四个强度理论及其相当应力
强度理论四个基本的强度理论
强度理论四个基本的强度理论四个基本的强度理论分别为第一强度理论，第二强度理论，第三强度理论和第四强度理论。
现将它们的有关知识点对应列于四个强度理论比较表，以便于比较学习。
未在表中涉及的内容，此处给出介绍。
第一强度理论--看一下它的强度条件的取得。
在简单拉伸试验中,三个主应力有两个是零，最大主应力就是试件横截面上该点的应力，当这个应力达到材料的极限强度sb时，试件就断裂。
因此，根据此强度理论，通过简单拉伸试验，可知材料的极限应力就是sb。
于是在复杂应力状态下，材料的破坏条件是s1=sb(a)考虑安全系数以后的强度条件是s1≤[s](1-59)需指出的是：上式中的s1必须为拉应力。
在没有拉应力的三向压缩应力状态下，显然是不能采用第一强度理论来建立强度条件的。
第二强度理论--看看它的强度条件的取得此理论下的脆断破坏条件是e1=ejx =sjx /E (b)由式(1-58)可知，在复杂应力状态下一点处的最大线应变为e1=[s1-m(s2+s3)]/E代入(b)可得[s1-m(s2+s3)]/E =sjx /E 或[s1-m(s2+s3)]=sjx将上式右边的sjx 除以安全系数及得到材料的容许拉应力[s]。
故对危险点处于复杂应力状态的构件，按第二强度理论所建立的强度条件是：[s1-m(s2+s3)]≤[s] (1-60)第三强度理论--也来看看它的强度条件的取得对于象低碳钢这一类的塑性材料,在单向拉伸试验时材料就是沿斜截面发生滑移而出现明显的屈服现象的。
这时试件在横截面上的正应力就是材料的屈服极限ss，而在试件斜截面上的最大剪应力(即45°斜截面上的剪应力)等于横截面上正应力的一半。
于是，对于这一类材料，就可以从单向拉伸试验中得到材料的极限值txytxy =ss/2按此理论的观点，屈服破坏条件是tmax =txy =ss/2(c)由公式(1-56)可知，在复杂应力状态下下一点处的最大剪应力为tmax =(s1-s3)/2其中的s1、s3分别为该应力状态中的最大和最小主应力。
四个强度理论的相当应力表达式
23
11 10
x y
2
2 x
2
2 y
2 x
29.8MPa
3.72MPa
(单位 MPa)
1 29.28MPa， 2 3.72MPa，3 0
1 29.28MPa 30MPa
某结构上危险点处的应力状态如图所示，其中σ＝ 116.7MPa，τ＝46.3MPa。材料为钢，许用应力［σ］＝ 160MPa。试校核此结构是否安全。
图（b）给出尺寸。
y t
p
z
D
（a） 例题 5- 4 图
（b）
解： 包围内壁任一点，沿直径方向 取一单元体，单元体的侧面为 横截面，上，下面为含直径的 纵向截面，前面为内表面。
包含直径的纵向截面 横截面 Nhomakorabea内表面
横截面上的应力
假想地，用一垂直于轴线的平面将汽包分成两部分，取右边为研
究对象。n— n面为横截面 。
aF
Fa
A
B
C
A
B
C
C
A
B
A
B 1
C1
1
3
3
BC
对图示的纯剪切应力状态，试按强度理论建立纯剪切状 态下的强度条件，并导出剪切许用应力［τ］与拉伸许用 应力［σ］之间的关系。
1＝， 2＝0，3＝
1 单元体纯剪切强度条件
KK
τ
第三强度理论 第四强度理论
第一强度理论 1
包含直径的纵向截面上的应力
用两个横截面 mm , nn 从圆筒部分 取出 单位长的圆筒研究。
m
四大强度理论对比
四大强度理论1、最大拉应力理论（第一强度理论）:ﻫ这一理论觉得引起材料脆性断裂破坏旳因素是最大拉应力,无论什么应力状态,只要构件内一点处旳最大拉应力σ1达到单向应力状态下旳极限应力σｂ,材料就要发生脆性断裂。
于是危险点处在复杂应力状态旳构件发生脆性断裂破坏旳条件是:ﻫσ1=σb。
σb/s=［σ］ﻫ因此按第一强度理论建立旳强度条件为：ﻫσ1≤[σ］。
2、最大伸长线应变理论(第二强度理论):ﻫ这一理论觉得最大伸长线应变是引起断裂旳重要因素,无论什么应力状态,只要最大伸长线应变ε1达到单向应力状态下旳极限值εu，材料就要发生脆性断裂破坏。
εu=σb/Ｅ;ε１＝σb／E。
由广义虎克定律得：ﻫﻫε1=[σ1－ｕ(σ2+σ3)]/Eﻫ因此σ1-ｕ(σ2+σ3)＝σb。
按第二强度理论建立旳强度条件为：ﻫ3、最大切应力理论（第三强度理论):σ1-u(σ2+σ3)≤[σ]。
ﻫﻫﻫ这一理论觉得最大切应力是引起屈服旳重要因素,无论什么应力状态，只要最大切应力τmａｘ达到单向应力状态下旳极限切应力τ0,材料就要发生屈服破坏。
ﻫﻫτmax=τ0。
ﻫ依轴向拉伸斜截面上旳应力公式可知τ0=σs/2(σs——横截面上旳正应力)ﻫ由公式得：τmax=τ1s=(σ1－σ3）/2。
因此破坏条件改写为σ1-σ3=σｓ。
ﻫﻫ按第三强度理论旳强度条件为：σ1-σ3≤[σ］。
ﻫﻫ４、形状变化比能理论(第四强度理论)：ﻫ这一理论觉得形状变化比能是引起材料屈服破坏旳重要因素，无论什么应力ﻫﻫ状态,只要构件内一点处旳形状变化比能达到单向应力状态下旳极限值,材料就要发生屈服破坏。
发生塑性破坏旳条件为:ﻫﻫ因此按第四强度理论旳强度条件为: 2、ｓqｒt（σ１^2+σ2^2+σ3^2-σ1σ2-σ2σ３-σ3σ1)＜[σ]四个强度理论旳比较坏服破坏对材料破坏因素旳假设最大拉应力σ１是引起材料脆断破坏旳因素;也就是觉得不管在什么样旳应力状态下,只要构件内一点处旳三个主应力中最大旳拉应力σ1达到材料旳极限值σjx,材料就会发生脆断破坏最大伸长线应变ε1是引起材料脆断破坏旳因素；也就是觉得不管在什么样旳应力状态下,只要构件内一点处旳最大伸长线应变ε1达到了材料旳极限值εjx，材料就会发生脆断破坏最大剪应力τmａx是引起材料屈服破坏旳因素；也就是觉得不管在什么样旳应力状态下,只要构件内一点处旳最大剪应力τｍax达到材料旳极限值τjx，该点处旳材料就会发生屈服破坏形状变化比能μd是引起材料屈服破坏旳因素;也就是说不管在什么样旳复杂应力状态下,只要构件内一点处旳形状变化比能达到材料旳极限值μｄjx,该点处旳材料就会发生屈服破坏材料极限值获得措施通过任意一种使试件发生破坏旳实验来拟定通过任意一种使试件发生脆断破坏旳实验来拟定通过任意一种使试件发生屈服破坏旳实验来拟定表达极限应力σjxﻫ由简朴旳拉伸实验知ﻫσjx =σb极限应变εｊxﻫ由单向拉伸试件在拉断时其横截面上旳正应力σjx决定ﻫεjx ＝σjｘ/Ｅ极限剪应力τjxﻫ由单向拉伸实验知ﻫτjx ＝σs /２ﻫσｓ为材料旳屈服极限极限形状变化比能μd jx在简朴拉伸条件下因⎣σ1=σs，σ２=σ3=0μd ｊx =材料破坏条件脆断破坏⎣σ1=σｂ（a)脆断破坏ﻫε１=εjx＝σｊx /Ｅ (ｂ）屈服破坏τmax =τjｘ＝σs /2(c)屈服破坏ﻫμd =μdjx强度条件σ1≤[σ] (1－59)［σ]由b除以安全系数得到ﻫ公式中旳σ1必须为拉应力[σ1-μ(σ２＋σ3)］≤[σ](1－6０)ﻫ[σ］由σjx 除以安全系数得到(σ１-σ3)≤［σ]（1-61)[σ]由σs 除以安全系数得到说明该理论在17世纪就已提出，是最早旳强度理论;ﻫ此理论基本上能对旳反映出某些脆性材料旳强度特性。
四个经典的断裂准则
四个经典的断裂准则：
1最大正应力准则（第一强度理论）（最大拉应力理论）
400多年以前，伽利略(Galileo: 1564-1642)在研究砖、铸铁和石头的拉伸断裂时，发现当施加应力达到一临界值时材料发生断裂，这即是最大正应力准则或第一强度理论。
2莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)准则（第二强度理论）（最大拉应变理论）
库仑(1737-1806)在研究土和砂岩的压缩强度后，于1773年提出：当材料的破坏沿着一定剪切平面进行时，所需的破坏力不但与剪切力有关，也与剪切面上的法向力有关。
1900年德国科学家莫尔(1835-1918)将最大主应力莫尔圆引入到库仑强度理论中，因而这个破坏准则现在被称为莫尔-库仑准则。
3屈特加(Tresca)准则（第三强度理论）（最大剪应力理论）
1864年，屈特加提出了最大剪切应力准则或称屈特加准则。
4范·米塞斯(van ·Mises)准则（第四强度理论）（最大形状改变比能理论）
1913年，范·米塞斯考虑了变形能的作用，提出材料的屈服条件为其变形能达到某一临界值，此即范·米塞斯准则或第四强度理论。
脆性断裂一般采用1或2理论；塑性屈服一般采用3或4理论。
除了上述四个最著名的强度理论或准则外，到目前为止，人们关于不同材料的破坏规律曾经提出了上百个模型或准则，但由于材料性质的复杂性，大多数模型或准则都不具有普适性。
1
1 =r ()
3212 + =r 3
13 =r []
2132322214)()()(21 + + =r。
强度理论 4个涉及破坏的强度理论
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
力—伸长曲线
F
塑 性 变 形 屈服
缩颈
强度理论
4个涉及破坏的强度理论
（一）最大拉应力（第一强度）理论：认为构件的断裂是由最 大拉应力引起的。当最大拉应力达到单向拉伸时的强度极限时 ，构件就断了。
1、破坏判据： 1 b ; ( 1 0)
2、强度准则： 1 ; ( 1 0)
3、适用范围：适用于破坏形式为脆断的构件。
3、适用范围：适用于破坏形式为屈服的构件。
（四）形状改变比能（第四强度）理论：认为构件的屈服是由
形状改变比能引起的。当形状改变比能达到单向拉伸试验屈服 时形状改变比能时，构件就破坏了。
ux max uxs
1 1 2 2 2 3 2 3 1 2 ux 6E
硬度
韧性 断裂韧度 疲劳
塑性(plasticity):是指材料在载荷作用下 产生塑性变形而不被破坏的能力。 (1)断面收缩率(percentage reduction in area): 是指试样拉断处横截面积S 1 的收缩量与原始横截面积S0之比。
S0 - S 1 ψ= S0 × 100%
(2)断后伸长率(延伸率) specific elongation: 是指试样拉断后的标距伸长量L 1与 原始标距L 0之比。
• （２）抗拉强度：从图2－１中ＣＤ曲线逐 步上升可以看出：试件在屈服阶段以后， 其抵抗塑性变形的能力又重新提高，称为 强化阶段。对应于最高点Ｄ的应力称为抗 拉强度，用σb表示。 • 设计中抗拉强度虽然不能利用，但屈 强比σs／σb有一定意义。屈强比愈小，反 映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈 大，因而结构的安全性愈高。但屈强比太 小，则反映钢材不能有效地被利用。
材料力学四个强度理论
之老阳三干创作
四年夜强度准则理论：1、最年夜拉应力理论（第一强度理论）：这一理论认为引起资料脆性断裂破坏的因素是最年夜拉应力,无论什么应力状态,只要构件内一点处的最年夜拉应力σ1到达单向应力状态下的极限应力σb,资料就要发生脆性断裂.于是危险点处于复杂应力状态的构件发生脆性断裂破坏的条件是：σ1=σb.σb/s=[σ]所以按第一强度理论建立的强度条件为：σ1≤[σ].2、最年夜伸长线应变理论（第二强度理论）：这一理论认为最年夜伸长线应变是引起断裂的主要因素,无论什么应力状态,只要最年夜伸长线应变ε1到达单向应力状态下的极限值εu,资料就要发生脆性断裂破坏.εu=σb/E；ε1=σb/E.由广义虎克定律得：ε1=[σ1-u(σ2+σ3)]/E所以σ1-u(σ2+σ3)=σb.按第二强度理论建立的强度条件为：σ1-u(σ2+σ3)≤[σ].3、最年夜切应力理论（第三强度理论）：这一理论认为最年夜切应力是引起屈服的主要因素,无论什么应力状态,只要最年夜切应力τmax到达单向应力状态下的极限切应力τ0,资料就要发生屈服破坏.τmax=τ0.依轴向拉伸斜截面上的应力公式可知τ0=σs/2（σs——横截面上的正应力）由公式得：τmax=τ1s=（σ1-σ3）/2.所以破坏条件改写为σ1-σ3=σs.按第三强度理论的强度条件为：σ1-σ3≤[σ].4、形状改变比能理论（第四强度理
论）：这一理论认为形状改变比能是引起资料屈服破坏的主要因素,无论什么应力状态,只要构件内一点处的形状改变比能到达单向应力状态下的极限值,资料就要发生屈服破坏.发生塑性破坏的条件为：所以按第四强度理论的强度条件为：sqrt(σ1^2+σ2^2+σ3^2-σ1σ2-σ2σ3-σ3σ1)<[σ]。
四大强度理论对比
四大强度理论1、最大拉应力理论（第一强度理论）：这一理论认为引起材料脆性断裂破坏的因素是最大拉应力，无论什么应力状态，只要构件内一点处的最大拉应力（T 1达到单向应力状态下的极限应力（T b,材料就要发生脆性断裂。
于是危险点处于复杂应力状态的构件发生脆性断裂破坏的条件是：T 仁T b。
T b/s=[ T ]所以按第一强度理论建立的强度条件为：T 1 W[ T ]。
2、最大伸长线应变理论（第二强度理论）：这一理论认为最大伸长线应变是引起断裂的主要因素，无论什么应力状态，只要最大伸长线应变& 1达到单向应力状态下的极限值& u,材料就要发生脆性断裂破坏。
& u=T b/E ; & 1 = T b/E。
由广义虎克定律得：& 1=[ T 1-u（T 2+T 3）]/E所以T 1-u（T 2+T 3）= T b。
按第二强度理论建立的强度条件为：T 1-u（T 2+ T 3）W[ T ]。
3、最大切应力理论（第三强度理论）：这一理论认为最大切应力是引起屈服的主要因素,无论什么应力状态,只要最大切应力T max达到单向应力状态下的极限切应力T 0,材料就要发生屈服破坏。
t max=t 0。
依轴向拉伸斜截面上的应力公式可知T 0= T s/2 （T s ---- 横截面上的正应力）由公式得：t max=t 1s=（T 1-T 3）/2 。
所以破坏条件改写为(7 1-(7 3= C S。
按第三强度理论的强度条件为：7 1- 7 3<[ 7 ]。
4、形状改变比能理论(第四强度理论)：这一理论认为形状改变比能是引起材料屈服破坏的主要因素，无论什么应力状态，只要构件内一点处的形状改变比能达到单向应力状态下的极限值，材料就要发生屈服破坏。
发生塑性破坏的条件为：所以按第四强度理论的强度条件为：2、sqrt( 7 1A2+ C 2A2+ C 3A2- C 1 C 2- C 2 C 3- C 3 C 1)<[ C ]四个强度理论的比较。
四大强度理论对比
四大强度理论1、最大拉应力理论（第一强度理论）：这一理论认为引起材料脆性断裂破坏的因素是最大拉应力，无论什么应力状态，只要构件内一点处的最大拉应力σ1达到单向应力状态下的极限应力σb，材料就要发生脆性断裂。
于是危险点处于复杂应力状态的构件发生脆性断裂破坏的条件是：σ1=σb。
σb/s=[σ]所以按第一强度理论建立的强度条件为：σ1≤[σ]。
2、最大伸长线应变理论（第二强度理论）：这一理论认为最大伸长线应变是引起断裂的主要因素，无论什么应力状态，只要最大伸长线应变ε1达到单向应力状态下的极限值εu，材料就要发生脆性断裂破坏。
εu=σb/E；ε1=σb/E。
由广义虎克定律得：ε1=[σ1-u(σ2+σ3)]/E所以σ1-u(σ2+σ3)=σb。
按第二强度理论建立的强度条件为：σ1-u(σ2+σ3)≤[σ]。
3、最大切应力理论（第三强度理论）：这一理论认为最大切应力是引起屈服的主要因素，无论什么应力状态，只要最大切应力τmax达到单向应力状态下的极限切应力τ0，材料就要发生屈服破坏。
τmax=τ0。
依轴向拉伸斜截面上的应力公式可知τ0=σs/2（σs——横截面上的正应力）由公式得：τmax=τ1s=（σ1-σ3）/2。
所以破坏条件改写为σ1-σ3=σs。
按第三强度理论的强度条件为：σ1-σ3≤[σ]。
4、形状改变比能理论（第四强度理论）：这一理论认为形状改变比能是引起材料屈服破坏的主要因素，无论什么应力状态，只要构件内一点处的形状改变比能达到单向应力状态下的极限值，材料就要发生屈服破坏。
发生塑性破坏的条件为：所以按第四强度理论的强度条件为：2、sqrt(σ1^2+σ2^2+σ3^2-σ1σ2-σ2σ3-σ3σ1)<[σ]四个强度理论的比较极限形状改变比能μd jx在简单拉伸条件下因σ1=σs，σ2 =σ3=0 μd jx =。
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基本假说：最大拉应力1是引起材料脆断破坏的因素。 脆断破坏的条件： 1 = u （材料极限应力值）
强度条件为： r1 = 1 [
(9-2-1)
注意：无拉应力时，该理论无法应用。
二、 最大伸长线应变理论（第二强度理论） 根据：当作用在构件上的外力过大时，其危险点处的材料
就会沿垂直于最大伸长线应变方向的平面发生 脆断破坏。
四个强度理论及其相当应力
在常温、静载荷下，常用的四个强度理论分两类
第 一类强度理论——以脆断作为破坏的标志
包括：最大拉应力理论和最大伸长线应变理论
第 二类强度理论——以出现屈服现象作为破坏的标志
包括：最大剪应力理论和形状改变比能理论
第 一类强度理论
一、 最大拉应力理论（第一强度理论）
根据：当作用在构件上的外力过大时，其危险点处的材 料就会沿最大拉应力所在截面发生脆性断裂。
3
12
(9-2-4)
五、强度条件的统一形式
r
其中: r 称为相当应力
σ2
σ3
等效为
σ1
σ1
σr
σr
σ3
σ2
强度理论的分类及名称
相当应力表达式
第一类强度理论
（脆断破坏的 理论）
第1强度理论
—最大拉应 力理论
第2强度理论
—最大伸长 线应变理论
τ max
1 ( 1 3)
2
即
σ1 σ3 σ s
强度条件为： r3 = 1 - 3 [
(9-2-3)
四、 形状改变比能理论（第四强度理论）
基本假说：形状改变比能 uf 是引起材料屈服的因素。
屈服条件： uf = uf u
1 ν
其形状改变比能也相等，故两种情况下的危险程度相
等。
σ
σ
τ τ
(a)
(b)
二、定量计算
状态(a):
1
2
2
2
2
2
u f 6E
σ1 σ 2 σ 2 σ3 σ3 σ1
单轴受拉时:
σ1 σ s , σ 2 σ3 0
代入上式，可得材料的极限值
u fu
1 ν
6E
2
2 s
强度条件为：
r4
1 2
1 2
2
2
3 2
30MP
1 3
30
2
70
30
2
70
2
402
94.72
50 20 5
MPa
5.28
50MPa (d)
2 50 MPa
r3 1 3 94.72 5.28 89.44 MPa
r4
1 2
1
（2）对于图 b 所示的单元体，
110MPa
由图知 1=140MPa，2=110MPa , 3=0
r3 1 3 140 MPa
140MPa (b)
r4
1 2
1
2
2
2
3
2
3
1
2
1 2
140
110
基本假说：最大伸长线应变 1 是引起材料脆断破坏的因素。
脆断破坏的条件： 1 u （材料极限应变值）
若材料符合胡克定律,则最大伸长线应变为
1
1 E
[
1
(
2
3)]
即 [σ 1 ν (σ 2 σ 3)] σ u
强度条件为:
[ ( )]
1 2
1
2
2
2
3
2
3
1
2
1 2
80
702
70
140
2
140
802
195 MPa
（4）对图d 所示的单元体,计算 r3 ,图知 : x=30MPa， y=70MPa， xy= - 40MPa 可求得
r2
1
2
3
(9-2-2)
第 二 类强度理论
三、 最大剪应力理论 (第三强度理论) 根据：当作用在构件上的外力过大时，其危险点处的材料就会 沿最大剪应力所在截面滑移而发生屈服失效。
基本假说： 最大剪应力 max 是引起材料屈服的因素。
屈服条件：
τ max
τu
σs 2
在复杂应力状态下一点处的最大剪应力为
2
110
02
0
1402
128MPa
（3）对于图 c 所示的单元体，
70MPa
由图知: 1= 80MPa ， 2= –70MPa , 3= –140MPa
r3 1 3 80 140 220 MPa
80MPa (c)
140MPa
r4
2
2
2
3
2
3
1
2
1 2
94.72
502
50
5.282
5.28
94.722
77.5MPa
例题 9-2 两种应力状态分别如图所示，试按第四强度理论, 比较两者的危险程度。
解：一、定性分析
由于各向同性材料，正应力仅产生线应变，剪应力 仅产生剪 应变。而两种情况下的正应力和剪应力分 别相 等，因此，
注意：按某种强度理论进行强度校核时， 要保证满足如下两个条件:
1. 所用强度理论与在这种应力状态下发生的 破坏形式相对应;
2. 用以确定许用应力 [ 的,也必须是相应于该 破坏形式的极限应力。
例题 9-1 对于图示各单元体，试分别按第三强度理论及第 四 强度理论求相当应力。
解： （1）对于图 (a) 所示的单元体， 由图知 1= 0，2= 3= –100MPa,
100MPa 100MPa
r3 1 3 0 100 100 MPa
(a)
r4
1
2
1
2 2
2
3 2
3
1
2
1 2
0
1002
100
1002
100
02
100 MPa
σ r1 σ1
r 2 1 2 3
第二类强度理论
（屈服失效的 理论）
第3强度理论
—最大剪应 力理论
σr3 σ1 σ3
第4强度理论
—形状改变
r4
1 2
1
2 2
2
3 2
3
1
2
1 2
比能理论