆斜截面上的应力 斜截面上的内力：
第二章 轴向拉伸和压缩
例题2-3 试求薄壁圆环在内压力作用下径向截面上的 拉应力。已知：d = 200 mm，δ= 5 mm，p = 2 MPa。
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
解：薄壁圆环 (δ<<d )在内压力作用下，径向截面上的 拉应力可认为沿壁厚均匀分布，故在求出径向截面上的法 F s N 求拉应力。 向力FN后用式 b FR FN 2
式中，s 0
F 为拉(压)杆横截面上( =0)的正应力。 A
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
斜截面上的正应力(normal stress)和切应力(shearing stress)：
s p cos s 0 cos2
t p sin
正应力和切应力的正负规定：
f
l
x
x
沿杆长均匀分布 的荷载集度为 f 轴力图
fx
微段的分离体
图示一般情况下在不同截面处杆的横截面上的轴力不同， 故不同截面的变形不同。
x x 截面处沿x方向的纵向平均线应变为 x
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
fl
f ( x x)
x
f
l
x
x
沿杆长均匀分布 的荷载集度为 f 轴力图
F F
变形假设：两平行的斜截面在杆受拉(压)而变形后 仍相互平行。=>两平行的斜截面之间的所有纵向线段伸 长变形相同。
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
推论：斜截面上各点处轴向分布内力的集度相同，即斜截
面上各点处的总应力p相等。
斜截面上的总应力：
F F F p cos s 0 cos A A / cos A
F
x
0
F F
FR = F
x1
Fx1 FN2 2 F - FR 0 l
FN2 Fx1 F l
Fx1 F l
FN 2
F
x1
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
F
F
q=F/l
F
l F +
2l
l F
+ F FN 图
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
F l
例题2-2：试作此杆的轴力图。 F
q
F l 解： FR 1 F F FR
FR = F
F
F
2l 2 q
l 3 F
1
2 F'=2ql
3
F
F
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
1
FR = F
F
F
FN1 = F
2
q
3
F x
1
FR = F
2
FN 3 = F
3 F
F
FR = F
q
FN2
A0
F dF ，其 A dA
方向一般既不与截面垂直，也不与截面相切，称为总应力。
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
某一截面上法向分 法向分量 总应力 p 切向分量 应力量纲：ML-1T-2 应力单位：Pa(1 Pa = 1 N/m2，1 MPa = 106 Pa)。 切应力t 正应力s
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
（a） F/2 q=F/A F/2
第二章 轴向拉伸和压缩
（b） F F F F
q
F/2 F/2
F
F F F
这一原理虽被许多实验所证实，但没有经过严格的理 论证明，也没有确切的数学表达式，因此不能随便使用。 上图为不能应用圣维南(Saint-Venant)原理的例子（详见奚
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
为此： 1. 观察等直杆表面上相邻两条横向线在杆受拉(压)后 的相对位移：两横向线仍为直线，仍相互平行，且仍垂直 于杆的轴线。 2. 设想横向线为杆的横截面与杆的表面的交线。平 截面假设——原为平面的横截面在杆变形后仍为平面，对 于拉(压)杆且仍相互平行，仍垂直于轴线。
Ⅱ段柱横截面上的正应力
FN 2 150 103 N s2 0.37 m 0.37 m A2 1.1 106 P a 1.1 MP a (压应力)
s 2 s1
所以，最大工作应力为 smax= s2= -1.1 MPa (压应力）
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
§2-1 轴向拉伸和压缩的概念
工程中有很多构件，例如屋架中的杆，是等直杆，作 用于杆上的外力的合力的作用线与杆的轴线重合。在这种 受力情况下，杆的主要变形形式是轴向伸长或缩短。
屋架结构简图
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩
注意： 1. 上述正应力计算公式来自于平截面假设；对于某些
特定杆件,例如锲形变截面杆，受拉伸(压缩)时，平截面假
设不成立，故原则上不宜用上式计算其横截面上的正应力。 2. 即使是等直杆，在外力作用点附近，横截面上的应 力情况复杂，实际上也不能应用上述公式。 3. 圣维南(Saint-Venant)原理：“力作用于杆端方式的不 同，只会使与杆端距离不大于杆的横向尺寸的范围内受到影 响”。
受轴向外力作用的等截面直杆——拉杆和压杆
桁架的示意图
（未考虑端部连接情况）
材 料 力 学 Ⅰ 电 子 教 案
第二章 轴向拉伸和压缩