材料力学基础知识
胡发科
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主要内容
1.材料力学的任务
2.应力和应变
3.应力状态分析
4.材料的力学性能
5.材料的力学试验
6.材料的破坏形式和强度理论
一、材料力学基本知识
1.材料力学的任务
材料力学是研究材料在各种外力作用下产生的应
变、应力、强度、刚度、稳定和导致各种材料破坏
的极限。它与理论力学、结构力学并称三大力学。
材料力学的研究对象主要是棒状材料，如杆、梁、
轴等。
材料力学的研究基于三个假设，分别是：均匀性
假设、各向同性假设、连续性假设。
（1）连续性假设：组成固体的物质内毫无空隙地充
满了固体的体积；
（2）均匀性假设：在固体内任何部分力学性能完全
一样；
（3）各向同性假设：材料沿各个不同方向力学性能
均相同。
2.应力和应变
外力：从设备外部施加到设备上的力。
内力：由外力作用所引起的，物体内部各部分
之间因相对位置改变而引起的相互作用力。
应力：物体在外力作用下而变形时，其内部任
一截面单位面积上的平均内力。
应变：物体在外力作用下，其内部产生的相对
位置改变量。
载荷与变形：当金属材料受外力作用时，这种
外力称为载荷(或称负荷、负载)；
受外力后形状改变，称为变形。载荷因其作用性
质不同，可以分为静载荷、冲击载荷和交变载荷等。
（1）静载荷是指大小不变或变动很慢的载荷。
（2）冲击载荷是指突然增加的载荷。
（3）交变载荷是指大小或方向作周期性变换的载
荷。
材料受载荷作用后的变形，可分为拉伸、压缩、
剪切、扭转和弯曲等。
四种基本变形形式：
（1）拉伸或压缩：杆受一对大小相等，方向相反的
纵向力，力的作用线与杆轴线重合
（2）剪切：杆受一对大小相等，方向相反的横向力，
力的作用线靠得很近
（3）扭转：杆受一对大小相等，方向相反的力偶，
力偶作用面垂直于杆轴线
（4）弯曲：杆受一对大小相等，方向相反的力偶，
力偶作用面是包含轴线的纵向面
应力集中的概念
在承压类特种设备中，构件的截面尺寸发生突变
（或几何外形局部不规则）而引起的局部应力骤增
现象，称为应力集中。往往是缺陷引起的，这些缺
陷包括：表面损伤、焊缝咬边、气孔、夹渣、未焊
透、未熔合、裂纹等。应力集中的严重程度和缺口
的大小有关。其中以裂纹引起的应力集中最为严重。
3.应力状态分析
管道受内压作用时，管体内部应力的大小和方向
不仅随截面的方位而变化，而且在同一截面上的各
点处也不一定相同。通过管体上一点可以作出无数
个不同取向的截面，其中一定可以选出三个互相垂
直的截面，在它上面只有正应力作用，剪应力等于
零，用这三个截面表达的某点上的应力，即称为此
点的应力状态。三个主应力不等且都不等于零的应
力状态称为三轴应力状态，如有一个主应力等于零，
则称为平面应力状态。
压力管道可以材料力学中薄壁圆筒的形式建立力
学模型，由于管道的壁厚远小于其公称直径，管道
的轴向应力和环向应力远大于径向应力，所以管道
上任意截取一点，可认为该点处于平面应力状态。
并且轴向应力只是环向应力的一半，也就是说环
焊缝所受拉应力是纵焊缝所受拉应力的一半。
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