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1、示范教学（示范教学（2 2）材料失效与强度理论材料失效与强度理论 新体系材料力学的教学内容与体系新体系材料力学的教学内容与体系（4 4）张少实哈尔滨工业大学二OO九年七月第第1111章章 材料失效与强度理材料失效与强度理论论1 1）常用工程材料的失效模式）常用工程材料的失效模式 屈服屈服与与断裂断裂是材料的两种是材料的两种基本失效模式。基本失效模式。 在简单应力状态（单向应力状态与纯切应力状态）下，材料在简单应力状态（单向应力状态与纯切应力状态）下，材料发生哪种模式失效，将取决于材料本身的力学性能。即，脆性材发生哪种模式失效，将取决于材料本身的力学性能。即，脆性材料发生脆性断裂失效；而塑性材料
2、发生屈服失效。料发生脆性断裂失效；而塑性材料发生屈服失效。 在复杂应力状态下，材料发生哪种模式失效，还要取决于应在复杂应力状态下，材料发生哪种模式失效，还要取决于应力状态。力状态。 例如，在三向拉应力状态，即使是非常好的塑性材料，例如，在三向拉应力状态，即使是非常好的塑性材料，也不会发生屈服失效。也不会发生屈服失效。11-1 11-1 常用工程材料的失效模式及强度理论概念常用工程材料的失效模式及强度理论概念 断裂断裂材料解体材料解体 屈服屈服塑性变形塑性变形 构构件件失失去去承承载载能能力力 或或 某某 种种 功功 能能 材料发生什么形式的失效？何时发生失效？失效时的应力，材料发生什么形式的失
3、效？何时发生失效？失效时的应力，即极限应力是多大？怎样建立失效判据？即极限应力是多大？怎样建立失效判据？ 要解决这些问题，对于单向应力状态情况是很容易的。那要解决这些问题，对于单向应力状态情况是很容易的。那就是可以模拟实际的单向应力状态进行轴向拉伸试验。就是可以模拟实际的单向应力状态进行轴向拉伸试验。2 2）强度理论的概念）强度理论的概念塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料失效失效判据判据极限极限应力应力11-1 11-1 常用工程材料的失效模式及强度理论概念常用工程材料的失效模式及强度理论概念 对于复杂应力状态情况，要回答上述问题就不那么容易了。对于复杂应力状态情况，要回答上述问题就不那么容易了
4、。 也模拟构件的实际应力状态，做实验也模拟构件的实际应力状态，做实验 ？2 2）强度理论的概念）强度理论的概念行不通 但但是是，材材料料失失效效是是有有原原因因和和规规律律的的，在在有有限限实实验验的的基基础础上上，可可以以对对材材料料失失效效现现象象加加以以归归纳纳、整整理理，对对失失效效原原因因作作一一些些假假说说，即即无无论论何何种种应应力力状状态态，也也无无论论何何种种材材料料，只只要要失失效效模模式式相相同同，便便具具有有同同一一个个失失效效原原因因。这这样样，就就可可以以通通过过轴轴向向拉拉伸伸这这一一简简单单实实验验结结果果，去去预预测测材材料料在在不不同同应应力力状态下的失效和
5、建立材料在一般应力状态下的失效判据。状态下的失效和建立材料在一般应力状态下的失效判据。11-1 11-1 常用工程材料的失效模式及强度理论概念常用工程材料的失效模式及强度理论概念 关于材料失效原因与规律的假说或学说，关于材料失效原因与规律的假说或学说，称为强度理论。称为强度理论。2 2）强度理论的概念）强度理论的概念 强强度度理理论论必必须须经经受受实实验验与与实实践践的的检检验验。实实际际上上，也也正正是是在在反反复复实实验验与与实实践践基基础础上上，强强度度理理论论才才得得到到发发展展并并日日趋完善。趋完善。 目目前前，有有许许多多种种强强度度理理论论，本本课课只只介介绍绍工工程程中中常常
6、用用的的几种强度理论。几种强度理论。11-1 11-1 常用工程材料的失效模式及强度理论概念常用工程材料的失效模式及强度理论概念 11-2 11-2 工程中工程中常用的强度理论常用的强度理论 1 1、关于断裂的强度理论（略）、关于断裂的强度理论（略）11-2 11-2 工程中工程中常用的强度理论常用的强度理论 2 2、关于屈服的强度理论、关于屈服的强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论） 材料屈服失效的原因材料屈服失效的原因最大切应力最大切应力材料屈服失效的判据材料屈服失效的判据因为因为所以所以11-2 11-2 工程中工程中常用的强度理论常用的强度
7、理论 2 2、关于屈服的强度理论、关于屈服的强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论） 讨论：讨论： 平平面面应应力力状状态态时时，假假如如 ，三三个个主主应力没有顺序关系。应力没有顺序关系。 应应力力平平面面的的概概念念11-2 11-2 工程中工程中常用的强度理论常用的强度理论 2 2、关于屈服的强度理论、关于屈服的强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论） 讨论：讨论： 平平面面应应力力状状态态时时，假假如如 ，三三个个主主应力没有顺序关系。这样，上式将变为应力没有顺序关系。这样，上式将变为11-2 11
8、-2 工程中工程中常用的强度理论常用的强度理论 2 2、关于屈服的强度理论、关于屈服的强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论） 讨论：讨论： 平平面面应应力力状状态态时时，假假如如 ，三三个个主主应力没有顺序关系。这样，上式将变为应力没有顺序关系。这样，上式将变为11-2 11-2 工程中工程中常用的强度理论常用的强度理论 2 2、关于屈服的强度理论、关于屈服的强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论） 讨论：讨论： 平平面面应应力力状状态态时时，假假如如 ，三三个个主主应力没有顺序关系。这样，上式将变为应力
9、没有顺序关系。这样，上式将变为11-2 11-2 工程中工程中常用的强度理论常用的强度理论 2 2、关于屈服的强度理论、关于屈服的强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论） 讨论：讨论： 平平面面应应力力状状态态时时，假假如如 ，三三个个主主应力没有顺序关系。这样，上式将变为应力没有顺序关系。这样，上式将变为11-2 11-2 工程中工程中常用的强度理论常用的强度理论 2 2、关于屈服的强度理论、关于屈服的强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论） 讨论：讨论： 平平面面应应力力状状态态时时，假假如如 ，三三个
10、个主主应力没有顺序关系。这样，上式将变为应力没有顺序关系。这样，上式将变为11-2 11-2 工程中工程中常用的强度理论常用的强度理论 2 2、关于屈服的强度理论、关于屈服的强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论） 讨论：讨论： 平平面面应应力力状状态态时时，假假如如 ，三三个个主主应力没有顺序关系。这样，上式将变为应力没有顺序关系。这样，上式将变为11-2 11-2 工程中工程中常用的强度理论常用的强度理论 2 2、关于屈服的强度理论、关于屈服的强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论） 讨论：讨论： 平平
11、面面应应力力状状态态时时，假假如如 ，三三个个主主应力没有顺序关系。这样，上式将变为应力没有顺序关系。这样，上式将变为11-2 11-2 工程中工程中常用的强度理论常用的强度理论 2 2、关于屈服的强度理论、关于屈服的强度理论1 1）最大切应力强度理论（第三强度理论）最大切应力强度理论（第三强度理论） 讨论：讨论：1 18 86 64 4年年，屈屈雷雷斯斯加加作作了了延延性性金金属属挤挤压压，从从孔孔口口流流过过试试验验 试试验验原原理理图图 11-2 11-2 工程中工程中常用的强度理论常用的强度理论 2 2、关于屈服的强度理论、关于屈服的强度理论2 2）形变应变能强度理论（第四强度理论）形
12、变应变能强度理论（第四强度理论） 材料屈服失效的原因材料屈服失效的原因形变应变能形变应变能材料屈服失效的判据材料屈服失效的判据因为因为所以所以11-2 11-2 工程中工程中常用的强度理论常用的强度理论 2 2、关于屈服的强度理论、关于屈服的强度理论2 2）形变应变能强度理论（第四强度理论）形变应变能强度理论（第四强度理论） 讨论讨论 平面应力状态时，假如平面应力状态时，假如1913年年 Mises 提出：提出：Tresca屈服线屈服线6 6个顶点个顶点精确精确连接连接 6 6 个顶点的直线个顶点的直线假设假设用曲线连接用曲线连接 6 6 个顶点个顶点曲线会处处光曲线会处处光滑，可用一个滑，可
13、用一个方程描述方程描述11-2 11-2 工程中工程中常用的强度理论常用的强度理论 2 2、关于屈服的强度理论、关于屈服的强度理论2 2）形变应变能强度理论（第四强度理论）形变应变能强度理论（第四强度理论） 讨论讨论物理意义：物理意义：形变应变能形变应变能八面体上的切应力八面体上的切应力MisesMises没有给予解释没有给予解释11-2 11-2 工程中工程中常用的强度理论常用的强度理论 2 2、关于屈服的强度理论、关于屈服的强度理论3 3）两个强度理论的比较）两个强度理论的比较Mises理理论论考考虑虑了了 的的影影响响实实验验研研究究表表明明， Mises与与实实验结果更吻合验结果更吻合
14、11-2 11-2 工程中工程中常用的强度理论常用的强度理论 2 2、关于屈服的强度理论、关于屈服的强度理论3 3）两个强度理论的比较）两个强度理论的比较Mises理理论论考考虑虑了了 的的影影响响实实验验研研究究表表明明， Mises与与实实验结果更吻合验结果更吻合纯切应力状态时差别最大纯切应力状态时差别最大以上的强度理论，描述的是以上的强度理论，描述的是材料材料进入极限状态的条件进入极限状态的条件和失效判据的表达式和失效判据的表达式工程构件的强度达到极限状态（即发生强度失效）的工程构件的强度达到极限状态（即发生强度失效）的条件是什么条件是什么 ？ 构件失效构件失效判据的表达式判据的表达式
15、？怎样才能保证构件安全可靠的工作怎样才能保证构件安全可靠的工作 ？以最大切应力强度理论为例，回答上述问题。以最大切应力强度理论为例，回答上述问题。11-3 11-3 许用应力许用应力 强度条强度条件件 1 1、许用应力、许用应力以最大切应力强度理论为例以最大切应力强度理论为例现有材料相同的四个构件，其现有材料相同的四个构件，其危险点应力状态如图所示。危险点应力状态如图所示。11-3 11-3 许用应力许用应力 强度条强度条件件 1 1、许用应力、许用应力以最大切应力强度理论为例以最大切应力强度理论为例现有材料相同的四个构件，其现有材料相同的四个构件，其危险点应力状态如图所示。危险点应力状态如图
16、所示。由于存在强度分析的诸多不确由于存在强度分析的诸多不确定因素，那么，定因素，那么，B 构件比构件比 D 构构件更安全一些。件更安全一些。为了有足够的强度储备，以保为了有足够的强度储备，以保证构件能安全可靠地工作，将证构件能安全可靠地工作，将材料的屈服点、屈服线等比例材料的屈服点、屈服线等比例缩小缩小 n（ n 11）倍，变为）倍，变为11-3 11-3 许用应力许用应力 强度条强度条件件 1 1、许用应力、许用应力以最大切应力强度理论为例以最大切应力强度理论为例11-3 11-3 许用应力许用应力 强度条强度条件件 1 1、许用应力、许用应力令令 称为材料的材料的许用应许用应力力 n 称称为为安全系数安全系数与四个强度理论相对应的强度条件与四个强度理论相对应的强度条件11-3 11-3 许用应力许用应力 强度条强度条件件 2 2、强度条件、强度条件 称为材料的材料的许用应许用应力力 n 称称为为安全系数安全系数以最大切应力强度理论为例以最大切应力强度理论为例11-3 11-3 许用应力许用应力 强度条强度条件件 2 2、强度条件、强度条件令令 称为材料的材料的许用应许用应力力 n 称称为为安全系数安全系数第第三三强强度度理理论论的的 强强 度度 条条 件件
