材料力学 第二章拉伸、压缩与剪切分析
材料力学(机械类)第二章 轴向拉伸与压缩
二
章
拉伸压缩与剪切
1
பைடு நூலகம்
§2-1
轴向拉伸与压缩的概念和实例
轴向拉伸——轴力作用下，杆件伸长 （简称拉伸） 轴向压缩——轴力作用下，杆件缩短 （简称压缩）
2
拉、压的特点：
1.两端受力——沿轴线，大小相等，方向相反 2. 变形—— 沿轴线
3
§2-2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力
1 、横截面上的内力
A3
2
l1 l2 y AA3 A3 A4 sin 30 tan 30 2 1.039 3.039mm
A
A A4
AA x2 y2 0.6 2 3.039 2 3.1mm
40
目录
例 2—5 截面积为 76.36mm² 的钢索绕过无摩擦的定滑轮 F=20kN，求刚索的应力和 C点的垂直位移。 （刚索的 E =177GPa，设横梁ABCD为刚梁）
16
§2-4
材料在拉伸时的力学性能
材料的力学性能是指材料在外力的作用下表现出的变 形和破坏等方面的特性。
现在要研究材料的整个力学性能（应力 —— 应变）：
从受力很小
破坏
理论上——用简单描述复杂
工程上——为（材料组成的）构件当好医生
17
一、 低碳钢拉伸时的力学性能 （含碳量<0.3%的碳素钢）
力均匀分布于横截面上，σ等于常量。于是有：
N d A d A A
A A
得应力：
N A
F
FN
σ
10
例题2-2
A 1
45°
C
2
材料力学教案 第2章 拉伸、压缩与剪切
第2章拉伸压缩与剪切教学目的：了解材料的力学性质；掌握轴向拉伸、压缩、剪切和挤压的概念；掌握轴向拉压时构件的内力、应力、变形的计算；熟练掌握剪切应力及挤压应力的计算方法并进行强度校核；掌握拉压杆的超静定问题。
教学重点：建立弹性杆件横截面上内力、内力分量的概念；运用截面法画轴力图；掌握低碳钢的力学性质；掌握轴向拉伸和压缩时横截面上正应力计算公式及其适用条件；掌握拉压杆的强度计算；熟练掌握剪切和挤压的实用计算。
教学难点：低碳钢类塑性材料在拉伸过程中反映出的性质；许用应力的确定和使用安全系数的原因；强度计算问题；剪切面和挤压面的确定；剪切和挤压的实用计算；拉压杆超的静定计算。
教具：多媒体。
教学方法：采用启发式教学，通过提问，引导学生思考，让学生回答问题。
举例掌握轴向拉伸、压缩和剪切变形概念，通过例题、作业，加强辅导熟练运用截面法，掌握轴力图的画法；建立变形、弹性变形、应变、胡克定律和抗拉压刚度的概念；教学内容：轴向拉伸和压缩的概念；强度计算；材料的力学性能及应力应变图；许用应力与安全系数；超静定的计算；剪切概念；剪切实用计算；挤压实用计算。
教学学时：8学时。
教学提纲：2.1 轴向拉伸与压缩的概念和实例1．实例（1）液压传动中的活塞杆（2）内燃机的连杆（3）起吊重物用的钢索（4）千斤顶的螺杆（5）桁架的杆件2．概念及简图这些杆件虽然外形各异，受力方式不同，但是它们有共同的特点：（1）受力特点：作用在杆件上的外力合力的作用线与杆件轴线重合，杆件变形是沿轴线方向的伸长或缩短。
（如果两个F 力是一对离开端截面的力，则将使杆发生纵向伸长，这样的力称为轴向拉力； 如果是一对指向端截面的力，则将使杆发生纵向缩短，称为轴向压力）。
（2）变形特点：主要变形是纵向伸长或缩短。
（3）拉（压）杆的受力简图：（4）说明：本章所讲的变形是指受压杆没有被压弯的情况下，不涉及稳定性问题。
2.2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力1．截面法求内力(1)假想沿m-m 横截面将杆切开(2)留下左半段或右半段(3)将弃去部分对留下部分的作用用内力代替(4)对留下部分写平衡方程，求出内力（即轴力）的值。
材料力学第二章
拉伸和压缩是杆件基本受力与变形形式 中最简单的一种，所涉及的一些基本原理与方 法比较简单，但在材料力学中却有一定的普遍 意义。
承受轴向载荷的拉（压）杆在工程中的应用 非常广泛。
一些机器和结构中所用的各 种紧固螺栓，在紧固时，要对螺 栓施加预紧力，螺栓承受轴向拉 力，将发生伸长变形。
承受轴向载荷的拉（压）杆在工程中的应用 非常广泛。
FN F A A
0 , max p sin cos sin sin 2 45 , max 2
2
A A F F F cos F F F p cos cos A A A p 2 k
一 试 件 和 实 验 条 件
常 温 、 静 载
材料压缩时的力学性能
二 塑 性 材 料 （ 低 碳 钢 ） 的 压 缩
p —
S —
比例极限
e —
弹性极限
屈服极限 E --- 弹性摸量
拉伸与压缩在屈服 阶段以前完全相同。
材料压缩时的力学性能
三 脆 性 材 料 （ 铸 铁 ） 的 压 缩 脆性材料的抗拉与抗压性质不完全 相同 压缩时的强度极限远大于拉伸时的 强度极限 bc bt
观察变形：
横向线ab、cd仍为直线，且仍垂直于杆轴 线，只是分别平行移至a’b’、c’d’。
F
a b
a
b
c
d
c d
F
平面假设—变形前原为平面的横截面， 变形后仍保持为平面且仍垂直于轴线。
直杆轴向拉伸或压缩时横截面上的内力和应力
从平面假设可以判断： （1）所有纵向纤维伸长相等
（2）因材料均匀，故各纤维受力相等 （3）内力均匀分布，各点正应力相等，为常量
2第二章拉伸、压缩与剪切概述
22
屈服极限的确定方法
σ
b
0.2
o
0.2%
在ε轴上取0.2％的点, 对此点作平行于σ－ε曲线 的直线段的直线（斜率亦为 E）,与σ－ε曲线相交点对 应的应力即为σ0.2 .
ε
σb是衡量脆性材料强度的唯一指标。
材料力学 土木工程系 陈爱萍
23
§2.5 材料压缩时的力学性能
国家标准规定《金属压缩试验方法》（GB7314—87)
材料力学 土木工程系 陈爱萍
28
§2.7 失效、 安全因数和强度计算
一、极限应力、安全系数、许用应力
材料破坏时的应力称为极限应力。 由于各种原理使结构丧失其正常工作能力的现象，称为失效
jx
s b
塑性材料 脆性材料
构件工作时允许达到的最大应力值称许用应力
jx
n
材料力学 土木工程系 陈爱萍
(3) 必须是等截面直杆，否则横截面上应力将不是均匀 分布，当截面变化较缓慢时，可近似用该公式计算。
材料力学 土木工程系 陈爱萍
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§2.3 直杆拉伸或压缩时斜截面上的应力
F
FF
p cos
FN A
cos cos2
p
sin
cos sin
1 sin 2
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求解超静定问题的基本步骤：
（1）平衡方程； （2）几何方程——变形协调方程； （3）物理方程——弹性定律； （4）补充方程：由几何方程和物理方程得； （5）解由平衡方程和补充方程组成的方程组。
材料力学 土木工程系 陈爱萍
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第二章 拉伸、压缩与剪切
' 泊松比 •横向变形（泊松效应）: 横向变形与纵向变形的方向是相反的。
•弹性模量与泊松比是材料的两个弹性常数。 一般钢材在常温下的弹性模量和泊松比： E=2.0×105MPa，0.25～0.3。 •例轴力变化的变形量计算：
N1 L1 N 2 L2 轴力分段变化的变形量： L EA EA
l A A1 100 % A
其它材料拉伸时的机械性质及材料的压缩试验
铸铁拉伸的应力-应变图
低碳钢压缩的应力-应变图
铸铁压缩的应力-应变图
塑性材料和脆性材料机械性能 的主要区别
1．塑性材料在断裂时有明显的塑性变形；
而脆性材料在断裂时变形很小； 2．塑性材料在拉伸和压缩时的弹性极限、 屈服极限和弹性模量都相同，它的抗拉 和抗压强度相同。而脆性材料的抗压强 度远高于抗拉强度，因此，学是工程设计（Engineering Design）的重要 理论基础，为设计出设备及其零部件合理的形状和几 何尺寸，保证其具有足够的强度、刚度及稳定性提供 一般性的原理和基本的计算方法。 强度（Strength）：构件在外力作用下抵抗破坏的能 力。 刚度(Stiffness)：构件在外力作用下抵抗变形的能力。 稳定性(Stability)：构件保持原有平衡形态的能力。干 扰力使构件偏离原有的平衡形态，干扰力消失后能否 恢复原有的平衡形态。 依据一定的原理建立强度、刚度及稳定性条件，成为 工程设计时必须遵循的准则。 材料力学的任务是在满足强度、刚度和稳定性的要 求下，为设计即经济又安全的构件，提供必要的理论基 础和计算方法。
工程方法：设置挠性元件——膨
胀节，预留伸缩缝等。
实例：管路用膨胀节，固定管板
式换热器设置膨胀节，卧式设备设 置活动支座。
材料力学第二章-拉伸、压缩与剪切课件
试验装置对材料的测试很重要，因为它确保了精度和准确性。测量装置应该能够准确测量试 样的形变和载荷。
数据分析方法
在进行测试之后，数据和结果的分析非常重要。需要注意的是本构关系和试验结果分析是经 验丰富的材料学家可以提出的有价值的见解。
结论与展望
结论
本课程介绍了有关材料力学中拉伸、压缩和 剪切实验的基本原理和关键技术。我们可以 将学到的知识应用到工程实践和材料创新上。
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ本构关系
本构关系是指应力和应变之间的关系。材料力学中存在两种流变学问题，弹性问题和塑 性问题。两者的本构关系分别为线性弹性本构关系和极限强度本构关系。
3 欧拉梁方程
欧拉梁方程使用到了杆的几何性质，指出一个杆稳定的条件。当所受外力P不大于欧拉推 力F时，杆件就是稳定的。
压缩测试
杆件的短缩假设
短缩假设是细长杆压缩稳定 性问题的基础。它假设杆件 压缩后仍保持直线，不会产 生剪切变形和弯曲；所有点 的变形相同，仍使用单一变 量表示。
材料力学第二章-拉伸、 压缩与剪切课件
欢迎来学习关于材料拉伸、压缩和剪切的课程！在这个课程中，你将学习杆 件的细长假设、短缩假设、本构关系和欧拉梁方程。我们还会介绍应力与应 变关系、应力平面和变形观察以及破坏理论。
拉伸测试
1 杆件的细长假设
细长假设的出现是为了简化问题。它假设杆件在拉伸过程中保持直线，不产生弯曲；所 有点的变形相同，因此可以用单一变量来表示。
2
应力平面与变形观察
理解应力与应变之间的关系是剪切测试的关键。我们需要通过变形的观察来确定 应力平面。
3
破坏理论
剪切测试最终会导致杆件的破坏。多数材料的 yield strength 是其快速破坏前所能 承受的最大应力，这个应力被称作杆件的最大应力。
材料力学拉伸压缩与剪切
材料力学拉伸压缩与剪切材料力学是研究材料在外力作用下的力学性能和变形规律的学科。
在材料力学中，拉伸、压缩和剪切是三种常见的受力方式。
本文将对这三种受力方式进行详细的讨论。
一、拉伸拉伸是将材料的两个端点向相反方向施加力，使材料产生变形和应力的一种受力方式。
在拉伸过程中，应力沿受力方向逐渐递增，直到材料达到其抗拉极限，引起断裂。
拉伸强度是指材料在拉伸过程中所能承受的最大伸长应力，常用于评价材料的抗拉性能。
材料在拉伸过程中会发生塑性变形和弹性变形。
当应力较小时，材料发生弹性变形，即材料在去除应力后能恢复原状。
当应力较大时，材料发生塑性变形，即材料变形后无法完全恢复原状。
材料的塑性变形通常伴随着颈缩现象，即材料在拉伸过程中发生细颈，最终引起断裂。
在拉伸过程中，材料的变形主要通过断裂面的拉伸和滑移来实现。
断裂面的拉伸是指材料在拉伸过程中，沿断裂面发生直接断裂的现象。
滑移是指材料分子、原子或晶粒之间发生相对滑动的行为。
材料的拉伸性能主要由断裂面的塑性变形和滑移行为共同决定。
二、压缩压缩是将材料的两个端点向相同方向施加力，使材料产生变形和应力的一种受力方式。
在压缩过程中，材料的体积减小，应力沿受力方向逐渐递增，直到材料达到其抗压极限，引起破坏。
抗压强度是指材料在压缩过程中所能承受的最大应力，常用于评价材料的抗压性能。
与拉伸不同，材料在正常应力下的压缩变形主要是弹性变形。
材料在压缩过程中会呈现出不同的弹性阶段，即初期弹性阶段、线弹性阶段和屈服弹性阶段。
初期弹性阶段材料呈现出线性弹性变形；线弹性阶段材料呈现出弹性变形，但变形量不再是线性增加；屈服弹性阶段材料呈现出应力和应变之间非线性关系。
三、剪切剪切是指材料在外力作用下，造成平行于断裂面的错切运动和应力的一种受力方式。
在剪切过程中，材料发生剪切变形，即材料平行于受力方向发生错开运动。
剪切强度是指材料在剪切过程中所能承受的最大剪应力，常用于评价材料的剪切性能。
材料的剪切变形属于塑性变形，主要发生在晶体或晶体之间的滑移面上。
第2章 拉伸、压缩与剪切
FN
2P +
3P
x
PAG 21
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§2-2
轴向拉伸和压缩时的内力
例2-2 图示等直杆长为L,受分布载荷q = kx的作用(以A端为原 点),试画出杆的轴力图。 解:以距A端为x的一段为研究对象 q(x)
A L q(x) qL FN x 0 B q(x) x
轴力：轴向拉压时的内力 垂直于横截面、过截面形心
正负规定：
（1）若轴力的指向背离截面，则规定为正的，称为拉力
（2）若轴力的指向指向截面，则规定为负的，称为压力 FN F FN F 轴力为正 轴力为负 以拉为正，以压为负
PAG 15
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§2-2
F F
A C
B
C
F
A
FN
1、截开 在要求内力处,用一假想截面沿杆横截面截开, 以其中受力较为简单的一部分作为研究对象,弃去另 一部分；
PAG 12
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§2-2
轴向拉伸和压缩时的内力
三、求内力的截面法
设图示等直杆在两端轴向拉力 F 的作用下处于平衡， 求杆 AB上截面C处的内力
PAG 28
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§2-3
轴向拉伸和压缩时的应力
3、拉伸应力
F F F
FN
FN 由静力学可得合力 FN dFN d A A A A
PAG 29
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§2-3
轴向拉伸和压缩时的应力
FNa2 F (拉力)
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§2-4 材料拉伸时的力学性能
伸长率与断面收缩率
l1 l 100%
l为试件原长，l1为试件拉断时的长度。 伸长率是衡量材料塑性的指标，工程上称：
l
δ＞5%的材料称为塑性；
δ＜5%的材料称为脆性。
A A1 100% A为试件原截面积，A1为试件拉断时的截面积。
A
断面收缩率也是衡量材料塑性的指标
将产生0.2%塑性应变时的应力
解：分段求正应力
11
§2-2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力与应力
例2-3直径为 d 长为 l 的圆截面直杆,铅垂放置,上端固定,如图所示。 若材料单位体积质量为,试求因自重引起杆的轴力和最大正应力。
轴力
轴力图 最大轴力 最大应力
轴力方程
12
§2-2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力与应力
3.圣维南原理（Saint-Venant principle）
卸载定律与冷作硬化
将试件拉到超过屈服极限的d点后，再卸载， 在卸载过程中，应力与应变按直线规律变化。
卸载后，再次加载，将沿卸载时的直线变 化，即第二次加载时，其比例极限得到提 高，但塑性变形和伸长率却有所降低。
20
§2-4 材料拉伸时的力学性能
5、其它塑性材料拉伸时的力学性能
没有明显屈服极限的塑性材料，
3、实验过程
17
§2-4 材料拉伸时的力学性能
4、低碳钢拉伸时的力学性能
F-△l曲线
F-△l曲线与试样尺寸有关， 消除试样尺寸的影响，得到 σ-ε曲线
18
§2-4 材料拉伸时的力学性能
四个阶段： 弹性阶段Oa 屈服阶段 强化阶段 局部变形阶段
σp:比例极限a σe :弹性极限b 上屈服极限( σs)和下屈服极限：屈服阶段的最高应力与最低应力 σb ：强度极限（材料所能承受的最大应力） e
a
m
ax
2
15
§2-4 材料拉伸时的力学性能
1、概念 材料的力学性能也称为机械性能，是指材料在外力的作用下 表现出来的变形、破坏等方面的特性。由实验测定。
2、实验条件 在室温下，以缓慢平稳的加载方式进行试验。国家标准对试样的 形状、加工精度、加载速度、试验环境等作了同一规定。
16
§2-4 材料拉伸时的力学性能
FN1 2.62KN FN 2 1.32KN
根据轴力图可以显示各段轴力的大小以及各段的变形是拉伸或压缩
8
§2-2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力与应力
2.应力
轴力的大小并不能用来判断杆件是否有足够的强度，如：
F
F
F
F
细杆先被拉断，说明拉杆的强度不仅与轴力的大小有关，还 与拉杆的的横截面有关，所以必须用横截面上的应力来度量 杆件的受力程度。
学性能是相同的，各纵向纤维的 受力一样，所以横截面上各点的 正应力σ相等。
FN
dA A
A
10
§2-2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力与应力
例2-2 图5-6a）为一双压手铆机的示意图。作用于活塞杆上的力分 别简化为F1=2.62kN，F2=1.3kN，F3=1.32kN，计算简图如图5-6b） 所示。AB段为直径d=10mm的实心杆，BC段是外径D=10mm,内径 d1=5mm的空心杆。求活塞杆各段横截面上的正应力。
1.用截面法求横截面上的内力
轴力(normal force)的正负号
只有轴力 一个内力 分量
平衡方程： FN – F 0 FN F
拉伸时的轴力规定为正， 压缩时的轴力规定为负。
6
§2-2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力与应力 例2.1 已知F1=2.62KN,F2=1.3KN,求1-1,2-2截面上的内力.
截面尺寸改变得越急剧， 理论应力集中系数 角越尖，孔越小，应力
集中的程度就越严重。
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§2-3 直杆轴向拉伸或压缩时斜截面上的应力
横截面： 斜截面：
Aa
A cosa
Fa F
pa
Fa Aa
A
Fa cos a
Fa A
cos a
cos a
a pa cos a cos2 a amax
a
pa sin a 2 sin 2a
9
§2-2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力与应力
与轴力FN对应的是正应力，根据连续性假设，横截面上到 处都存在内力。设微分面积dA上的内力元素σdA，则：
FN
dA
A
平面假设：变形前的横截面（为 平面）,变形后仍为平面,只是两 截面的距离发生了改变。
由平面假设推断，拉杆的所有纵 向纤维的伸长是相等的。由于材 料是均匀的，所以纵向纤维的力
第二章 拉伸、压缩与剪切
1
第二章 拉伸、压缩与剪切
§2-1 轴向拉伸与压缩的概念与实例 §2-2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力与应力 §2-3 直杆轴向拉伸或压缩时斜截面上的应力 §2-4 材料拉伸时的力学性能 §2-5 材料压缩时的力学性能 §2-7 失效、安全因数和强度计算 §2-8 轴向拉伸或压缩时的变形 §2-9 轴向拉伸或压缩的应变能 §2-10 拉伸、压缩超静定问题 §2-11 温度应力与装配应力 §2-12 应力集中的概念 §2-12 剪切与挤压的实用计压力)
F1 F2 FN2 0 FN2 F1 F2 1.32KN(压力)
FN 2 F3 0 FN 2 F3 1.32 KN (压力)
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§2-2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力与应力
轴力图:用平行于杆件轴线的坐标表示横截面的位置， 用垂直于杆件轴线的坐标表示横截面上轴力的数值，从 而绘出表示轴力沿杆轴变化规律的图线。
根据圣维南原理，对弹性体某 一局部区域的外力系，若用静力等 效的力系来代替；则力的作用点附 近区域的应力分布将有显著改变， 而对略远处其影响可忽略不计。
理论分析与实验证明，影响 区的轴向范围约为杆件一个横 向尺寸的大小。
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§2-2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力与应力
4.应力集中（stress concentration）
2
§2-1 轴向拉伸与压缩的概念与实例
1.轴向拉伸与压缩的工程实例
3
§2-1 轴向拉伸与压缩的概念与实例
2.拉伸压缩动画示范
4
§2-1 轴向拉伸与压缩的概念与实例
3.拉伸与压缩的受力特点
作用于杆件上的外力合力的作用线与杆件的轴 线重合，杆件变形是沿轴线方向伸长或缩短的。
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§2-2 轴向拉伸或压缩时横截面上的内力与应 力