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材料力学范文 篇一

【关键词】金属材料；力学；性能

在机械加工领域，常研究的金属材料的力学性能主要包括以下几个方面：材料强度与塑性、材料硬度、冲击韧性与疲劳强度。通过对金属材料力学性能的研究，在满足零部件加工性能的同时，更好更合理的选材。

一、强度与强度指标

金属材料在机械加工时，承受静载荷的作用，其抵抗塑性变形或断裂的能力称之为强度。载荷就是金属材料在使用及加工过程中所承受的各种外力，其中载荷分为静载荷、冲击载荷、交变载荷。顾名思义静载荷就是力的大小和方向均不发生变化的载荷，而冲击载荷就是冲击力比较大，作用在工件上的时间比较短、速度比较快，交变载荷与静载荷相反，力的大小和方向随时间发生周期性的变化。我们所研究的强度指标就是在静载荷作用下研究的。

屈服强度是用来表示金属材料强度指标最有效的形式。当金属材料受力达到一定程度出现屈服现象时，发生塑性变形并且变形能力不随力增加而改变，此时所对应的应力称之为屈服强度。

在机械加工领域，常用到的材料一般不允许存在塑性变形，这就决定了屈服强度是我们设计零部件和选材的最主要依据。

二、塑性与塑性指标

金属材料在机械加工时承受载荷作用时发生变形，当载荷增加一定程度时发生断裂，在断裂前所承受的最大塑性变形的能力我们称之为材料塑性。拉伸试验是我们获得金属材料的强度和塑性指标最有效的试验。首先把被测材料加工成标准试样，将试样安装在拉伸试验机上通过缓慢施加拉伸载荷，获得拉伸载荷与式样伸长量的关系，即拉伸曲线。

三、硬度和硬度试验

金属材料的硬度就是指金属材料抵抗局部塑性变形和破坏的能力。金属材料的力学性能中最重要的指标之一就是硬度。与拉伸试验相比，硬度试验相对操作比较简单，可以直接在零部件表面进行试验，比较直观，应用比较广泛。硬度试验方法种类比较多，最常用的有以下三种试验方法。

1、布氏硬度试验法

（1）布氏硬度试验原理

布氏试验就是先使用硬质合金球做压头压入金属表面，在施加一定的压力，在规定时间后消除试验力，最后测量压痕表面直径，根据试验压力，作用时间，压痕直径，带入公式，通过计算公式得出其硬度值。通过实验我们可以得出以下结论：布氏硬度值与压痕直径成正比例关系。

（2）布氏硬度特点及适用范围

由于在布氏硬度实验过程中，所用到的试验力和压头直径都比较大，所以压痕也比较大，测量起来比较直观准确，故能准确反映出硬度值。但是也存在一定缺陷，由于压痕比较大，对金属表面的损伤程度也比较大，对于测量零部件表面质量要求比较高或薄壁零部件不适用布氏硬度试验。

2、洛氏硬度试验法

（1）洛氏硬度实验原理

洛氏硬度实验原理与布氏硬度试验相比，不同点在于把硬质合金球形压头改为金刚石圆锥压头，不是通过压痕直径来测量，而是通过压痕深度来测量硬度值。对于不同标尺下的硬度值必须转化为同一标尺才能进行比较。

（2）洛氏硬度特点及适用范围

由于洛氏硬度试验压头采用金刚石锥头，压痕较小，对零部件的损坏程度比较小，适用于测量一些薄壁及表面质量要求比较高的零部件，但存在一定的局限性，测量的硬度值不够准确。

3、维氏硬度试验法

维氏硬度试验压头区别于布氏和洛氏硬度，采用金刚石四棱锥体，维氏硬度试验压痕比较不明显，故可以测量薄壁零部件，但在实验过程中，对压痕对角线的测量比较复杂，增加试验难度。

四、冲击韧性与疲劳强度

由于金属材料在实际使用加工过程中所承受的载荷是多样的，也可能是多种载荷的叠加，常见的的载荷有静载荷，动载荷和交变载荷，只对静载荷研究远不够，对于冲击和疲劳载荷的研究意义重大。

1、冲击韧性

冲击载荷的研究只要通过冲击韧性来获得，冲击韧性主要通过弯曲试验获得。冲击抗力是通过冲击韧度来衡量，主要由材料的强度和塑性决定。

2、疲劳强度

实际生产中常会遇到这种现象，虽然材料承受力远低于屈服极限，但较长时间工作后也会发生断裂，这种现象就是金属疲劳。金属材料出现疲劳破坏时会出现以下特征：（1）疲劳断裂前不出现明显征兆，突然破坏。（2）引起疲劳破坏的应力并不是很大，往往远低于材料的屈服强度。（3）疲劳破坏需要经过三个阶段：裂纹形成、裂纹扩展、整体断裂。

材料力学范文 篇二

关键词： “材料力学性能” 课程教学改革 教学方法

“材料力学性能”课程是材料类专业的一门必修的专业基础课。从课程的历史来看，材料力学性能原是金属材料专业继金属学、固态相变之后的专业课程；在无机非金属材料专业中，无机材料的力学性能仅是无机材料物理性能课程中一章的内容；在高分子材料专业中，聚合物的力学性能则分散在高分子物理课程的有关章节中，内容相对较少。可见，材料力学性能课程教学改革势在必行。针对本门课程的特点及教学要求，我从教学内容、教学方法、教学手段及成绩考核方面对我院教学提出以下教学改革方案。

1.教学内容的改革

材料力学性能课程作为专业基础课，需要为材料科学与工程专业学生提供专业基础理论知识，同时训练学生具备材料力学性能方面的实践能力。因此在课程教学内容改革时，教师必须以素质教育、创新人才培养模式为依据；以能力培养为主线；以教学体系、教学内容的实用性为突破口，对教学内容进行大胆地改革。在课程讲解过程中，教师应从材料力学性能概念出发，遵循材料力学性能的定义，按照材料的承载方式和环境因素，将课程内容分为静载荷拉伸力学性能、其他载荷下的力学性能、断裂韧性、变动载荷下的力学性能、环境条件下的力学性能、高温条件下的力学性能、摩擦与磨损性能、纳米材料的力学性等内容。与此同时，优化教学的内容，不再将陶瓷、高分子、复合材料的力学性能单列成章，而是以材料的力学性能为主线，将三大材料有机地融合到每一章中，并将各类材料的共性与特性进行总结与归纳。另外，打通与前期材料力学、材料科学基础等课程的联系，并注重建立与同期或后期学习课程间的联系及其在生产实际中的应用，为学生今后在实际工作中全面、合理地选用、设计、改造和开发新材料打下良好的基础。

随着科技的发展，材料的种类越来越多，应用日益广泛。新材料力学性能测试的标准不断颁布，已有材料的国内标准需与国际标准接轨而不断修改。新型结构材料应用日新月异，纳米技术的飞速发展，迫切需要材料力学性能的教学与生产力发展水平一致。在教学改革中，教师必须依据工程实际应用，将这部分内容增加进去，以期扩大学生的知识面，使之能更好地适应社会需求。

2.教学方法与教学手段的改革

2.1合理选择教学内容。材料力学性能研究的内容的丰富和手段的多样化，要求教师在传统材料性能教学内容的基础之上进行适当的知识延伸和拓展，结合原教学内容适时把前沿和热点方面的知识引入课堂教学。材料的发展又提供了丰富的素材，如量子点、单晶、人工超晶格、复合材料和纳米材料的开发和应用等[1],教师可结合自己的教学实际和特点进行取舍，向学生展现材料力学性能的丰富内容。在进行知识延拓时，教师应采用“宜简不宜繁，宜短不宜长，宜定性不宜定量”的具体作法，在操作中，特别注意不能喧宾夺主，这样操作有利于新旧内容之间的联系、区别和发展，使学生对所学的知识能理解、巩固和应用[2]。

2.2以科研促教学。材料力学性能课程是一门实践性很强的学科，在教学活动中，教师必须加强实践教学环节，利用开放实验室，使学生根据个人兴趣和爱好参加教师的科研项目，积极争取学校设立的大学生创新实验、“挑战杯”大学生科技活动。通过具体的研究课题，独立设计、自查资料、自拟实验方法进行探索性、创造性实验。

2.3充分发挥学生的主体作用。使用多媒体进行教学，教师必须以现代教学思想、教学理论作指导，构建师生间的互动平台，实现师生间的双向交流，而不是单一的人―机交流；改变角色定位，把以教师为中心，以教材为中心，变为以学生为中心，以问题为中心，让学生成为主动的知识探索者，而不是接受知识的“容器”;不只教给学生知识，更重要的是教给学生学习知识的方法和能力，让学生从自己的亲身体验和感受中、从自己的生活中获得知识。此外，还应辩证地传承和发扬传统教学理论的精华，合理地运用传统教学思想中的“教学相长”、“启发诱导”、“因材施教”、“温故知新”、“学、知、行合一”等思想[3]。

2.4不断更新和拓展知识。到目前为止，材料力学性能的高水平成果和研究热点，绝大多数发表在外文特别是英文期刊上，学生通过专业英语的学习可以进一步了解材料力学性能的研究成果。教师要引导学生在材料性能方面扩展视野，就需要适当运用英语教学，逐步提高学生的专业英语水平，为其阅读专业外文资料奠定良好的基础。大三、大四的学生，已具有一定的英语水平，但专业英语的水平却不高，我们在材料力学性能的教学过程中，适当给出一些章节题目或专业术语的英语表达方式，使学生学到的英语知识在专业课的学习中得到一定程度的应用，逐步积累，提高学生专业英语的水平，这为学生查阅本学科的外文资料奠定了一定的基础。同时依据前面的分组，要求学生对英文文献进行翻译，对国际学术动态有一定的了解，进一步激发学生学习的能动性，培养学生的科研意识和能力。

3.考试模式的改革

考试是教学过程中的一个重要环节，是衡量课程教学质量和学生学习水平的一种重要手段，对学生综合素质的培养起着重要的导向作用。实践证明，为了把考试真正变成调动学生学习积极性，培养学生综合素质的一个重要环节，成为引导学生主动学习和探究的途径之一，教师就必须对现行的考试方法、命题形式、课程成绩评定方法进行改革[4]。

由于考试内容、方式和方法的多样性，考核成绩评定的方法也应该多元化。过去的考试方法较为单一，期末考试几乎决定了学生一学期的学习成绩。其结果是每到学期末，学生的压力最大，而对平时的学习重视不够。多数情况下，学生关心的是课程考试的结果，而不是课程内容的总结与提高。因此，教师应变单纯的终结性考核评定为形成性与终结性考核评定相结合，变单纯的学业成绩考核评定为学生全面素质的考核评定。由单一的考核成绩变为综合素质成绩，变结果评价为过程评价，将平时考核与期中、期末考试相结合，将理论考试与实践考核相结合，增加平时成绩占课程总成绩的比重，加强对平时学习的考查，用教学全程考核来评定学生课程成绩。例如将课程的期末总成绩按四项要求评定，即考勤及课堂表现(听课状态及回答问题)占10%,阶段测验占10%,实验课出勤、课堂表现和实验报告占20%,期末考试占60%。这种评定方法，能使平时成绩在课程总成绩中占有相当分量，弱化学生对一次考试的依赖，减缓学生对期末考试的压力。同时，也使学生能够投入更多精力进行创造性学习。

只有教师通过不断进行课程改革的探索，根据专业特点，结合课程的性质和内容，采用灵活多样的考试考核方式，利用具有科学性、富于开拓性和创新意识的考试题型，科学合理地全面考察学生对所学知识的掌握情况，评价学生应用知识的能力，启迪和触发学生的探索欲望和创新潜质，进一步起到推进“考试和学习互动”的作用，推进教学理念、方法和学习模式的转变，才能真正达到培养和提高学生综合素质的目的。

参考文献：

[1]李莉，张明波，张旭，李伟。《物理化学》课程教学创新初探[J].辽宁中医药大学学报，2010,12,(1):217.

[2]冼双新，范斌，岑素艳。新课程理念下探究教学中的预设和生成[J].考试周刊，2007,41:36-37.

材料力学范文 篇三

关键词 材料力学 弹性力学 板壳力学 振动力学 工程应用

中图分类号：O31 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2017.02.024

Abstract Material mechanics is the basic discipline of mechanics and mechanical， civil engineering and other related major， its main task is to study the strength， stiffness and stability of the rod material. This paper focuses on the mechanics of materials in other disciplines including mechanics， elastic mechanics， applied science shell mechanics and vibration mechanics in. In addition， the application of material mechanics in engineering practice is introduced. This can not only clarify the significance of learning material mechanics course， but also through examples and engineering background to deepen the impression of students， improve teaching efficiency.

Keywords material mechanics； elastic mechanics； shell mechanics； mechanics of vibration； engineering application

0 引言

材料力学①是研究杆状材料的强度、刚度及稳定性的学科，也是力学、机械工程、土木工程等专业的必修课程。该学科的应用范围非常广，不仅能解决一些强度校核、稳定性验证问题，还与其他力学学科，例如弹性力学、②板壳力学③和振动力学④等的交叉非常普遍。此外，材料力学在工程实际和生活中的应用也非常多。本文就通过材料力学在力学学科及工程实际中的应用这两部分来进行说明。

1 材料力学在力学学科中的应用

1.1 材料力学在弹性力学中的应用

弹性力学是研究弹性体在外力作用、温度变化及支座沉陷等外部因素作用下产生的应力、应变、位移的一门学科。其研究对象、基本假设及研究方法与材料力学不同，且它的基本研究思路是基于平衡方程、物理方程和几何方程。其中，弹性力学中物理方程的推导与材料力学息息相关，如图1所示，根据广义胡克定律，容易得到

式（1）中，%l1，%l2和%l3分别是材料力学中的第一、第二及第三主应力，E和%e分别为弹性模量和泊松比。材料力学在弹性力学中的应用还有很多，例如平面应力问题和平面应变问题的区分、应力集中现象在弹性力学中的推广、圣维南原理、利用切应力来求解弹性力学问题等等，此处不再一一赘述。

1.2 材料力学在板壳力学中的应用

板壳力学是研究工程中的板壳结构在外力作用下的应力分布、变形规律和稳定性的学科。其主要研究内容为薄板弯曲理论以及经典解法、薄板稳定问题、薄壳一般理论。板壳问题的求解过程中，通常会用到材料力学挠曲线方程的微分关系，例如，1820 年，Navier 首先成功求解了均布荷载作用下的简支矩形板的挠度问题，如图2中，四边简支矩形板的边界条件为

其中，挠曲线的曲率等于0，即是利用了材料力学中简支端的弯矩M=0的概念。此外，该方法求解简支矩形板的挠度，还利用了材料力学中的力法及位移法建立方程，且最终得到板的最大挠度发生在矩形的中心位置，即=a，=b处，这也与材料力学中简支梁中心位置处挠度最大的概念相符。

1.3 材料力学在振动力学中的应用

振动力学是研究机械振动的运动学和动力学的一门学科。固有频率的计算，是振动研究重点关注的问题之一。而利用柔度法求解系统固有频率时，材料力学的应用可以让问题大为简化。如图3所示为一带有质量块的悬臂梁，为得到系统的固有频率，可以将梁等效为弹簧，列振动方程进行求解，然而该方法比较复杂。此处，可以根据材料力学中集中力作用下悬臂梁自由端的挠度公式得到梁的柔度，从而可以进一步得到系统的刚度和固有频率，让计算和推导过程简单化，基本计算过程如下：

类似地，还可以将材料力学中弯曲变形的概念应用于振动测试当中。如D4（a）、（b）表示用力锤法测试固支梁固有频率和阻尼比的振动测试实验及其原理图。其中，实验构件由四根两端固支梁和两块矩形钢板组成，用力锤敲击矩形板的侧面，测试出的系统固有频率即为四根固支梁的振动频率。将系统看成四根并联的弹簧，由材料力学知识，单根两端固支梁的刚度为： 其中，E为弹性模量，I为惯性矩，L为固支梁的长度，系统总刚度即为 = 48EI/L3，再根据 = ，即可求解出系统的理论固有频率，并将其与振动测试设备得到的固有频率相比较，便能验证该实验的精确性。

2 材料力学在工程实际中的应用

除了在弹性力学、振动力学等力学学科和专业课程以外，材料力学在工程实际和现实生活中的应用也非常广泛。例如，如图5利用有限元软件分析结构的强度，其中，材料的属性：包括弹性模量、泊松比等都需要参考材料力学的内容，且分析结果的正确性及其精度，也都可以通过材料力学的理论分析予以证明。在数控机床强度分析、大型自然通风冷却塔的优化设计中，通常会涉及材料力学的基本概念。

此外，如图6（a）所示，法国著名景点埃菲尔铁塔的形状，也可以利用材料力学中弯曲内力的概念予以解释。由于铁塔水平风向通常仅受到水平方向风力的作用，因此从单个方向上可以将其等效为悬臂梁受水平风载作用，其在均布载荷作用下的弯矩图如图6（b）所示。越靠近地面，弯矩越大，要保证结构的强度，对建筑物的尺寸要求就越高。再考虑塔身自重以及不同高度和不同季节情况下风速的差别等原因，才最终确定了埃菲尔铁塔的形状。巧妙利用了材料力学中弯矩的概念对建筑结构进行优化设计，这也是它与其他塔型建筑物的最显著区别。

最后，在日常生活中接触到的包装袋会有锯齿形状或者小孔裂缝，方便与人们撕开，这就用到了材料力学中小孔或者缝隙处会发生应力集中的现象。此外，在汽车、船舶等交通运输工具中，通常会有材料拼接，拼接处由于材料不同，刚度出现急剧变化，此时也会发生应力集中现象，因此，一味增加此处材料厚度往往会适得其反。这些也都是材料力学在工程实际或现实生活中的应用。

3 结束语

随着工业4.0概念的普及，高校教育越来越偏重于信息化、智能化，对学生的要求是理论联系实际、知识用于实践。本文通过介绍材料力学在力学学科及工程实际中的应用，既可以激发学生对材料力学的兴趣、提高课程的教学效率，又能让学生真正了解材料力学的工程背景和实用价值。

注释

① 刘鸿文。材料力学（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1992.

② 徐芝纶。弹性力学上册（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

材料力学范文 篇四

关键词： 材料力学 平均应力 极限 应力

应力是材料力学中非常基本和重要的概念[1]。现有的材料力学教材中，对于应力的定义和描述有一些谬误和含混不清，易让初学者疑惑甚至理解错误。本文将指出其中的问题，并提出一种更合理的定义和描述方式供材料力学教育工作者和学习者参考。

1.材料力学经典教材中对应力的定义

首先以被各大高校广泛采用的刘鸿文教授的材料力学教材为例[2]，阐述现今普遍采用的定义和描述应力的方式。

首先，为了说明截面上各处材料的受力强度，引入内力集度，即内力集中程度的概念。设在某受力构件的m-m截面上，围绕一点取微小面积ΔA，该微小面积ΔA上内力的合力为ΔF，则单位面积上内力的平均集度为p = ，也称为平均应力。当ΔA0时，极限值p= 是该点处内力的集度，称为该点的应力。由此得到应力的定义，简单地理解为面积趋为零的极限，有的教材上还直接写成p= 。

这些教材指出，按照这里给出的定义，当该微小面积ΔA0时，ΔA上的内力的极限状态将是一个力，而不是一个力和一个力偶，即暗示ΔA上的内力对ΔA内任一点的力矩都等于零。

通过理论力学的知识，m-m截面受到空间任意力系的作用，那么围绕截面上某点的微小面积ΔA上所受的是空间任意力系作用，存在如下几个问题：

（1）在截面上不同的位置，截面所受力是不一样的；在截面上不同的面积上，所受力是不一样的；即使是面积大小相同，但形状不同的话，所受力也是不一样的，即力ΔF是不依赖于面积ΔA而存在的。综上所述，即使该面积小到趋近于零， 也不一定会收敛于同一值。

（2）数学上对极限的定义为：设函数f（x）在点x 的某一去心邻域内有定义，如果存在常数a，对于任意给定的正数ε（无论它多么小），总存在正数δ，使得当x满足不等式0

（3）力ΔF是不依赖于面积ΔA存在的，即ΔF不是ΔA的函数，是否还能用一阶导数 表示应力？

2.应力定义的完善

上述问题的存在，导致在课堂中教师讲解不清楚，学生也很疑惑。为了克服上述问题，本文对应力的定义作了如下修改：

首先，从轴向拉压杆的变形出发引入，通过观察和实验可以知道，杆的横截面上每一点内力的强弱程度是一样的，这样可以引入内力平均集度，即平均应力的概念，同样为p = 。在其他杆件中，如弯曲变形杆中，横截面上的不同点也有内力强弱程度之分，但每一点的强弱程度又不一样，因此提出一种类似于轴向拉压杆的平均应力的定义，把某一点附近一“小面积”上的内力的平均定义为平均应力。对于应力，还是采用经典教材中的极限定义，但是做出如下修改：

当ΔAε时，极限值p= 是某点处内力的集度，称为该点的应力，而ε约为100倍原子尺度 。

这样既沿用了原来的极限定义，又回避了与连续性假相冲突的问题，还应用了统计学的知识，这里ΔA为该点附近一有限面积，不再是趋于零的一个数，在这个面积内，不管所取的面积形状如何，经过统计，该点应力的值都趋于一常数，当然导数表示法 存在的问题不会出现。

3.结语

本文对材料力学经典教材中应力的定义进行了改进，避免了原来定义中的混淆不清和谬误。新的定应义既沿用了原来定义中极限的采用，又克服了原来定义中的问题，简单并且易于理解。

参考文献：

[1]S.铁摩辛柯，J.盖尔。材料力学。科学出版社，1978.