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    一、彈性和塑性

    在理論力學中,將所研究的物體看作剛體,即在載荷作用下物體不發生變形。但剛體只是一種理想體,實際物體都是變形體,在外力作用下都會或多或少地發生形狀和尺寸的改變。材料力學以變形體為研究對象,著重研究物體在載荷作用下的變形、受力和破壞規律,為合理設計構件提供基礎理淪和方法。

    按變形規律的不同,變形體的變形有彈性變形和塑性變形兩種。當載荷不超過某一限度時,多數材料在去除載荷後能恢復原有的形狀和尺寸,材料的這種性質稱為彈性。去除載荷後能恢復的變形稱為彈性變形。當載荷超過一定的限度時,在去除載荷後變形只能部分恢復,而殘留一部分變形不能恢復,材料的這種性質稱為塑性。不能恢復而殘留下來的變形稱為塑性變形,也稱為永久變形。

    二、材料力學的基本任務

    機械設備的每一組成部分稱為構件,當機械設備工作時,任一構件都會受到載荷的作用。如,船舶航行時,其推進軸系受到柴油機扭矩和螺旋槳推(或拉)力的作川。為保證機械設備的安全,每一構件都應有足夠的能力擔負起所承受的載荷,這種承載能力主要由以下三個方面來衡量:

    1)構件應有足夠的強度,以保證構件在工作中不會發生斷裂破壞或明顯的塑性變形。所謂強度是指構件抵抗破壞(斷裂或產生明顯的塑性變形)的能力。為保證機械構件或零件的安全工作,首先要求在一定的載荷作用下不發生破壞。例如,起重機鋼絲繩不允許被重物拉斷,齒輪的輪齒在彎曲和接觸應力作用下不發生斷裂破壞,船舶傳動軸不允許出現裂紋或過大的扭轉變形等。

    2)構件應具有足夠的剛度,以保證構件工作時的彈性變形在規定的限度內。所謂剛度是指構件在外力作用下抵抗變形的能力。構件在載荷作用下,儘管不發生斷裂,但如果變形過大,也會影響構件或零什間的配合關系使機械無法正常工作。例如車床主軸變形過大就會影響加工精度,齒輪軸發生過大的彎曲變形就會使齒輪不能正常齧合,並造成軸承不均勻磨損。

    3)構件應有足夠的穩定性,以使構件在工作時不發生失穩現象。所謂穩定性是指構保持其原有平衡狀態的能力。有些機構十的細長直杆,在壓力的作用下有被壓彎的可能,為保證這些受壓桿件的正常工作,要求它們始終保持原有的形態,即要求原有的平衡形態保持不變。如柴油機中的氣門頂杆、千斤頂的螺桿、液壓裝置的活塞桿等。

    為提高構件的強度、剛度和穩定性,可選用優質材料或加大構件截面尺寸,但這與降低材料消耗、減少重量和節省成本是矛盾的。材料力學的豐要任務就是在滿足強度、剛度和穩定性的要求下,以最經濟的代價,為構件確定合理的形狀和尺寸,選扦適宜的材料;為構件設計提供必要的理淪基礎和計算方法。

    三、材料力學的基本假設

    組成構件的材料,其微觀結構和性能—般都比較複雜。研究構件的受力和變形時,如果考慮這些微觀結構上的差異,不僅理論分析中會遇到極其複雜的數學和物理問題,而且在將理論用於工程實際時也會帶來極大的不便。為簡單起見,在材料力中中,需要對材料作出一些合理的假定。

    1.均勻連續性假設

    該假設認為在構什所佔用的整個體積內,材料無間隙、均勻地分佈於構件所佔的空間。從微觀結構看,材料的粒子當然不是處處連續分布的,但從統計學角度看,只要所考察的構件的幾何尺寸足夠大,而且所考察的構件中的每一點都是宏觀上的點,則可以認為構件的全部休積內材料是均勻、連續分布的。根據這一假定,構什內的受力、變形等力學量可以表示為各點坐標的連續函數,從而有利於建立相應的數學模型。

    2.各向同性假設

    假沒材料沿各個方向具有相同的物理和力學性能。根據這一假設,可川一個參數描寫各點在各個方向上的某種力學性能。人多數工程材料雖然微觀上不是各向同性的,例如金屬材斟,其單個晶粒呈結晶各向異性,但當它們形成多晶體聚集體的金屬時,呈隨機取向,因而在宏觀上表現為各向同性。

    3.小變形假設

    假設構什在外力作用下所產生的變形與構件本身的尺寸相比是很小的。根據這一假定,當考察變形休的平衡問題時,一般可以略去變形的影響,因而可以直接應用工程靜力學方法;即在材料力學中,當討論平衡問題時,仍將沿用剛體的概念,採用靜力平衡方程式求解構件所受的各種外力或約束力。

    第二節 載荷、 內力和應力

    一、載荷及其分類

    作用於機械構件或零件上的各種外力(包括支座力)稱為載荷。按作用方式不同,載荷可分為體積載荷和表面載荷。體積載荷是指連續分佈於物體內部的每一個質點上的載荷,如整體的重力和慣性力等。表面載荷是指作用於物體表面上的載荷,又可分為分布載荷和集中載荷。連續作用在物體表面面積上的載荷稱為分布載荷,如作用在柴油機活塞頂上的燃氣壓力。作用於船體上的水壓力等。有些分布載荷是沿杆件的軸線作用的,稱為線載荷,如船體最骨聽受的作用力沿軸向分布。若外力的分布面積遠小於軸線長度,就可當作是作用於一點的集中載荷,如起貨鋼絲繩對吊臂的拉力、滾珠軸承對軸的反作用力等。

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