化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)CAI課件

化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)CAI課件第一頁，共35頁?！?-1彈性體的變形與內(nèi)力材料的機(jī)械性能(或力學(xué)性能)—材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能。如：彈性、強(qiáng)度、韌性、硬度和塑性等。彈性變形—卸載后可完全恢復(fù)（消失）的變形。隨外力而增加。一切金屬在外力（不超過一定限度）作用下都能產(chǎn)生一定的彈性變形。塑性（殘余）變形—卸載后不能消失的變形。內(nèi)力—物體因受外力而變形（彈性），其內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)（原子）之間因相對位置改變而引起的相互作用力內(nèi)力由外力所引起，隨外力引起的彈性變形而增大，達(dá)到一定程度就會引起構(gòu)件破壞，因此分析內(nèi)力是解決強(qiáng)、剛度問題的基礎(chǔ)。

材料的機(jī)械性能多由拉壓試驗(yàn)獲得，所以本章首先討論拉壓變形及其內(nèi)力。第二頁，共35頁。

直桿—軸線（截面形心連線）為直線的桿件。

軸向拉壓的受力特點(diǎn)—外力作用線與桿軸重合；變形特點(diǎn)—沿軸向伸長或縮短。承受拉（壓）的桿件稱為拉（壓）桿。拉（壓）桿實(shí)例：連桿、活塞桿、壓力容器聯(lián)結(jié)法蘭的螺栓等?！?-2直桿在軸向拉伸和壓縮時(shí)的變形和內(nèi)力一、線應(yīng)變縱向變形量：（原長）拉：；壓：（縱向）線應(yīng)變：拉：ε＞0；壓：ε＜0第三頁，共35頁?！?-2直桿在軸向拉伸和壓縮時(shí)的變形和內(nèi)力二、軸力截面法求內(nèi)力：（1）假想截開在需求內(nèi)力截面處將構(gòu)件假想截開，以任一部分為研究對象，舍棄另一部分。（2）畫受力圖包括舍棄部分對研究對象的內(nèi)力（3）列平衡方程求未知內(nèi)力由∑X=0得S-P=0→S=PS—截面m—m上分布內(nèi)力的合力，軸向拉壓時(shí)S沿軸向，故稱軸力。軸力S的符號規(guī)定：拉桿軸力為拉力，為正值：S＞0（離開截面）；壓桿軸力為壓力，為負(fù)值：S＜0（指向截面）

對多力桿，各截面軸力將各不相同，可用軸力圖表示。軸力圖—表示軸力沿截面位置（桿長）變化的圖。第四頁，共35頁。例畫圖示桿件軸力圖。設(shè)

解：a）AB段軸力：∑X=0→-S1-Q+P=0→S1=P-Q=100-200=-100NBC段軸力：∑X=0→→-S2-Q=0→S2=-Q=-200N軸力圖如右。b）AB段：BC段：CD段：（拉）（拉）（壓）●結(jié)論：任一截面上的軸力，等于該截面一側(cè)所有軸向外力的代數(shù)和，其中背離該截面的外力為正，反之為負(fù)。第五頁，共35頁。三、應(yīng)力構(gòu)件的強(qiáng)度不僅與內(nèi)力的大小有關(guān)，且與截面的大小有關(guān)，即構(gòu)件的強(qiáng)度取決于內(nèi)力集度—單位面積上內(nèi)力的大小，稱之為應(yīng)力。內(nèi)力在截面上未必均布，也未必與截面垂直。

在k點(diǎn)取一微小面積，上作用有內(nèi)力，則——上的平均應(yīng)力。

——k點(diǎn)的應(yīng)力。σ—正應(yīng)力或法向應(yīng)力。P之法向分量，與截面垂直。τ—剪應(yīng)力或切向應(yīng)力。P之切向分量，與截面相切。應(yīng)力的單位：Pa（N/m2）、Mpa（兆帕）、kMPa（千兆帕）第六頁，共35頁。四、簡單拉伸和壓縮時(shí)橫截面上的應(yīng)力拉壓變形滿足平面假設(shè)：變形前的橫截面變形后仍然保持為平面。

變形后的橫向線、仍然為直線，且垂直于桿軸。根據(jù)平面假設(shè)可以斷定拉桿所有縱向纖維的伸長量均相等。由于材料是均勻的，各縱向纖維性質(zhì)相同，其所受力也一樣，所以橫截面上內(nèi)力均布，各點(diǎn)應(yīng)力均相等：σ=S/A拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。（A為橫截面積）第七頁，共35頁。

例：受力情況如圖，截面積A=5cm2。求：1、畫軸力圖；2、求最大正應(yīng)力σmax。

解：1、畫軸力圖AB段：BC段：

CD段：2、求最大正應(yīng)力第八頁，共35頁。五、拉壓桿斜截面上的應(yīng)力α—斜截面mk的外法線與桿軸x間夾角。逆時(shí)針為正。由于各縱向纖維伸長量相等，所以斜截面應(yīng)力為均布。由可得A—橫截面積；F—桿所受拉力?！獧M截面上應(yīng)力—恒＞0—斜截面上的正應(yīng)力——最大正應(yīng)力發(fā)生在橫截面上?！苯孛嫔系募魬?yīng)力。第九頁，共35頁。五、拉壓桿斜截面上的應(yīng)力兩平行截面mk和切下的薄片的受力情況如圖：規(guī)定：作用在一個(gè)薄片兩個(gè)截面上的剪應(yīng)力組成的力偶如果是順時(shí)針的，則剪應(yīng)力τ為正值，反之為負(fù)值。（）第十頁，共35頁。剪應(yīng)力互等定理剪應(yīng)力互等定理：在（過某一點(diǎn)）相互垂直的兩個(gè)截面上，剪應(yīng)力必然成對存在且數(shù)值相等，方向則共同指向或背離兩平面的交線。在k處取一單元體，其受力情況如下：PP第十一頁，共35頁?！?-3材料的機(jī)械性能一、低碳鋼（含C＜0.25%）1、性能試驗(yàn)與分析靜拉伸試驗(yàn)中將材料制成圓（或矩）形截面試件：兩端粗—便于裝夾、防止在裝夾部分破壞。試驗(yàn)段—中間較細(xì)等截面部分。其長度稱為標(biāo)距。

GB228：《金屬拉力試驗(yàn)法》規(guī)定：圓截面試件：=10d或5d，規(guī)定d=10mm；矩形截面試件：=11.3

或5.65將試件裝到試驗(yàn)機(jī)上，開動機(jī)器，使之受到從零開始逐漸增加的拉力P，自動繪圖儀便繪出P—曲線：拉伸曲線或拉伸圖。

第十二頁，共35頁?！?-3材料的機(jī)械性能為消除試件尺寸影響，反映材料本身的性質(zhì)，可取P—拉力；—試件原始橫截面積。正應(yīng)力：線應(yīng)變：—縱向變形量；—標(biāo)距原長。繪成曲線。曲線大致分為四個(gè)階段：第十三頁，共35頁?！?-3材料的機(jī)械性能（1）彈性階段:ob段變形為彈性—卸載后完全消失?！獜椥詷O限。彈性階段所能承受的最大應(yīng)力。Q235A（A3）鋼oa段為斜直線—比例階段。在此階段應(yīng)力與應(yīng)變成正比：—直線oa之斜率。拉壓彈性模量。

E值的大小反應(yīng)材料抵抗彈性變形能力的高低。不同材料的E值不同。對各種鋼：

虎克定律：當(dāng)應(yīng)力不超過材料的比例極限時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。—比例極限。比例階段所能承受的最大應(yīng)力。將、代入可得：，即—虎克定律的又一形式?？捎糜谟?jì)算縱向變形量?！估箟簞偠?。第十四頁，共35頁。§2-3材料的機(jī)械性能設(shè)：—桿件拉（壓）后的直徑；d—原來的直徑。則橫向變形量：拉：；壓：橫向應(yīng)變：拉：；壓：與總是異號。試驗(yàn)證明：——橫向變形系數(shù)（泊松比）

常用材料的

、

值見P41表2-1。第十五頁，共35頁?！?-3材料的機(jī)械性能（2）屈服階段：bc段應(yīng)力超過后出現(xiàn)應(yīng)變增加很快而應(yīng)力在很小范圍內(nèi)波動，曲線出現(xiàn)一段接近水平的小鋸齒線段。這種應(yīng)力變化不大應(yīng)變卻顯著增加（材料好像失去了對變形的抵抗能力）的現(xiàn)象，稱為屈服或流動。此階段變形大部分為塑性或殘余變形——卸載后不能消失。—屈服（流動）極限。屈服階段的最低應(yīng)力。Q235鋼。達(dá)到屈服極限后材料將出現(xiàn)顯著的塑性變形，致使構(gòu)件不能正常工作，所以

是衡量塑性材料強(qiáng)度的重要指標(biāo)。

第十六頁，共35頁?！?-3材料的機(jī)械性能

經(jīng)過屈服階段以后，材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，要使材料繼續(xù)變形必須增加拉力，這種現(xiàn)象稱為材料的強(qiáng)化?！獜?qiáng)度極限。強(qiáng)化階段最高點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力。為材料所能承受的最大應(yīng)力。為塑性材料重要強(qiáng)度指標(biāo)。Q235鋼：此階段試件橫向尺寸有明顯縮小。（3）強(qiáng)化階段cd段第十七頁，共35頁?！?-3材料的機(jī)械性能（4）局部變形（頸縮）階段：df段過d點(diǎn)后，局部截面急劇縮小，出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象，因此試件繼續(xù)伸長所需拉力也相應(yīng)減小，用原始截面算出的應(yīng)力也隨之減小，降至f點(diǎn)試件被拉斷。斷后彈性變形消失，塑性變形依然保留，標(biāo)具由原長變?yōu)?，橫截面積由原始值變?yōu)椋〝嗫谔帲?。定義：

—延伸率（相對伸長率）—截面收縮率

、表示材料直到被拉斷時(shí)塑性變形所能達(dá)到的最大程度。＞5%—塑性材料。低碳鋼（=20~30%，=60~70%）、Cu、等。

＜5%—脆性材料。鑄鐵、玻璃等。第十八頁，共35頁。2、冷作硬化冷作硬化—在常溫下將材料預(yù)先加載到強(qiáng)化階段（e點(diǎn)，eo1為卸載線）然后卸載，當(dāng)再次加載時(shí)（為加載線）比例極限提高但塑性（為）降低的現(xiàn)象。工程上利用冷作硬化提高構(gòu)件在彈性階段的承載能力，如起重用的鋼索、建筑用的鋼筋采用冷拔工藝提高強(qiáng)度；噴丸、滾壓等表面強(qiáng)化處理。

零件在加工中產(chǎn)生的冷作硬化稱為加工硬化，給下一步加工帶來困難。

冷作硬化可經(jīng)退火予以消除。第十九頁，共35頁。二、其它材料的拉伸曲線1、無屈服階段塑性材

只有彈性和強(qiáng)化階段，又能產(chǎn)生很大塑性變形。

國標(biāo)規(guī)定以產(chǎn)生0.2%的塑性變形所對應(yīng)的應(yīng)力作為材料的名義屈服極限，用

表示。其確定方法如右圖所示。第二十頁，共35頁。二、其它材料的拉伸曲線2、脆性材料鑄鐵、玻璃鋼、陶瓷等。直到被拉斷無明顯塑性變形，無屈服無頸縮，拉到一定程度即突然斷裂。拉斷時(shí)之應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度極限。

是衡量脆性材料強(qiáng)度的唯一指標(biāo)。脆性材料很低，所以不宜作承拉件。鑄鐵曲線無明顯直線部分，彈性模量E隨應(yīng)力大小改變，通常以割線代替曲線開始部分，稱為割線彈性模量。如右圖所示。第二十一頁，共35頁。三、材料在壓縮時(shí)的機(jī)械性質(zhì)金屬材料壓縮試件做成圓柱形，為避免壓彎，取

混凝土、石料、木材等非金屬材做成立方體。1、塑性材屈服前曲線與拉伸時(shí)重合（但越壓越扁，并不會壓潰，所以測不到強(qiáng)度極）。所以塑性材料一般不作壓縮試驗(yàn)。第二十二頁，共35頁。三、材料在壓縮時(shí)的機(jī)械性質(zhì)2、脆性材料壓縮時(shí)的曲線與拉伸相似。如鑄鐵：無明顯直線部分，也無屈服階段，在很小的塑性變形下即被突然壓壞。破斷面與軸線約成角（說明最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在斜截面上，鑄鐵正是在這一面上被剪斷的：）。脆性材料的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高3-4倍，所以鑄鐵等宜做承壓件。如機(jī)床床身、機(jī)座、軸承座等。第二十三頁，共35頁。四、溫度對材料機(jī)械性能的影響P102以上討論的是材料在常溫下的機(jī)械性能。在高溫或低溫下材料性質(zhì)與常溫下將有所不同。高溫影響（1）高溫對短期靜載試驗(yàn)的影響——P102圖7-3低碳鋼：溫度↑→E↓抵抗彈性變形的能力下降；、↓高于400℃測不出；400℃以上不能使用。先上升然后急劇下降；↑抵抗橫向變形能力下降。(2)高溫對長期加載的影響①高溫蠕變—在高溫下承載的構(gòu)件(碳鋼超過,合金鋼超過),雖然載荷大小不變,變形(塑性)卻隨時(shí)間不斷增加的現(xiàn)象?！褚鹜庥^尺寸改變。如：汽輪機(jī)葉片與輪殼相碰而打碎。第二十四頁，共35頁。四、溫度對材料機(jī)械性能的影響P102

②應(yīng)力松弛—由于蠕變使彈性變形逐漸轉(zhuǎn)化為塑性變形，從而引起構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力減小的現(xiàn)象。是一種特殊的蠕變現(xiàn)象?！窀邷厝萜鞣ㄌm聯(lián)結(jié)螺栓松弛后使法蘭與墊片間壓緊力減小而發(fā)生泄漏（密封失效）；汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與軸之間的緊配合松脫。蠕變速度與溫度和應(yīng)力成正比。在允許的最大變形量一定時(shí)，蠕變速度越高，工作壽命越短。③材料的高溫強(qiáng)度指標(biāo)A、蠕變極限—在一定高溫下，為使蠕變速度不超過一定值時(shí)所允許的最大應(yīng)力，稱為該溫度、該蠕變速度下材料的蠕變極限。B、持久強(qiáng)度限—在一定高溫下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)t不發(fā)生斷裂所允許的最高應(yīng)力，稱為材料在該溫度下經(jīng)歷時(shí)間為t的持久強(qiáng)度限?！癜l(fā)生蠕變的試件，經(jīng)過一段時(shí)間將發(fā)生斷裂。第二十五頁，共35頁。四、溫度對材料機(jī)械性能的影響P102

2、低溫影響低碳鋼、低合金鋼→→具有低溫脆性（冷脆現(xiàn)象）不銹鋼、銅、鋁等無此現(xiàn)象。第二十六頁，共35頁?！?-4金屬的缺口沖擊、彎曲和硬度試驗(yàn)一、沖擊試驗(yàn)1、應(yīng)力集中的概念P32、P100

工程中的構(gòu)件不都是等截面桿。如機(jī)械零件上常有溝槽、螺紋、圓孔、鍵槽和臺階等，使構(gòu)件截面發(fā)生突變。應(yīng)力集中—由于截面突然變化而引起的應(yīng)力局部增大的現(xiàn)象。應(yīng)力集中系數(shù)：

—發(fā)生應(yīng)力集中截面上的最大應(yīng)力；—被削弱截面上的平均應(yīng)力。第二十七頁，共35頁。2、應(yīng)力集中的影響（1）塑性材料承受靜載荷時(shí)可以不考慮應(yīng)力集中的影響（有緩和應(yīng)力集中的作用?；?qū)?yīng)力集中有自限性）。（2）應(yīng)力集中會使組織均勻的脆性材料的承載能力大為降低——無屈服階段，在最大應(yīng)力處首先產(chǎn)生裂紋（達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)），在裂紋尖端又形成新的應(yīng)力集中（角越尖越嚴(yán)重），最終導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件破壞。第二十八頁，共35頁。2、應(yīng)力集中的影響（3）組織不均勻的脆性材料可不考慮應(yīng)力集中影響——如鑄鐵。因其組織內(nèi)部存在著導(dǎo)致應(yīng)力集中的片狀石墨，所以構(gòu)件尺寸變化引起的應(yīng)力集中對承載能力的影響就不大明顯了。（4）不管是塑性還是脆性材料，承受交變載荷時(shí)必須考慮應(yīng)力集中的影響?！獞?yīng)力集中促使疲勞裂縫的形成，導(dǎo)致疲勞破壞。第二十九頁，共35頁。3、缺口沖擊試驗(yàn)沖擊—極短的時(shí)間內(nèi)速度發(fā)生極大的變化。如汽錘鍛造、落錘打樁、高速飛輪突然剎車等均屬沖擊問題。沖擊物在極短的時(shí)間內(nèi)速度發(fā)生很大變化，有時(shí)甚至降低為零，表示獲得很大的負(fù)值加速度。因而在沖擊物和受沖構(gòu)件之間必然作用有很大的作用和反作用力——沖擊載荷。沖擊試驗(yàn)：——沖擊功。為剩余能量?！獩_擊韌性。即沖斷試件缺口處單位橫截面積所消耗的功。F為試件缺口處的橫截面積第三十頁，共35頁。

3、缺口沖擊試驗(yàn)試件上的缺口是為了造成應(yīng)力集中，使斷裂從這里開始。試件發(fā)生斷裂使一個(gè)裂紋發(fā)生和擴(kuò)展的過程，在裂紋向前發(fā)展的道路上如果塑性變形發(fā)生在它的前面，就可以阻止裂紋的長驅(qū)直入。它要繼續(xù)發(fā)展，就要消耗更多的能量。因此沖擊韌性值的高低，決定于材料有無迅速塑性變形的能力。韌性高的材料一般都有較高的塑性指標(biāo)，但塑性較高的材料卻不一定都有高的韌性。其所以如此，就是因?yàn)樵陟o載荷下能夠緩慢塑性變形的材料，在動載荷下不一定能迅速塑性變形。4、沖擊韌性能說明的問題（1）材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力。（2）材料對微觀缺陷的敏感性—防止材料在低溫下工作時(shí)出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂。冷脆現(xiàn)象—低溫下沖擊韌性降低的現(xiàn)象。低碳鋼和低合金鋼有此現(xiàn)象，不銹鋼、