材料力学强度理论
材料力学强度理论
材料力学强度理论
材料力学强度理论是材料力学的一个重要分支，它研究材料在外力作用下的强
度和变形特性。
材料的强度是指材料抵抗破坏的能力，而变形特性则是指材料在外力作用下的形变行为。
强度理论的研究对于材料的设计、制备和应用具有重要意义。
首先，强度理论可以帮助我们了解材料的破坏机制。
材料在外力作用下会发生
破坏，而不同的材料在受力时表现出不同的破坏模式，比如拉伸、压缩、剪切等。
强度理论可以通过实验和理论分析，揭示材料在受力时的破坏机制，为材料的设计和选用提供依据。
其次，强度理论可以指导材料的合理使用。
在工程实践中，我们需要根据材料
的强度特性来选择合适的材料，并确定合理的使用条件。
强度理论可以帮助我们评估材料在特定工况下的承载能力，从而保证材料的安全可靠使用。
此外，强度理论还可以为材料的改进和优化提供指导。
通过对材料强度特性的
研究，我们可以发现材料的强度局限性，并提出改进的方案。
比如，可以通过合金化、热处理等手段来提高材料的强度，或者通过结构设计来减小应力集中，提高材料的抗破坏能力。
综上所述，材料力学强度理论是材料科学中的重要内容，它不仅可以帮助我们
了解材料的破坏机制，指导材料的合理使用，还可以为材料的改进和优化提供指导。
在未来的研究和工程实践中，我们需要进一步深入研究强度理论，不断提高材料的强度和可靠性，为社会发展和科技进步做出贡献。
材料力学在工程设计中常用的强度理论有四种
材料力学在工程设计中常用的强度理论有四种材料力学是研究材料力学性能和强度的学科，它在工程设计中起着至关重要的作用。
材料力学可以通过各种理论和方法来分析和预测材料在不同工程应用中的强度和性能。
在工程设计中，常用的材料强度理论有四种，分别是极限强度理论、变形能量理论、排斥原则理论和应变能量密度理论。
极限强度理论是最早也是最简单的一种强度理论，它基于材料的抗拉和抗压强度来进行设计。
根据极限强度理论，当应力达到材料的抗拉或抗压强度时，材料就会发生破坏。
这种理论适用于一些简单的材料和结构设计，但对于复杂的应力状态和材料特性不够准确。
变形能量理论是一种基于变形能量的强度理论，它是由应力和应变能量的平衡关系来进行设计。
根据变形能量理论，当变形能量达到最大值时，材料就会发生破坏。
这种理论考虑了材料的变形特性和应力-应变关系，对于复杂应力状态下的材料强度预测更加准确。
排斥原则理论是一种基于材料本身的排斥性质进行设计的强度理论。
根据排斥原则理论，材料的破坏是由于材料内部的排斥效应达到一定程度而引起的。
这种理论考虑了材料的微观结构和材料本身的排斥性质，对于一些高强度和高韧性材料的设计有着重要的应用价值。
应变能量密度理论是一种综合考虑材料的应力、应变和能量的强度理论。
根据应变能量密度理论，当应变能量密度达到临界值时，材料就会发生破坏。
这种理论综合了材料的应力、应变、能量等多种因素，对于复杂应力状态下的材料强度预测非常准确。
在工程设计中，选择合适的强度理论对于材料的设计和分析有着重要的意义。
不同的强度理论适用于不同的材料和结构，根据具体的工程需求和要求选择合适的强度理论进行设计是十分重要的。
同时，强度理论也需要结合实际工程情况和应力状态进行修正和调整，以提高预测的精度和合理性。
总之，材料力学在工程设计中常用的强度理论有极限强度理论、变形能量理论、排斥原则理论和应变能量密度理论。
选择合适的强度理论对于材料的设计和分析至关重要，需要综合考虑材料的特性和应力状态，同时还需要结合实际工程情况进行修正和调整。
13-3四个强度理论-材料力学
强度计算。
例1 图示几种单元体，分别按第三和第四强度理论 求相当应力（单位MPa)
60
100
（1）
40 100
40
（2）
10
60
30 （3）
例2 直径为d=0.1m的圆杆受力如图,T=7kNm,P=50kN, 为铸铁构
件，[]=40MPa,试用第一强度理论校核杆的强度。
7.7
0
0
所以，此容器不满足第三强度理论。不安全。
第三强度理论（第三相当应力） xd3 1 3
第四强度理论（第四相当应力）
xd 4
1 2
1
2
2
2
3
2
3
1
2
三、强度计算的步骤：
1、外力分析：确定所需的外力。 2、内力分析：画内力图，确定可能的危险面。 3、应力分析：画危险截面应力分布图，确定危险点并画出单元
2
1
2 2
2
3 2
3
1 2
3、实用范围：实用于破坏形式为屈服的构件。
第一、第二强度理论适合于脆性材料； 第三、第四强度理论适合于塑性材料。 1、伽利略1638年提出了第一强度理论； 2、马里奥特1682年提出了第二强度理论；
3、杜奎特（C.Duguet)提出了最大剪应力理论；也有一说是库 伦1773年提出，特雷斯卡1868完善的。
到单向拉伸的强度极限时，构件就发生断裂。
1、破坏判据： 1 b ;( 1 0)
2、强度准则： 1 ; ( 1 0)
3、实用范围：实用于破坏形式为脆断的构件。
材料力学强度理论
x=24MPa
x
x=28MPa
解： 首先计算危险点处的主应力。 已知 x =28MPa、 y=0、 x= – 24MPa
由主应力计算式得
1 3
28 2
另一主应力
28 2
2
242
2 0
41.8
MPa
13.8
按莫尔强度条件，得
rM
1
t c
3
41.8
50 150
13.8
讨论
1、双剪应力强度理论与大多数金属材料的实验结果符 合得较好,对于铝合金在复杂应力状态下的实验结果，
较第四强度理论更为接近。 2、该理论也适用于岩石及土壤等材料，并与实验结果有
良好的符合。注意，其失效状态不再是屈服，而是 剪断或滑移。 3、该理论可看作是宏观固体力学中引用微观晶体滑移 理论而提出的一种进似，
A
B
C
0
从理论上讲，确定了 ABC 包络线，就可以确定各种应力状态 下的极限应力圆。
不同材料，包络线不同；
同一材料，包络线唯一。
3、莫尔强度理论的简化
以单向拉、压试验数据得两个极限应力圆，该两圆 的公切线代 替包络线，再除以安全系数。
强度条件：
压
拉
1
t c
3
t
0
相当应力：
3 c
1 t
rM
120 MPa r4
1 2
1
2 2
2
3 2
3
1
2
(a)
1 2
0
1202
120
1202
120
02
120MPa
（2）对于图 b 所示的单元体， 已知 1=14 0MPa，2=110MPa , 3=0
[工学]材料力学中强度理论
![[工学]材料力学中强度理论](https://img.taocdn.com/s3/m/157e146fe518964bcf847cbb.png)
强度理论中直接与 [σ ] 比 1 b 较的量,称为相当应力σri b 1
nb
r1
1
15
r1 1
实验表明：该理论对于大部分脆性材料受拉应力作
用，结果与实验相符合，如铸铁受拉伸、扭转。
局限性： （1）没有考虑另外二个主应力的影响；
s
ns
实验表明：该理论对于塑性材料的屈服破坏能够得到
较为满意的解释，并能解释材料在三向均压下不发生
（2）无法应用于没有拉应力的应力状态； （3）无法解释塑性材料的破坏；
（4）无法解释三向均压时，既不屈服、也不破坏
的现象。
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（一）关于断裂的强度理论
2、最大拉应变理论（第二强度理论） (Maximum Tensile-Strain Criterion)
无论材料处于什么应力状态,只要发生脆性断裂, 都是由于单元体内的最大拉应变（线变形）达到简单 拉伸时的破坏伸长应变值。
无论材料处于什么应力状态 ,只要发生脆性断裂，
都是由于单元体内的最大拉应力达到了一个共同的
极限值。
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t max
o max
14
1、最大拉应力理论
t max
o max
2
1 3
= b
t max
1 (1 0)
o max
b
断裂条件
强度条件
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18
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r 2 1 ( 2 3 ) [ ]
实验表明：该理论对于一拉一压的二向应力状态的 脆性材料的断裂较符合，如铸铁受拉压比第一强度 理论更接近实际情况。
材料力学-强度理论
1 (11 1)
实践证明，该理论适合脆性材料在单向、二向或三向受 拉的情况。此理论不足之处是没有考虑其它二个主应力对材 料破坏的影响。
危险截面发生在C、D截面 MC=32KN·m QC=100KN
（二）强度校核 先绘出C截面正应力分布图和剪应力分布图。
C截面
a．正应力强度校核（K1）点
max
k1
MC WZ
32 103 237 106
135Mpa 150Mpa
b．剪应力强度校核(K2)点
C截面
max
QC
S
* Z
力横截面中性轴处的弯曲剪应力。式中的许用正应力 和许 用剪应力 是由轴向拉（压）试验和纯剪切试验所测得的极
限应力除以安全系数而得。这两类强度条件是能够直接通过试 验来建立。
然而，在工程实际中许多构件的危险点是处于复杂应力 状态下，其应力组合的方式有各种可能性。如采用拉（压） 时用的试验方法来建立强度条件，就得对材料在各种应力状 态下一一进行试验，以确定相应的极限应力，这显然是难以 实现的。
1 3 (11 3)
这一理论能较好的解释塑性材料出现的塑性流动现象。 在工程中被广泛使用。但此理论忽略了中间生应力 2的影响， 且对三向均匀受拉时，塑性材料也会发生脆性断裂破坏的事 实无法解释。
2．第四强度理论（形状改变比能理论）
这一理论认为形状改变比能是引起材料塑性流动破坏的 主要因素，即不论材料处于简单还是复杂应力状态。只要构 件危险点处的形状改变比能，达到材料在单向拉伸屈服时的 形状改变比能，就会发生塑性流动破坏。建立的强度条件为：
材料力学四大强度理论
材料力学四大强度理论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，其中强度理论是材料力学中的重要内容之一。
材料的强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力，而强度理论则是用来描述和预测材料在不同应力状态下的破坏规律和强度值的理论体系。
在材料力学中，有四大经典的强度理论，分别是极限强度理论、绝对最大剪应力理论、莫尔-库伊特理论和最大应变能理论。
首先，极限强度理论是最早被提出的强度理论之一，它是根据材料的屈服条件来描述材料的破坏规律。
极限强度理论认为材料在受到外力作用时，只要应力达到了材料的屈服强度，材料就会发生破坏。
这种理论简单直观，易于应用，但在实际工程中往往存在一定的局限性，因为它忽略了材料在屈服之前的变形过程。
其次，绝对最大剪应力理论是基于材料的最大剪应力来描述材料的破坏规律。
这种理论认为，材料在受到外力作用时，只要材料中的最大剪应力达到了材料的抗剪强度，材料就会发生破坏。
这种理论在一些特定情况下具有较好的适用性，但在一些复杂应力状态下往往难以准确描述材料的破坏规律。
接下来，莫尔-库伊特理论是基于材料的主应力来描述材料的破坏规律。
这种理论认为，材料在受到外力作用时，只要材料中的任意一个主应力达到了材料的抗拉强度或抗压强度，材料就会发生破坏。
莫尔-库伊特理论相对于前两种理论来说，更加全面和准确，因为它考虑了材料在不同应力状态下的破坏规律。
最后，最大应变能理论是基于材料的应变能来描述材料的破坏规律。
这种理论认为，材料在受到外力作用时，只要材料中的应变能达到了材料的抗拉强度或抗压强度，材料就会发生破坏。
最大应变能理论在描述材料的破坏规律时考虑了材料的变形能量，因此在一些复杂应力状态下具有较好的适用性。
综上所述，材料力学中的强度理论是描述和预测材料在外力作用下的破坏规律和强度值的重要理论体系。
四大强度理论分别是极限强度理论、绝对最大剪应力理论、莫尔-库伊特理论和最大应变能理论，它们各自具有一定的适用范围和局限性，工程应用中需要根据具体情况进行选择和应用。
材料力学强度理论
纵截面裂开，这与第
二强度理论旳论述
基本一致。
例6、填空题
危险点接近于三向均匀受拉旳塑性材
料，应选用 第一 强度理论进行计算，
因为此时材料旳破坏形式
为
脆性断。裂
例8、圆轴直径为d，材料旳弹性模量为E，泊松比为 ，为了测得轴端旳力偶m之值，但只有一枚电阻片。 （1）试设计电阻片粘贴旳位置和方向； （2） 若按照你所定旳位置和方向，已测得线应变为
（一）、有关脆断旳强度理论
1、最大拉应力理论（第一强度理论）
假定：不论材料内各点旳应力状态怎样， 只要有一点旳主应力σ1 到达单向拉伸断裂时旳 极限应力σu，材料即破坏。
在单向拉伸时，极限应力 σu =σb
失效条件可写为 σ1 ≥ σb
第一强度理论强度条件：
1 [ ]
[ ] b
n
第一强度理论—最大拉应力理论
（二）强度校核 先绘出C截面正应力分布图和剪应力分布图。
C截面
a．正应力强度校核（K1）点
max
k1
MC WZ
32 103 237 106
135Mpa 150Mpa
b．剪应力强度校核(K2)点
C截面
max
k2
FS hb
(200
100 103 22.8) 103 7 103
1 , 2 0, 3
第三强度理论旳强度条件为：
1 3 ( ) 2 [ ]
由此得： [ ]
2
剪切强度条件为： [ ]
按第三强度理论可求得： [ ] [ ]
2
第四强度理论旳强度条件为：
1
2
( 1 2 )2
( 2
3)2
( 3
1)2
3 [ ]
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9 强度理论1、 脆性断裂和塑性屈服脆性断裂:材料无明显的塑性变形即发生断裂，断面较粗糙，且多发生在垂直于最大正应力的截面上，如铸铁受拉、扭，低温脆断等。
塑性屈服:材料破坏前发生显著的塑性变形，破坏断面较光滑，且多发生在最大剪应力面上，例如低碳钢拉、扭，铸铁压。
2、四种强度理论(1)最大拉应力理论（第一强度理论）材料发生脆性断裂的主要因素是最大拉应力达到极限值,即：01σσ= (2)最大伸长拉应变理论（第二强度理论）：无论材料处于什么应力状态,只要发生脆性断裂,都是由于最大拉应变（线变形）达 到极限值导致的,即： 01εε=(3)最大切应力理论（第三强度理论）无论材料处于什么应力状态,只要发生屈服,都是由于最大切应力达到了某一极限 值,即： 0max ττ=(4)形状改变比能理论（第四强度理论）无论材料处于什么应力状态,只要发生屈服,都是由于单元体的最大形状改变比能达到一个极限值,即：u u0d d=强度准则的统一形式[]σσ≤*其相当应力:r11σ=σr2123()σ=σ-μσ+σr313σ=σ-σ222r41223311()()()2⎡⎤σ=σ-σ+σ-σ+σ-σ⎣⎦3、摩尔强度理论的概念与应用；4、双剪强度理论概念与应用。
9.1图9.1所示的两个单元体，已知正应力 =165MPa，切应力τ=110MPa。
试求两个单元体的第三、第四强度理论表达式。
图9.1[解]（1）图9.1（a）所示单元体的为空间应力状态。
注意到外法线为y及－y的两个界面上没有切应力，因而y方向是一个主方向，是主应力。
显然，主应力对与y轴平行的斜截面上的应力没有影响，因此在xoz坐标平面可以按照平面应力状态问题对待。
外法线为x、z轴两对平面上只有切应力，为纯剪切状态，可知其最大和最小正应力绝对值均为,则图9.1（a）所示单元体的三个主应力为：τστσσσ-===321、、,第三强度理论的相当应力为解题范例r4σ=()eq313165110275a σσσστ=-=+=+=MPa第四强度理论的相当应力为：()eq4a σ==252.0== MPa(2)图9.1(b)所示单元体,其主应力为第三强度理论的相当应力为：()eq31322055275b σσσ=-=+=MPa第四强度理论的相当应力为：()eq4a σ=252.0==MPa9.2一岩石试件的抗压强度为[]σ=14OMPa,E=55GPa, μ=0.25, 承受三向压缩。
己知试件破坏时的两个主应力分别为1σ=-1.4MPa 和2σ= -2.8MPa ，试根据第四强度理论推算这时的另一个方向的主应力为多少？[解] 设另一个方向的主应力为σ,则根据第四强度理论可得[]4σσ=≤228.4639188.240σ+-=解得138MPa σ=-所以,另一个方向的主应力为-138MPa.9.3薄壁圆筒容器,筒壁材料处于二向应力状态,按第三强度理论建立的强度条件是什123220.011165,55.022σσσσ⎡⎡=±=±==⎣⎣-a a 220MP 55MP -么?[解] 第一强度理论认为最大拉应力1σ是引起材料脆性断裂破坏的主要因素,这一理论强度条件为[]11r σσσ=≤;第二强度理论认为最大伸长线应变是引起材料脆性断裂破坏的主要因素,其强度条件为()[]1123r σσμσσσ=-+≤;第三强度理论认为最大切应力max τ是引起材料塑性屈服破坏的主要因素,其强度条件为 []313r σσσσ=-≤;第四强度理论认为另外的两个主应力也影响材料的塑性屈服,其强度条件()()()[]222412233112r σσσσσσσσ⎡⎤=-+-+-≤⎣⎦； 其中,可以直接根据破坏情况不同,来选择强度理论,例如铸铁,砖石与混凝土一类塑性材料,一般发生脆性断裂破坏,通常采用第一强度理论;而钢材一类塑性材料的破坏形态多为塑性屈服通常采用第二或第四强度理论。
9.4 图9.2示的薄壁圆筒受最大压时,测得x =1.8810-4,y =7.3710-4,已知钢的E=210GPa ，[]=170MPa,泊松比=0.3，试用第三强度理论校核其强度。
[解] 由广义虎克定律得=+-=)(12x y y E μεεμσMPa 1.18310)88.13.037.7(3.011.272=⨯⨯+-=+-=)(12y x x E μεεμσMPa 4.9410)37.73.088.1(3.011.272=⨯⨯+-图 9.2A所以123183.1MPa,94.4MPa,0σ=σ=σ=用第三强度理论[]r313a183.1MPσ=σ-σ=σ因为[][]r30181.31707.7170σ-σ-==σ所以，此容器不满足第三强度理论，不安全。
9.1 对于等直杆的截面形状,危险点应力状态及变形形式来说,按第三强度理论建立的强度条件,则[]r313σσσσ=-≤适用于拉伸,压缩屈服极限相同;[]2234rσστσ=+≤适用于单向拉伸或纯剪切; []223nrM Mσσ+=≤适用于弯扭组合。
9.2第一和第二强度理论只适用于脆性材料 , 第三和第四强度理论只适用于塑性材料。
这种说法是否正确? 为什么?[答]这种说法完全正确.因为材料的脆性和塑性不是绝对的.例如:石这样的材料,在常温静载下,承受单向压缩时,显示出脆性断裂,但在三向压缩时,却可以有很好的塑性;有如,象低碳钢这样塑性很好的材料,在低温或很高的加载速度下,却显示出脆性破坏.因而,把塑性材料和脆性材料理解为材料处于塑性状态或脆性状态更为确切些。
9.3试用第三强度理论分析图 9.3 所示四种应力状态中哪种最危险 (应力单位为MPa)。
图9.3[解]（a）三个主应力12390MPa,30MPa,10MPaσ=σ=σ=习题解析按第三强度理论 1380MPa σ-σ=(b) 12390MPa,0,10MPa σ=σ=σ=- 13100MPa σ-σ=(c) 1290MPa,90MPa,0σ=σ=σ=1390MPa σ-σ=(d)12390MPa,0σ=σ=σ=1390MPa σ-σ= 所以,四种应力状态中(b)危险。
9.4一脆性材料制成的圆管 , 径 d=0.lm, 外径 D=0.15m, 承受扭矩 Mn=70kN ·m, 轴向压力 P 。
如材料的拉伸强度极限为 10OMPa, 压缩强度极限为 25OMPa, 试用第一强度理论确定圆管破坏时的最大压力 P 。
[解] 在扭矩的作用下,圆管产生扭转,横截面上的最大切应力为()MPad W M pn 13211611070433max =-⨯==απτ在轴向压力作用下, 横截面上的应力 AP x -=σ主应力[]12xσσσ=+≤即1002xσ+≤所以MPa x 24.74-≤σ , ()kN d D A P x 5.7284124.7422=-⨯=≤πσ9.5 如图 9.4 所示,在船舶螺旋桨轴的 F-F 截面上,由于主机扭矩引起的切应力τ=14.9MPa, 由推力引起的压应力 σ‘x=-4.2MPa, 由螺旋桨等重力引起的最大弯曲正应力'x σ= 士 22MPa ,试求截面 F-F 上危险点 C 的主应力大小及其方位,并求出最大切应力。
若轴的材料许用应力 [σ]=10OMPa, 试按第三强度理论校核该轴的强度。
图9.4[解] 根据题意可知, x y 4.22226.2MPa,0σ=--=-σ=,x 14.9MPaτ=1、主应力MPa x x x74.69.141.131.132222221=++-=+⎪⎭⎫ ⎝⎛+=τσσσMPa x x x94.328.191.1322223-=--=+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=τσσσ , 20σ=设最大主应力方位角为ϕ,即2214.92 1.1426.2x x y tg τϕσσ⨯=-=-=--2ϕ是第三象限的角,即2228.7,114ϕ=︒ϕ=︒最大切应力 ()MPa 84.192131max =-=σστ 2、按第三强度理论校核()[]MPa MPa 10068.3931=≤=-σσσ 强度满足。
9.6 如图 9.5 所示,(1)用钢钉联接的薄壁容器,在同样的长度,纵向的娜钉数比横向的多一倍,为什么?(2) 冬天自来水管会因结冰时受压而被涨破,显然水管中的冰也受到同样的反作用力,为何冰不破坏而水管破坏?试解释之。
图9.5[答] (1)用截面法可得，薄壁容器横纵向截面上的正应力分别是，横向正应力是纵向正应力的2倍,往往沿纵向拉裂，因此在同样的长度,纵向的铆钉数比横向的多一倍。
(2)在冬天,水管水结冰后体积会膨胀,水管与冰之间产生作用力与反作用力,当周向应变达到最大值时，即达到水管的强度极限时会产生脆性断裂。
9.7 如图 9.6 所示,已知MPaMPa x y x 80,40-==-=σττ。
(1)画出单元体的主平面,并求出主应力; (2)画出切应力为极值的单元体上的应力;(3)若材料是低碳钢,试按第三、四强度理论计算单元体的相当应力。
图 9.6[解] (1)主应力MPax x56.166.5628022221=+-=+⎪⎭⎫⎝⎛+=τσσσ MPa x x6.966.5628022223-=--=+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=τσσσ所以 12316.56MPa ,0,96.56MPa σ=σ=σ=- 最大主应力方位240tg2180-⨯ϕ==-2ϕ是第三象限的角,即2225,112.5ϕ=︒ϕ=︒（2）最大切应力 ()()MPa 6.5626.9656.162121max =--=-=σστ 与最大主应力作用面之夹角为45︒，参看下图。
xτyτ(3) 按第三强度理论计算得单元体的相当应力为[]()MPa 2.1136.9656.1631=--=-=σσσ按第四强度理论计算得单元体的相当应力为[]()()()MPa 9.1052213232221=-+-+-=σσσσσσσ9.8 有一发生弯扭组合变形的圆轴,已知其弯矩和扭矩数值相同,M=80ON ·m, 材料的许用应力 [σ]=90MPa 。
试按第三和第四强度理论计算其直径,并比较这两个直径相差多少?[解] t t 33Z p M 16M M 32M,W d W d σ==τ==ππ根据第三强度理论得:[]σππτστ≤⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫⎝⎛=+233221643242d M d M根据第四强度理论得:[]σππτστ≤⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+232322163323d M d M将题中已知条件代入得，两个直径相差:5.04-4.93=0.11cm。