机械基础 · 模块二 强度与刚度适用:机械 / 数控 / 机电 / 汽修建议 6 学时

直杆轴向拉伸与压缩时的变形与应力分析
拉伸与压缩时材料的力学性能
直杆轴向拉伸与压缩时的强度计算

一根螺栓被拧紧会不会被拉断?一根钢丝绳能吊多重?这节课我们就来弄明白:杆子被拉、被压时,里面发生了什么,材料最多能扛多少,怎样算才安全。

🎯 学习目标(学完你能做到)

  1. 能认出生活和车间里哪些零件是“受拉”或“受压”的。
  2. 会用截面法(切、取、代、平)求出杆件的内力(轴力)。
  3. 会用公式 R = FN / A 算出杆件横截面上的应力,并注意单位。
  4. 能看懂低碳钢和铸铁的拉伸曲线,说出屈服强度、抗拉强度的意思。
  5. 能按步骤完成低碳钢拉伸实验,并算出断后伸长率 A 和断面收缩率 Z。
  6. 会求许用应力 [R],能用强度条件 Rmax = FN/A ≤ [R] 完成强度校核、选择截面、确定许可载荷三类计算。
  7. 能说出应力集中、温差应力、疲劳破坏是什么,以及车间里怎样预防。
两种最基本的受力:拉 与 压 FF 拉伸:力背离杆件 → 变长 FF 压缩:力指向杆件 → 变短

② 知识导入:车间里到处都是“拉”和“压”

先看几个你在实训车间、汽修工位上一定见过的场景:

受拉 拧紧的螺栓
把两块钢板夹紧,螺栓杆被拉。拧得太狠,螺栓就会被拉长甚至拉断。
发动机 吊绳受拉 吊装发动机
汽修吊发动机时,钢丝绳、吊链被拉,吊得越重越危险。
汽车 立柱受压 千斤顶 / 机床立柱
顶起汽车时,千斤顶的顶杆被压;机床立柱也一直被压着。
动画演示:车间里的拉与压——实物模型 vs 受力简图(2D / 3D 对比)
选一个场景,点“播放”。左边是实物模型,右边是把它简化后的直杆受力图,看看谁受拉、谁受压。
🤔 想一想:同样粗的一根钢杆和一根铸铁杆,一个拿来做拉杆,一个拿来做底座,为什么不能随便换?学完这节课你就能回答。
大白话:构件受力后会变形,常见的四种基本变形是:拉压、剪切、扭转、弯曲。今天只学第一种——拉压,也是最简单、最常见的一种。

③ 核心知识讲解

3.1 拉伸与压缩的受力特点和变形特点

受力特点:外力(或外力的合力)沿着杆的轴线作用,一对力大小相等、方向相反。

轴线 = 穿过杆子正中心的那条“中心线”。力必须对准这条线,不能歪。

变形特点:杆件沿轴线方向伸长(拉伸)或缩短(压缩)。

受拉伸或压缩的构件,都可以简化成一根等截面直杆来研究(粗细一样的直杆子)。

小实验观察:在橡皮杆上画方格,一拉,方格变得又长又窄;一压,方格变得又短又胖。横线仍然是直的、和轴线垂直。

长度 l,画上方格轴线 变长、变细:伸长量 Δl = l₁ − l > 0 变短、变粗:Δl < 0
点按钮切换,看杆子形状怎么变
动画演示:拖动“力的大小”,看杆件怎样伸长、缩短(2D 平面 / 3D 立体 对比)
向右拖 = 拉,向左拖 = 压。虚线框是原来的样子。图中变形已放大,真实钢杆的变形非常小。
压 ◀▶ 拉

3.2 内力与截面法

内力:杆件受外力变形时,材料内部产生的、阻止变形的抵抗力。

大白话:你用手拉弹簧,弹簧“往回拽”你的那股劲,就像内力。外力越大,内力越大;外力没了,内力也没了。拉压杆的内力沿轴线方向,所以叫轴力,用 FN 表示。

截面法:内力藏在杆子里面看不见,就假想把杆子切开,让它“露出来”,再用平衡条件算出它。口诀:

口诀做什么
① 切在要求内力的位置,假想用一刀横着切开杆件。
② 取留下任意一段(左段或右段)作研究对象,另一段扔掉。
③ 代扔掉那段对留下段的作用,用内力 FN 代替。
④ 平列平衡方程 ΣFx=0,算出 FN。

正负号:FN 背离截面(拉)为正 +;指向截面(压)为负 −。

(a) 整根杆,假想在 m–m 处切开 mm FF (b) 取左段,用 FN 代替右段作用 F FN ΣFx=0:FN − F = 0 → FN = F(拉,为正)
截面法求轴力示意
动画演示:截面法四步走——切、取、代、平
点“播放”连续观看,或点下面的步骤按钮单独看每一步。

3.3 应力:衡量“危险程度”的尺子

应力:单位面积上的内力。拉压杆横截面上只有正应力(垂直于截面),而且均匀分布。

为什么要算应力?同样 1 吨的力,挂在一根筷子粗的钢丝上会断,挂在手腕粗的钢杆上没事。光看“力”判断不了危险,要看每一平方毫米分到多少力——这就是应力。
R = FN / A R:横截面上的正应力,单位 MPa(教材用 R 表示,有的书写作 σ) FN:轴力,单位 N A:横截面积,单位 mm²
🔑 单位换算记牢: 1 MPa = 1 N/mm² | 1 kN = 1000 N | 1 GPa = 1000 MPa
正负号:拉应力为正,压应力为负。公式只适用于轴向拉压杆(力沿轴线)。
动画演示:同样的拉力,粗杆和细杆谁更危险?(截面上的应力箭头)
两根都是 Q235 钢,粗杆 d = 20 mm,细杆 d = 12 mm。箭头越长 = 应力越大;变红 = 超过屈服强度 235 MPa。截面上箭头一样长,说明应力均匀分布。
📘 例题 2.1:开槽圆杆的最大正应力(点开看解题过程)

题目:圆截面杆直径 d = 40 mm,受拉力 F = 60 kN。杆中间一段开了一个宽 10 mm 的通槽,求杆横截面上的最大正应力。

① 求轴力:整根杆只两端受力,各截面轴力都相等:FN = F = 60 kN = 60000 N。

② 找危险截面:轴力处处一样,但开槽段面积最小,所以应力最大的地方在开槽段。

③ 算开槽段面积(槽削掉的部分近似看成矩形 40×10):
A = πd²/4 − 40×10 = 3.14×40²/4 − 400 ≈ 1256 − 400 = 856 mm²

④ 算最大正应力:
Rmax = FN/A = 60000 / 856 ≈ 70.1 MPa(拉应力)

开槽段(危险截面) F=60kN 槽宽 10 mm,杆径 d = 40 mm
动画演示:截面沿杆移动,看哪里的应力最大
红色竖线是“假想切开”的位置,右边是该处横截面(3D 视角),下方实时画出应力沿杆长的变化。
🧮 动手算一算:应力计算器(离线可用)
轴力 FN kN 截面 d mm b × h mm

3.4 变形计算:胡克定律(了解)

在弹性范围内(松手能恢复原样),杆的伸长量和受力成正比:

Δl = FN · l / (E · A)  或  R = E · ε ε = Δl / l,叫“线应变”,就是每单位长度伸长了多少(没有单位)
E(弹性模量):材料“硬不硬、难不难拉长”的指标。E 越大越难拉长。钢材 E ≈ 200 GPa(2×10⁵ MPa)。
大白话理解 Δl 公式:
  • 力 FN 越大 → 伸得越长
  • 杆越长 l → 伸得越长
  • 材料越硬 E → 伸得越短
  • 杆越粗 A → 伸得越短

注意:超过弹性范围(屈服以后),胡克定律就不能用了!

3.5 材料的力学性能与拉伸试验

力学性能:材料受外力时表现出来的“本事”,比如能扛多大力、断之前能拉多长。通过拉伸试验测出来。

试验条件:常温(20 ℃)、静载(力均匀缓慢地加上去);依据国标 GB/T 228.1—2010;设备:万能材料试验机。

拉伸试样(标准哑铃形) 标距 L₀(量变形的那一段) d₀ 夹持端夹持端
圆形试样:L₀ = 10d 或 5d;矩形:L₀ = 11.3√A 或 5.65√A;压缩试样:短圆柱 h = (1.5~3)d

两大类材料:

类别特点代表
塑性材料断之前能被拉长很多(“有韧性”)低碳钢(Q235)、铜、铝
脆性材料几乎没变形就“啪”一下断了铸铁、石料、混凝土
低碳钢:碳的质量分数在 0.3% 以下的非合金钢,车间里最常见,例如 Q235(“235”表示屈服强度约 235 MPa)。
动画演示:标距怎样变化?——从拉伸、颈缩、拉断到对接测量 Lu
低碳钢试样,原始标距 L₀ = 100 mm(两条红色标记线之间)。

3.6 低碳钢拉伸曲线:四个阶段(重点!)

ε(应变)/ ΔlR / FO ①弹性 ②屈服 ③强化 ④颈缩 断裂 ReH ReL Rm b(最高点) εRO 突然断裂 Rm(很低) 没有屈服、没有颈缩 变形很小就断 → 脆性断裂 εR 低碳钢(塑性材料) 铸铁(脆性材料)
点按钮切换曲线视图(示意图,非实测比例)
动画演示:万能材料试验机拉伸试验模拟(试样变形 与 曲线 同步)
左边是试验机里的试样,右边是同步画出的应力–应变曲线。可选低碳钢、铸铁,或两者同时对比。
阶段看得见的现象对应指标(大白话)
① 弹性阶段近似直线,伸长量和拉力成正比;松开能完全恢复。服从胡克定律。
② 屈服阶段曲线呈锯齿状,力几乎不增加,试样却一直“自己变长”,表面可能出现斜纹(滑移线)。上屈服强度 ReH:屈服前第一个峰值对应的应力;
下屈服强度 ReL:舍去第一个谷值后,其余谷值中最小力对应的应力。
工程上常用 ReL 作塑性材料的“极限”。
③ 强化阶段材料“缓过劲来”,又能承受更大的力,到最高点 b。抗拉强度 Rm = Fm/S0:试样能承受的最大拉力对应的应力。
④ 颈缩阶段试样某处突然变细像脖子(颈缩),力下降,最后在颈部拉断。断口呈“杯锥状”,属于韧性断裂。

3.7 压缩时的力学性能 & 断口对比

低碳钢 铸铁 拉:颈缩后断 压:压成鼓形饼 不会断 拉:平断口 压:约45°斜断 断口形状一眼就能分出塑性 / 脆性

低碳钢压缩:上、下屈服强度和拉伸时基本相同;屈服以后越压越扁,只会压扁,不会断裂,所以测不出抗压强度。

铸铁:拉、压都没有屈服和颈缩,Rm(抗拉)很低;但抗压强度远大于抗拉强度。

👉 结论:铸铁适合做受压零件(机床床身、底座、轴承座),不适合做拉杆。
动画演示:压缩试验对比——低碳钢“压成饼”,铸铁“斜着裂”
短圆柱试样放在上下压板之间,上压板慢慢往下压(3D 示意)。

3.8 塑性指标与冷作硬化

塑性:材料抵抗永久变形而不断裂的能力。大白话:能被拉长、弯折多少还不断。

A = (Lu − L0) / L0 × 100% 断后伸长率 A:Lu 拉断后把两段对接测出的标距,L0 原始标距(mm)
Z = (S0 − Su) / S0 × 100% 断面收缩率 Z:S0 原始横截面积,Su 断口处最小横截面积
A、Z 越大 → 塑性越好。A > 5% 叫塑性材料,A < 5% 叫脆性材料。

冷作硬化:常温下把钢材拉过屈服阶段,卸载后再加载,材料的比例极限提高、塑性降低。

大白话:把一根铁丝来回弯几下,会越弯越硬,最后“咔”地断了——这就是冷作硬化。

好处:钢筋、链条、冷轧钢板用它提高承载能力。
坏处:塑性变差,不利于零件后续再加工(变硬变脆、难切削、易开裂)。

εR 卸载 再加载:直线段更高 (比例极限↑ 塑性↓)
冷作硬化示意
动画演示:冷作硬化——加载、卸载、再加载
灰色虚线是“没有卸载、一直拉下去”的原曲线,用来对比。
机械基础 · 模块二 · §2.3(2 学时)
直杆轴向拉伸与压缩时的强度计算
要解决的问题:零件里的应力算出来了,到底安不安全?最多能吊多重?杆子要做多粗?

3.9 载荷与失效

载荷:机械工作时,零件所承受的力或力矩,或者由力和力矩组成的联合载荷。

  • 静载荷:大小、方向不随时间变化或变化很慢(如:机床床身承受的自重)。
  • 动载荷:大小或方向随时间变化(如:发动机连杆、汽车悬架弹簧)。
  • 名义载荷:根据动力机的额定功率 P(kW)和额定转速 n(r/min)计算出的载荷。

失效:零件丧失工作能力或达不到要求的性能。主要形式有 4 种 →

大白话:零件“坏了”不一定是断了。变形太大装不上、细杆被压弯、反复受力裂开,都叫失效。
① 强度失效 断裂或屈服(永久变形) 本节重点 ② 刚度失效 没断,但变形太大 如:机床主轴弯曲→精度差 ③ 稳定失效 细长杆被压弯 如:千斤顶丝杆过长 ④ 疲劳失效 反复受力 → 慢慢裂开
构件失效的四种主要形式

3.10 应力的类型:静应力与变应力

静应力:外力不随时间变化,内部应力大小不变。只能在静载荷下产生。

变应力:外力随时间周期性变化,内部应力也周期性变化。可能由变载荷产生,也可能由静载荷产生(如:转动的轴上某一点,一会儿受拉、一会儿受压)。

循环应力包括三种:

类型特点(大白话)例子
对称循环拉、压一样大,来回交替转动的车轴
脉动循环从 0 到最大,再回到 0齿轮轮齿、反复拧紧
非对称循环最大、最小不对称发动机连杆、螺栓
动画演示:四种应力随时间怎么变
上方是杆件(变长=受拉,变短=受压),下方同步画出应力 R 随时间 t 的曲线。

3.11 许用应力与安全系数(重点)

极限应力:材料丧失正常工作能力时的应力。塑性材料的极限应力是下屈服强度 ReL(一屈服就变形报废);脆性材料的极限应力是抗拉强度 Rm(没有屈服,直接断)。

应力接近极限应力就处于危险状态。为了留出强度储备,用极限应力除以一个大于 1 的安全系数 S,得到工作时允许的最大应力——许用应力 [R]。

[R] = ReL / S塑性材料(如 Q235、45 钢) 静载时 S = 1.2~1.5
[R] = Rm / S脆性材料(如铸铁) 静载时 S = 2~3.5
大白话:电梯标“限载 1000 kg”,其实钢丝绳能吊的远不止这些,多出来的就是“安全储备”。许用应力就是给零件定的“限载”。
互动演示:拖动安全系数 S,看许用应力和杆件粗细怎么变
设杆件要承受 FN = 50 kN 的拉力。S 越大越安全,但所需截面越大、越费材料。
安全系数 S =1.50
💬 课堂讨论:为什么要有强度储备(S>1)?S 能不能随便取?

1. 为什么要 S>1?构件承受的载荷难以估计准确;计算方法有近似;实际材料材质不均匀……都需要留余量。

2. 为什么 S 要合理确定?S 是解决安全与经济矛盾的关键:S 取得过大,[R] 过低,浪费材料、不经济;S 取得过小,[R] 过高,虽然省料,但不安全。

3. 思考:为什么脆性材料的 S 要比塑性材料大?脆性材料断裂前没有明显变形,没有“预警”,一断就是突然断;塑性材料会先屈服、伸长,能被及时发现。所以脆性材料要留更多储备。

3.12 拉伸与压缩时的强度条件(核心公式)

为了保证构件安全可靠地工作,必须使构件的最大工作应力不超过材料的许用应力:

Rmax = FN / A ≤ [R]FN:危险横截面上的轴力(N);A:危险横截面的面积(mm²);[R]:许用应力(MPa)
① 强度校核
已知 FN、A、[R]
算 Rmax = FN/A
看是否 ≤ [R]
问:这根杆扛得住吗?
② 选择截面
已知 FN、[R]
A ≥ FN / [R]
再由 A 求直径 d
问:杆子至少要多粗?
③ 确定许可载荷
已知 A、[R]
FN ≤ A·[R]
再由 FN 求外力
问:最多能吊多重?
🔎 何为危险截面?产生最大应力的横截面。等截面直杆:在轴力最大处;变截面直杆:要把轴力 FN 和面积 A 两方面综合,逐段算应力再比较。
🧮 强度计算器:三类问题一键算(离线可用,显示完整步骤)
FN kN 截面 d mm D d mm A mm² 极限应力 MPa ÷ S

3.13 例题精讲

【例 2-1】直杆受力 F1 = 30 kN,F2 = 12 kN,AB 段横截面积 A1 = 150 mm²,BC 段 A2 = 80 mm²。试求横截面上的最大正应力。
(按图示:A 端固定,F1 作用在 B 处向左,F2 作用在 C 端向右。)
动画演示:例 2-1 截面从 C 移到 A,轴力图、应力图同步画出
变截面杆:既要看内力,也要看面积。红色竖线是“假想切开”的位置。
📝 例 2-1 解题步骤(先自己算,再点开对答案)

① 分段求轴力(截面法,取右段):
BC 段(2—2 截面):FN2 = F2 = +12 kN(拉)
AB 段(1—1 截面):FN1 = F2 − F1 = 12 − 30 = −18 kN(压)

② 分段求应力:
R2 = FN2/A2 = 12000 ÷ 80 = 150 MPa(拉)
R1 = FN1/A1 = −18000 ÷ 150 = −120 MPa(压)

③ 比较:|R2| > |R1|,所以最大正应力在 2—2 截面(BC 段),Rmax = 150 MPa。

启示:AB 段轴力更大(18 kN > 12 kN),但 BC 段更细,应力反而更大——危险截面不一定在力最大的地方!

【例 2-2】悬臂吊车:最大吊重(含电动葫芦自重)G = 70 kN,LAC = 1140 mm,LBC = 360 mm,LCC′ = 150 mm。斜拉杆 C′D 为无缝钢管,外径 D = 60 mm、内径 d = 40 mm,与水平线夹角 α = 30°,材料 Q235,安全系数 S = 2.0。试校核斜拉杆 C′D 的强度(载荷位于梁右端 B 处时)。
动画演示:电动葫芦从 A 走到 B,斜拉杆的应力怎样变化
拖动下方“吊重 G”,试试多重会超过许用应力。斜拉杆颜色:绿=安全,橙=接近,红=超过 [R]。
吊重 G =70 kN
📝 例 2-2 解题步骤(点开)

(1) 求 C′D 杆受的最大外力:取横梁 AB 为研究对象,载荷在 B 端时对 A 点取矩 ∑MA = 0:
FC′·sinα·LAC + FC′·cosα·LCC′ − G·(LAC + LBC) = 0
代入数据:FC′ ×(570 + 130)= 70 × 1500,得 FC′ ≈ 150 kN

(2) 求轴力:C′D 为二力杆,FN = FC′ = 150 kN(拉)

(3) 校核强度:[R] = ReL/S = 235/2.0 = 117.5 MPa
A = π(D² − d²)/4 = 3.14 ×(60² − 40²)/4 = 1570 mm²
Rmax = FN/A = 150×10³ ÷ 1570 ≈ 95.5 MPa < [R]

结论:斜拉杆 C′D 的强度足够。

延伸(许可载荷):FN ≤ A[R] = 1570 × 117.5 ≈ 184.5 kN,对应载荷在 B 端时 G ≤ 184.5 × 700 ÷ 1500 ≈ 86 kN。

3.14 应力集中与温差应力

应力集中:截面尺寸突然变化处(轴肩、开槽、钻孔、螺纹),局部应力显著增大的现象。它使零件破坏的危险性增加,这些地方也常是危险截面。

大白话:像河水流过桥墩,水流在桥墩两侧挤在一起、流得最急。力在零件里“流动”,碰到孔和槽也会挤到一块儿。撕包装袋要先找“小缺口”,就是利用了应力集中。
动画演示:力流线与应力集中(钻孔 / 开槽 / 轴肩)
彩色线是“力流线”,线越挤,应力越大。下方曲线是穿过危险处那个截面上的应力分布。
✅ 减小应力集中的办法:轴肩处加圆角过渡,避免尖角;孔、槽尽量远离受力大的部位;提高表面质量。

温差应力(热应力):温度变化使构件伸长或缩短,而伸缩受到限制时,构件内部就产生应力。例:北方的热水管、铁轨。所以要留伸缩缝、设膨胀节。

动画演示:管道升温——两端固定 / 留伸缩缝 / U 形膨胀节
钢管从 20 ℃ 升到 80 ℃。钢每升高 1 ℃,若不让它伸长,约产生 2.4 MPa 的压应力(E≈200 GPa,α≈12×10⁻⁶/℃)。

3.15 变应力与疲劳强度

疲劳破坏:材料在交变应力作用下的破坏。工程中很多零件(轴、齿轮、弹簧、连杆、螺栓)都是因疲劳而坏的。

疲劳破坏的特点:
  1. 破坏时的应力一般低于静载荷下的强度极限,有时甚至低于屈服强度。
  2. 断裂前要经过多次应力循环。
  3. 不论塑性还是脆性材料,都表现为脆性断裂,无明显塑性变形(没有预警!)。
  4. 断口明显分为光滑区(裂纹慢慢扩展、被反复磨光)和粗糙区(最后一下突然断开)。
影响疲劳强度的因素:
  • 材料屈服强度越高,疲劳强度越高;
  • 应力集中使疲劳强度降低;
  • 表面质量越高(粗糙度值越小),疲劳强度越高;
  • 零件尺寸越大,内部缺陷越多,疲劳强度越低。
动画演示:反复弯折铁丝——疲劳裂纹萌生、扩展、断裂
弯一次不会断,来回弯很多次就断了。右侧同步画出弯折处的交变应力,最后看断口。
📌 本节小结:强度计算是保证杆件安全使用的前提。先定安全系数求出许用应力,再找出危险截面的内力和面积,代入 Rmax = FN/A ≤ [R]。

④ 实操技能:低碳钢拉伸试验

🧰 器材准备
  • 万能材料试验机(含楔形夹头)
  • 低碳钢 Q235 圆形标准试样(d₀=10 mm,L₀=100 mm)
  • 游标卡尺(精度 0.02 mm)、划线笔 / 标距打点器
  • 护目镜、防护手套、记录表
⚠ 安全红线(红色步骤必须严格执行)
试样拉断时会“砰”地弹出碎块,加载时人员不准站在试样正前方、不准用手触碰试样和夹头;未经老师允许不得开机。
  1. 测直径:在标距两端和中间共 3 处,每处在互相垂直方向各量一次取平均,取 3 处中最小值作为 d₀,计算 S₀ = πd₀²/4。
  2. 标标距:在试样中段量出 L₀ = 100 mm,轻轻划线或打点做记号(不要划太深,以免成为裂口)。
  3. 检查设备:确认试验机油泵、限位、急停按钮正常,量程选择合适(约为预计最大力的 1.5~2 倍)。戴好护目镜。
  4. 装夹试样:先夹上端,再调横梁夹下端;夹持部分要全部夹进夹头,试样要对正、竖直,否则力不沿轴线,试验无效。装夹时手不能放在夹头之间。
  5. 调零:力值、位移(或曲线记录)全部清零。
  6. 缓慢加载:按静载要求均匀缓慢加力,严禁猛加。加载过程中人员退到侧面安全位置。
  7. 观察记录:注意屈服阶段指针“停顿/回摆”,记录 FeH、FeL;继续加载记录最大力 Fm;观察颈缩出现的位置。
  8. 断裂与停机:试样拉断后立即停机卸载,等设备完全停止再取下断样,小心断口毛刺划手。
  9. 测断后尺寸:把两段断口紧密对接,量出断后标距 Lu;在断口最细处量 du,算 Su。
  10. 计算填表:ReL = FeL/S₀,Rm = Fm/S₀,A = (Lu−L₀)/L₀×100%,Z = (S₀−Su)/S₀×100%;整理设备,清扫台面。
📋 实训记录表样例(点开)
项目符号测量/计算值单位
原始直径d₀______mm
原始截面积S₀=πd₀²/4______mm²
原始标距L₀100mm
下屈服力 / 最大力FeL / Fm______ / ______N
下屈服强度 / 抗拉强度ReL / Rm______ / ______MPa
断后标距 / 断口直径Lu / du______ / ______mm
断后伸长率 / 断面收缩率A / Z______ / ______%

参考:Q235 的 ReL 约 235 MPa,A 一般在 20% 以上。若算出 A 只有几个百分点,先检查 Lu 是否对接测量。

实操技能二:强度计算“四步法”(以例 2-2 吊车拉杆为例)

  1. 求外力:画受力图,列平衡方程求出杆件受的外力(例:∑MA=0 → FC′ = 150 kN)。载荷位置要取最危险的情况(葫芦在 B 端)。
  2. 求轴力、找危险截面:用截面法求 FN;等截面杆找 FN 最大处,变截面杆逐段算 R 再比较(例:二力杆 FN = 150 kN)。
  3. 定许用应力:塑性材料 [R] = ReL/S,脆性材料 [R] = Rm/S(例:235/2.0 = 117.5 MPa)。
  4. 代入强度条件并下结论:Rmax = FN/A ≤ [R]。单位统一成 N、mm²、MPa;选截面时直径向大取整,求许可载荷时向小取整;最后必须写出“强度足够/不够”的结论。

⑤ 常见误区 & 易错坑点

坑 1
✘ 力大的地方应力一定最大。
✔ 应力 = 内力 ÷ 面积。面积变小(开槽、钻孔、变细)的地方,就算力一样,应力也会变大。找危险截面要力和面积一起看。
坑 2
✘ 60 kN 直接除以 mm²,得出 0.07 MPa。
✔ 先把 kN 换成 N(×1000),N ÷ mm² 才等于 MPa。
坑 3
✘ 圆面积写成 πd²(忘了除以 4),或把直径当半径。
✔ A = πd²/4 = πr²。
坑 4
✘ 截面法时把“外力”当成“内力”,或者内力方向乱画。
✔ 统一先把 FN 画成“背离截面”(设为拉),算出来是负数就说明是压力。
坑 5
✘ 屈服强度就是曲线最高点。
✔ 最高点是抗拉强度 Rm;屈服强度 ReL 在锯齿段,比 Rm 低。零件设计一般以 ReL 为准,因为一屈服零件就“变形报废”了。
坑 6
✘ 铸铁很硬很结实,什么零件都能用。
✔ 铸铁“抗压不抗拉”,只适合受压零件,做拉杆、吊钩非常危险。
坑 7
✘ 实验时 Lu 量一段断样的长度就行。
✔ 必须把两段断口对紧拼接后,再量原来两个标距记号之间的距离。
坑 8
✘ 试样随便夹一下,歪一点没关系。
✔ 夹歪了力就不沿轴线,会额外产生弯曲,测出的数据不准,还容易打滑弹出伤人。
坑 9
✘ 安全系数 S 越大越好。
✔ S 太大,[R] 过低,零件做得又粗又重,浪费材料;S 要在“安全”和“经济”之间合理选取。
坑 10
✘ 铸铁也用屈服强度除以 S 求许用应力。
✔ 脆性材料没有屈服,极限应力用抗拉强度 Rm;塑性材料才用 ReL。
坑 11
✘ 选截面算出 d = 15.2 mm,就取 15 mm。
✔ 截面尺寸要向大取整(取 16 mm),许可载荷要向小取整,否则就不安全了。
坑 12
✘ 塑性材料断前一定有明显变形,能提前发现。
✔ 在交变应力下,塑性材料也会发生没有明显变形的“脆性”疲劳断裂,所以要定期探伤检查。

⑥ 课堂小练习

选好答案后点“提交”,立刻显示对错和解析。全部离线运行。

⑦ 小结(记住这几条就够了)

⑧ 拓展小知识:岗位上的应用

🔩 汽修:为什么缸盖螺栓要按扭矩拧,有的还不能重复使用?
缸盖螺栓拧紧后螺杆受拉。很多发动机用“扭矩 + 转角”法,故意把螺栓拉到接近或进入屈服区(塑性区螺栓),夹紧力更稳定。但螺栓被拉过屈服后已经永久伸长、发生冷作硬化,再用就容易断——所以维修手册常要求一次性使用、必须换新。拆下后也可量螺栓长度,超过规定伸长量就报废。
🏭 数控 / 机械:机床床身为什么常用铸铁?
床身、底座主要受压,正好发挥铸铁“抗压强度高”的优点;铸铁还容易铸造出复杂形状,减振性好,成本低。而需要受拉、受冲击的零件(拉杆、吊钩、连杆)就要用钢。
⛓ 起重作业:钢丝绳、吊链为什么要定期检查“伸长”和“变细”?
吊索受拉,一旦超载就会出现屈服(明显伸长)甚至局部颈缩(变细),这是快要断裂的信号。所以起重规程要求:发现吊链伸长超标、钢丝绳直径明显减小,立即报废,不能凑合用。
🚲 机械史话:为什么自行车架用空心钢管?
在面积(用料)相同时,把材料分布在离中心远的地方(空心管、工字钢、槽钢、桁架),抵抗弯曲的能力更强,还更轻。伽利略很早就研究过这个“形状里的奥秘”。拉压时应力只看面积,但一旦遇到弯曲,截面形状就非常重要——这是后面要学的内容。
🚗 汽修:半轴、弹簧、连杆为什么会“突然”断?
这些零件长期承受交变应力,多数是疲劳断裂:裂纹往往从键槽、轴肩、螺纹根部、表面划伤等应力集中处开始,慢慢扩展,最后突然断。所以维修时:不要在零件表面乱打钢印、乱划伤;重要零件定期探伤;换件时注意圆角、表面不能有锈坑。看到断口一半光滑一半粗糙,基本就能判断是疲劳断裂。
🛤 生活与工程:铁轨缝、排气管波纹管、管道膨胀节
钢轨之间留缝、汽车排气管上装波纹管、蒸汽管道上做 U 形膨胀节,都是为了让构件热胀冷缩时能“自由伸缩”,避免产生很大的温差应力把零件顶弯、拉裂。钢每升温 1 ℃ 被卡死就约产生 2.4 MPa 应力,升温 50 ℃ 就有约 120 MPa,已接近 Q235 的许用应力。