机械设计基础04强度设计.ppt
机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 教学目标教学目标重点难点重点难点教学内容教学内容小结作业小结作业第四章材料的力学性能材料的力学性能与强度设计与强度设计 机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 教学目标教学目标首页机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 首页教学内容教学内容机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 首页重点难点重点难点机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 4.1 4.1 材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 材料的力学性能材料的力学性能 所谓材料的力学性能，就是材料在受力过程中在强度和所谓材料的力学性能，就是材料在受力过程中在强度和变形方面所表现出的性能。变形方面所表现出的性能。 材料的力学性能都是通过实验得出的。实验不仅是确定材料的力学性能都是通过实验得出的。实验不仅是确定材料的力学性质的唯一方法，而且也是建立理论和验证理材料的力学性质的唯一方法，而且也是建立理论和验证理论的重要手段。论的重要手段。 低碳钢和铸铁在一般工程中应用比较广泛，它们在拉伸低碳钢和铸铁在一般工程中应用比较广泛，它们在拉伸或压缩时的力学性质也比较典型，故本节主要介绍这两种或压缩时的力学性质也比较典型，故本节主要介绍这两种材料在常温（就是指室温）、静载（就是指加载速度缓慢材料在常温（就是指室温）、静载（就是指加载速度缓慢平稳）情况下的力学性能。平稳）情况下的力学性能。 在材料实验中，静力拉伸和压缩实验是最简单和最重要的，在材料实验中，静力拉伸和压缩实验是最简单和最重要的，因此我们以此为例说明试验过程。拉伸试验前，把材料做因此我们以此为例说明试验过程。拉伸试验前，把材料做成具有一定形状和尺寸的标准试件，如图成具有一定形状和尺寸的标准试件，如图4-14-1所示。所示。 机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 材料的力学性能材料的力学性能工作长度d ll工作长度面积图4-1 试件机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 材料的力学性能材料的力学性能返回 在试件受力的过程中，随着拉力在试件受力的过程中，随着拉力F F 的增加，试件的变形（伸的增加，试件的变形（伸长）也逐渐增加。在试验机测力表盘上可以读出一系列的拉力长）也逐渐增加。在试验机测力表盘上可以读出一系列的拉力 值，同时可测出各时刻的拉力值，同时可测出各时刻的拉力F 与标距与标距 l 值相对应的变形值相对应的变形l 为为横坐标，根据记录下来的数据，就可描出与每对横坐标，根据记录下来的数据，就可描出与每对 F 、 l 值对应值对应的点，连接个点，即可得到表示拉力的点，连接个点，即可得到表示拉力F与绝对变形与绝对变形 l关系的图关系的图线线拉伸图。拉伸图。AFll以以QQ235235钢为例，来讨论低碳钢的力学性质。图钢为例，来讨论低碳钢的力学性质。图4-2(a)4-2(a)是低是低碳钢的拉伸图。碳钢的拉伸图。 试件的拉伸图与试件的几何尺寸有关。为了消除试件几试件的拉伸图与试件的几何尺寸有关。为了消除试件几何尺寸的影响，可改用应力何尺寸的影响，可改用应力 、应变、应变 分别作纵坐标分别作纵坐标和横坐标，得到的是应力与应变关系曲线。此曲线称为应和横坐标，得到的是应力与应变关系曲线。此曲线称为应力力应变图或应变图或 - - 图，如图图，如图4-2(b)4-2(b)所示所示（ 1 1） 低碳钢拉伸时的力学性质低碳钢拉伸时的力学性质机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation lbepsaa(a) (b) 图图4-2 拉伸曲线拉伸曲线O g hf c b sFbFF材料的力学性能材料的力学性能o机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 材料的力学性能材料的力学性能 从图中可以看出从图中可以看出oaoa是直线，说明是直线，说明oaoa范围内应力与应变成正比，范围内应力与应变成正比，即即 与与a aEp机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation aO aa aaO 材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 图图4-3 材料屈服现象材料屈服现象 材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation %1001lll材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 式中的式中的A1为试件断口处的最小截面面积，为试件的原始截为试件断口处的最小截面面积，为试件的原始截面面积。显示，材料的塑性越大，其面面积。显示，材料的塑性越大，其、值也就越大，因值也就越大，因此，伸长率和截面收缩是衡量材料塑性性质的两个重要指此，伸长率和截面收缩是衡量材料塑性性质的两个重要指标标。%5%5%1001AAA材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation -材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 10020030000.20.400.2/%/%a/MPab图图4-4 无明显屈服点拉伸曲线无明显屈服点拉伸曲线 图图4-5 铸铁拉伸曲线铸铁拉伸曲线材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation -材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 压缩拉伸s图图4-6低碳钢压缩曲线低碳钢压缩曲线图图4-7 铸铁压缩曲线铸铁压缩曲线材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation -材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 图4-8 冲击试验 图4-9 韧脆转变曲线材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation k0SAkk材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 图4-10 内燃机机构简图 图4-11 机车轮轴材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 图图4-12疲劳破坏的断口疲劳破坏的断口材料的力学性能材料的力学性能机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation )(2 . 0su或)(bcbu或 机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation nu 塑性材料塑性材料: : 脆性材料脆性材料: : sssnn2 . 0或 bbcbbnn或式中式中ns，nb分别为塑性材料和脆性材料的安全因数。分别为塑性材料和脆性材料的安全因数。 机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 脆性材料：脆性材料： 塑性材料：塑性材料： 18 . 0 6 . 05 . 0机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation FFFFFF11222211(a)(b)(c)mm ax图图4-13 应力集中应力集中机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation F1 1F2F1 1F3=Fs sF1 1F2F1 1F3=Fs s(a)(b)(c)图图4-14 塑性材料应力集中的影响塑性材料应力集中的影响机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation max max机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation AFN max,max机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation max,NFA AFNmax,机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation MPa40图图4-15吊环螺钉吊环螺钉解：吊环圆柱部分的轴力解：吊环圆柱部分的轴力 F=1.2KN 由强度条件由强度条件 MPaAFN374 . 64102 . 123max,max 吊环螺钉安全。吊环螺钉安全。 机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation MPa100图4-16 悬臂吊车解：（解：（1）计算杆的）计算杆的以销钉为研究对象，受力如图，列平衡方程以销钉为研究对象，受力如图，列平衡方程0yF0G-sin30BCFkNGFBC4030sin得BC杆的轴力 kNFFBCN40（2）设计截面）设计截面 234001001040mmFAN22002mmAABC查型钢表，查型钢表，3.6号角钢面积为号角钢面积为210.9mm2200mm2，选用，选用3.6号等边角钢号等边角钢。机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation AB231010mmAAB MPaAB7 MPaBC160图图4-17 4-17 简易吊车简易吊车解：解：（1）受力分析 取点B进行受力分析，由平衡方程得0yF030sinPFBC PPFBC230sin0 xF030cosBCABFFPFFBCAB330cos 机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 返回(2) 确定许可载荷由AB杆得 ABABNABAF7101033PkNP4 .40 由BC杆得 BCBCNBCAF1606002PkNP48 为保证结构安全，B处可吊的最大许可载荷为 kNP4 .40机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation AFSbcbcbcbcAF （4-6） （4-7）机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation bc )8 . 06 . 0(塑性材料塑性材料: : )5 . 25 . 1 (bc脆性材料脆性材料: : )5 . 25 . 1 (bc机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation 首页mmt10 MPa100MPabc200kNF28 图图 4-18螺栓连接螺栓连接 机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation kNFFFbcS28 SFA 24dA mmFdS191001028443 bcbcbcFAdtAbcmmtFdbcbc141020010283 mmd20机械设计基础机械设计基础Machine Design Foundation mmt10MPab300图图4-19 4-19 钢板冲孔钢板冲孔 解：（1）计算剪切面积 剪切面是圆柱面（图4-19b） 27851025mmdtAS
